【消費電子實驗室-2023/5/29】“二氧化碳人工合成淀粉”的科研成果此前備受關(guān)注，在5月27日舉行的中關(guān)村論壇第二屆碳達峰碳中和科技論壇上，中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和表示，目前科研團隊建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級中試裝置，正在進行測試，“二氧化碳人工合成淀粉”在理論、技術(shù)和工程上同步推進。

中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和在中關(guān)村論壇第二屆碳達峰碳中和科技論壇上發(fā)表主旨演講。主辦方供圖

二氧化碳排放與氣候變化已經(jīng)成為全球關(guān)注的問題。當下，工業(yè)化進程使自然界碳循環(huán)系統(tǒng)平衡被打破，森林、海洋、濕地等二氧化碳“調(diào)節(jié)器”無法完全回收化石資源向大氣中排放的二氧化碳。

“在‘雙碳’目標下，如果我們能把二氧化碳作為工業(yè)原料用起來，將為經(jīng)濟綠色可持續(xù)發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。”馬延和說，二氧化碳轉(zhuǎn)化利用途徑包括物理封存、化學轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化。其中化學轉(zhuǎn)化目前每年可轉(zhuǎn)化5億噸二氧化碳，潛力很大。而在生物轉(zhuǎn)化方面，經(jīng)過億萬年的自然進化，地球上自養(yǎng)生物等形成了自然精巧的二氧化碳固定和轉(zhuǎn)化利用系統(tǒng)，每年可將超過1000億噸碳素轉(zhuǎn)化為各種有機物。

不過，二氧化碳自然生物轉(zhuǎn)化利用存在效率低、速度慢的問題，難以達到工業(yè)應(yīng)用水平。與光伏和乙醇發(fā)酵工業(yè)相比，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化的能量效率相差10倍以上，固碳速度相差百倍以上，難以支撐二氧化碳的工業(yè)原料化利用。

他表示，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，學習自然、改造自然，設(shè)計人工生物固碳和物質(zhì)合成途徑，突破生物體自然局限，獲得高效能量利用、高效物質(zhì)合成的能力非常重要。“我們可以通過生物技術(shù)來拓展自然生物的能力邊界。”據(jù)他介紹，國外專家也認為，利用工業(yè)生物技術(shù)轉(zhuǎn)化二氧化碳生產(chǎn)復雜化學品、材料、燃料、醫(yī)藥、食品，建立以二氧化碳為原料的工業(yè)生物制造新范式，具有巨大潛力。

各國對二氧化碳生物轉(zhuǎn)化高度關(guān)注，特別是歐美國家都針對利用生物技術(shù)固定二氧化碳或?qū)⒍�氧化碳作為工業(yè)原料制定了各自的規(guī)劃和路線圖。他舉例說，在工業(yè)生物轉(zhuǎn)化路線方面，更多能量形式被利用，更多的固碳途徑被拓展，二氧化碳可以直接被工業(yè)生物體轉(zhuǎn)化，也可以先利用化學技術(shù)轉(zhuǎn)化成一氧化碳、甲醇、乙酸等，再以此為原料培養(yǎng)生物，合成糖、乙醇等多碳化合物。包括最近科研人員用二氧化碳人工合成氨基酸在內(nèi)，二氧化碳到有機物分子的生物合成取得了一系列進展。

2021年9月，中科院發(fā)布重磅科研成果——天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合大連化物所，通過合成生物學手段，首次實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

馬延和介紹了這一科研過程。他說，農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為淀粉。不依賴植物的光合作用合成淀粉，是科學家多年來的一個夢想。“太陽能傳遞到淀粉的本質(zhì)是碳還原并逐步從簡單分子聚合到復雜分子的生化過程。科研人員根據(jù)合成生物學理念，自下而上設(shè)計了淀粉合成生化途徑。”

首先從海量的生物化學反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計出了二氧化碳到淀粉的虛擬途徑，然后挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，最終篩選了10個酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最后轉(zhuǎn)化為淀粉。這個路徑僅涉及11步生化反應(yīng)，淀粉的生產(chǎn)效率由此超過了玉米光合作用的效率。

他說，這項研究為利用二氧化碳工業(yè)合成淀粉開拓了新途徑，發(fā)布后得到高度關(guān)注。“大家給予了高度評價，但目前這只是一條理論途徑，離實用性還差得遠，主要是過程成本高。我們現(xiàn)在的主要任務(wù)就是要解決這條途徑的經(jīng)濟可行性問題。”

據(jù)悉，最初實驗室里合成出來的淀粉只有1克左右。最近，二氧化碳合成淀粉在技術(shù)上有了進一步的完善。同時，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級中試裝置，目前正在進行測試，在理論、技術(shù)和工程上同步推進。

馬延和說，將二氧化碳作為工業(yè)原料，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、石化產(chǎn)品的生物合成有廣闊前景。去年，美國科學家分析認為，二氧化碳人工合成碳水化合物是解決溫室氣體排放和糧食安全“一石二鳥”的重大戰(zhàn)略，呼吁全球多學科科學家協(xié)作，加快推進實現(xiàn)10億噸/年規(guī)模的商業(yè)可行性。一旦實現(xiàn)，和農(nóng)業(yè)種植相比，土地節(jié)約將高于500倍，用水將節(jié)約1300-1600倍。

他說，農(nóng)業(yè)工業(yè)化是范式變革的機遇。“隨著綠色能源的發(fā)展，一個可以改變農(nóng)業(yè)、工業(yè)格局的戰(zhàn)略機會窗口已經(jīng)開啟”。

據(jù)悉，中關(guān)村論壇第二屆碳達峰碳中和科技論壇由中國科學院和科學技術(shù)部共同主辦，論壇邀請了徐南平、詹文龍、聶祚仁、歐陽明高、吳驪珠、衛(wèi)昶、丁玉龍、陳忠偉、Clara Camarasa、馮威、馬延和、朱慶山等12位國內(nèi)外雙碳領(lǐng)域院士專家，圍繞“能源關(guān)鍵科技發(fā)展創(chuàng)新”開展深入交流，從能源發(fā)展戰(zhàn)略、先進核能、新型電力系統(tǒng)、可再生能源與儲能等領(lǐng)域方向探索能源革命與產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)路徑。