9月24號中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和帶領團隊在《科學》發(fā)表二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)在全世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。該項技術(shù)對于我國碳中和、糧食安全、太空探索等領域具有重要指導意義，但實際應用的經(jīng)濟性、可行性還有待考證。

碳達峰碳中和是我國的頂層設計路線，也是未來40年的重要發(fā)展方向。為了實現(xiàn)碳中和，需要多產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，尤其是要大力發(fā)展包括碳捕集、吸收、封存、利用等負碳技術(shù)，那么二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)和前端的碳捕集以及應用端的碳利用技術(shù)十分契合。

二氧化碳合成淀粉的現(xiàn)狀

自然界中農(nóng)作物通過光合作用將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成淀粉，這一過程涉及60余步的代謝反應和復雜的生理調(diào)控，而馬延和團隊成功在實驗室中創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線，將代謝反應縮短至11步，相比于植物轉(zhuǎn)化的8．5倍，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3．5倍。

按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應器年產(chǎn)淀粉量相當于5畝玉米的淀粉年平均產(chǎn)量（按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算）。如果全國的淀粉都由人工二氧化碳合成，現(xiàn)有的90％的耕地面積以及淡水資源將被節(jié)省，進一步消除化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的影響，可以極大地緩解糧食危機。

所以這一研究成果將對全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生革命性的影響，也為中國碳中和路徑的實施提供了一種新思路。

距離商業(yè)化應用有多遠

雖然人工二氧化碳合成淀粉取得了技術(shù)上的突破，但在應用方面還有很長的路要走。此次技術(shù)突破大體可以分為兩步，第一步是二氧化碳被氫催化成甲醇，第二步則是將甲醇轉(zhuǎn)化成淀粉。第一步的成本與第二步的高能耗、高排放都是商業(yè)化應用的難點。

第一步所用技術(shù)較為成熟，且這一步的成本才是決定這個工藝是否存在商業(yè)化落地的關(guān)鍵，因為甲醇是具有市場價值的化工產(chǎn)品且本身價格要高過淀粉。如果按照第一步的工藝，甲醇的成本會比目前市場價格高出幾倍，所以需要降低成本來推動商業(yè)化應用的發(fā)展。

一個是降低制氫的成本，這也是全球新能源發(fā)電企業(yè)研發(fā)的一個重點：將棄風棄光通過電解水方式得到大量氫，可以儲能，發(fā)電以及作為化工原料。解水制氫一般都以強堿、強酸或含氧鹽溶液作為電解液。目前商用電解槽法，能耗水平約為4．5～5．5kwh／Nm3H2，能效在72％～82％之間。折算下來，水電解制氫成本相當于30～40元／kg，用電解法生產(chǎn)氣態(tài)氫的價格比汽油約高65％，如果生產(chǎn)液態(tài)氫，則比汽油約高260％以上。

另一個是降低提純二氧化碳的成本，據(jù)測算，空氣中二氧化碳含量為400ppm，轉(zhuǎn)化為可使用的高純度二氧化碳則需要提純2500倍，過程中所需的費用與材料都相對較高。即使使用較低成本和較簡單工藝路線的干濕轉(zhuǎn)換法，獲取高濃度二氧化碳的成本也高達千元人民幣／噸。如果在高濃度的排放源中捕集，還需要高額的投資、運營、運輸成本。

第二步的商業(yè)化應用將著重于中間環(huán)節(jié)技術(shù)的突破，降低轉(zhuǎn)化過程中的高能耗與高排放。

將甲醇轉(zhuǎn)化成淀粉需要通過技術(shù)手段將碳分子用搭積木的方式連接在碳鏈上，而每增加一個碳分子在碳鏈上，都需要消耗巨額能量并產(chǎn)生碳排放。從整個技術(shù)合成過程的角度來看，其帶來的碳排放對碳中和的影響是負面的。

未來應用的展望

目前該成果還處于實驗室階段，距離實際應用還有很長的距離，但不礙于我們現(xiàn)在對其未來應用的設想。

一是可以解決糧食危機，緩解耕地緊張，減少化肥、農(nóng)業(yè)對環(huán)境的危害

據(jù)由聯(lián)合國世界糧食計劃署、糧農(nóng)組織和歐盟于2016年成立的全球應對糧食危機網(wǎng)絡（FSIN）發(fā)布的《2021年全球糧食危機報告》顯示， 2020年在55個國家／地區(qū)內(nèi)至少有1．55億人陷入“危機”級別或更為嚴重的突發(fā)糧食不安全狀況，比上一年增加約2000萬人。報告警告，自2017年報告首次發(fā)布以來，突發(fā)糧食不安全問題一直在加劇，絲毫沒有停息，這一趨勢令人憂慮。

此外，在報告所反映的55個存在糧食危機的國家／地區(qū)中，2020年有超過7500萬五歲以下兒童發(fā)育遲緩（矮小），1500多萬兒童體型消瘦。

如果能夠有大量的人工合成淀粉，我們就可以生產(chǎn)各種各樣的材料和食品，保障人們的糧食安全。此外，將傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)搬到工業(yè)車間中，可以極大的緩解土地、淡水、肥料等自然資源的使用。

二是可以減少碳排放，緩解氣候問題

自工業(yè)革命以來，由于人類活動使得大氣中的碳排放量增加了約25％－30％，造成了全球性變暖、臭氧層空洞以及極端天氣災害，控制二氧化碳排放量是解決氣候變化的唯一途徑。

如果可以將二氧化碳大量的捕集起來轉(zhuǎn)化為淀粉，就可以極大地緩解二氧化碳排放所造成的環(huán)境問題。

三是可以成為外太空探索的有效保障

與地球不同，火星、金星等大氣層都以二氧化碳為主。如果可以通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為淀粉，則可以有效解決探索人員的能量供給問題，有利于人類開展長期的星球探索。

結(jié)語

正所謂羅馬不是一天建成的，科學成果的應用轉(zhuǎn)化也需要時間的積累，科研人員堅持不懈地努力。作為普通人，我們還需要理性、客觀的看待事物的發(fā)展。

人工二氧化碳合成淀粉技術(shù)的突破，對我國碳中和、糧食安全、太空探索等領域具有重要指導意義，但目前還停留在實驗室研究階段。二氧化碳被氫催化成甲醇所面臨的成本以及搭積木產(chǎn)生的高能耗，高排放等問題還亟需解決。

雖然存在眾多難點，但最重要是走出第一步。馬延和團隊六年磨一劍，為我國科技事業(yè)取得了歷史性成就。老一代科學家心系祖國、艱苦奮斗、精誠報國的優(yōu)秀品質(zhì)，堅持國家利益和人民利益至上的情懷，著力攻克基礎前沿難題和核心關(guān)鍵技術(shù)的行動，帶給我們攻堅克難的無窮精神力量。

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