人工合成淀粉 – 碳中和人才平台 https://www.carbonhrss.com 领先的碳中和人才服务平台 Sat, 31 Dec 2022 08:10:34 +0000 zh-Hans hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.6.2 减不掉的碳排放咋整?干了行吗? https://www.carbonhrss.com/6312.html https://www.carbonhrss.com/6312.html#respond Sat, 31 Dec 2022 00:09:35 +0000 https://www.carbonhrss.com/6312.html

一想到伏特加,你一定会条件反射般想到那燃烧喉头的灼热感。这种被称为是“燃烧的水”的烈酒,据说是历史上最早出现的蒸馏酒。现在,每年都会有 45 亿升的伏特加,灌进地球人的胃里。

在曼哈顿的一家叫“Bathtub Gin”的地下酒吧里,酒鬼们同样爱喝这款酒,但他们喝的可不是一般的伏特加,而是“空气伏特加”。

传统伏特加一般是用谷物或马铃薯为原料,经蒸馏制成烈酒,最后兑水。这个过程不仅会产出碳排放,还会消耗大量的水资源,大概 35 升水只能制 1 升蒸馏物。

“空气伏特加”,则仅用二氧化碳和水制成。反正最终就是乙醇和水的合成,科学家开始想办法了。

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空气伏特加丨kingssleeve.com

首先透过电解将氢气从水中分离出来,释放出氧气,然后将氢气与工业过程中产生的二氧化碳一起送入“碳转化反应器”系统,就产生了乙醇。最后再与水结合,就变成了“负碳”伏特加。

地球人为了低碳,可真是“无所不用其极”啊!说完喝的,我们也说点吃的。

去年,中科院还将二氧化碳人工合成为淀粉,取得了国际意义上的突破性进展。一时间,人们戏称“用空气做馒头”、“未来吃西北风就能饱”。

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论文已在《科学》杂志上发表丨《科学》

又做酒,又做馒头,这听起来是要做成一桌菜?但这些人为固碳背后的“厨艺”可不简单。

用空气做馒头

让二氧化碳重新进入碳循环

人为固定二氧化碳,有几种常见的路径。一是将碳捕捉后,封存在地底、海洋深处,一个字概括就是“堵”;二是将二氧化碳通过生物或化学过程,再转化成其他化学品的方案。

这里不得不提中科院曾提出过的“液体阳光”概念:利用光电催化等技术,将二氧化碳转化为甲醇等绿色燃料,完成光能到化学能的转化与存储。

在这个过程中,“面目可憎”的二氧化碳就相当于重新进入碳循环。“堵”不及“疏”。

在这里面,甲醇还大有用处呢!甲醇如果进一步经过各种生物化学催化,还能转变成人类赖以生存的淀粉,关键是从合成速率到效率上都远远超过当前的农耕水平!

而这,便是去年中研院将二氧化碳人工合成为淀粉的创举。既回收利用了二氧化碳,又能拿来生产人类赖以生存的食粮。

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利用人工途径从二氧化碳合成淀粉 丨中国科学院

淀粉是粮食最主要的成分,目前主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化而成。自然界的淀粉合成与积累,涉及 60 余步生化反应以及复杂的生理调控。

中科院马延和团队采用一种类似“搭积木”的方式,从头设计、构建了 11 步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

按照目前技术参数,理论上 1 立方米的生物反应器,每年可以生产相当于五亩玉米地年产量的淀粉。

未来,不知道科学家们还会把二氧化碳拿去做成什么吃的呢。

  人为固碳只是看起来很美?

先别太高兴,用二氧化碳合成淀粉,并不能让人马上就能吃上馒头。

只有人工合成淀粉的经济可行性,能与传统农业生产比肩甚至更高,才有可能让工业车间生产模式完全取代植物原料的提取,节约耕地和淡水资源的同时,降低人类生产对地球环境造成的负面影响。

再说说世界上最大的碳捕获工厂 Climeworks 所做的尝试。他们在户外架设了直接空气捕获(DAC)设备,远看就是几个塞满风扇的集装箱。

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当风吹起附近地热发电厂喷出的蒸汽云团时,这些“集装箱”就会发出轻柔的嗡嗡声,开始抓碳。丨climeworks

思路很简单:既然二氧化碳已经多到用生物固碳手段也搞不定,那直接把它们“抓”起来呢?

原理也很简单:风扇将空气吸入后,机器内的高选择性过滤材料再吸附二氧化碳。等“吸饱”之后,风扇会关闭,同时收集器开始加热到 80 至 100℃ 之间,高纯、高浓的二氧化碳便被释放并收集起来了。

之后,他们再将抓来的二氧化碳和水混成“汽水”,打入地底等其钙化成石头。这个方案比较安全,它不像种植森林那样,在变暖的地球上会因为腐烂、砍伐或燃烧来释放碳。一旦碳变成岩石了,它就去不了任何地方了,不存在二氧化碳泄漏风险。

但就目前来看,DAC 捕碳架设成本高,但效率偏低。果壳算过一笔账:Climeworks 年吸入量仅为 4000 吨,想要阻止全球变暖,到本世纪中叶,每年需要从空气中清除 100 亿吨二氧化碳……相比起来,简直杯水车薪。

现实是,过去几十年中,人为排放的二氧化碳,大致有 54% 被自然过程所吸收固定,剩下的 46% 则留存于大气中。

再具体到中国,低碳转型、双碳目标是我们作为负责任大国坚定不移的战略。中国科学院院士丁仲礼表示,中国的碳中和需要构建一个“三端共同发力体系”

三端共同发力体系

  • 电力端:电力 / 热力供应端的以煤为主应该改造发展为以风、光、水、核、地热等可再生能源和非碳能源为主;

  • 能源消费端:原材料生产过程中的用能以绿电、绿氢等替代煤、油、气,水泥,交通用能、建筑用能以绿电、绿氢、地热等替代煤、油、气;

  • 固碳端:不管前面两端如何发展,在技术上要达到零碳排放是不太可能的,真正要做到“零碳电力”也只能寄希望于遥远的将来。因此,我们还得把“不得不排放的二氧化碳”用各种人为措施将其固定下来。

因此,“碳捕获、利用与封存”(CCUS)在未来尤为重要,虽然这些都还在探索阶段。

  技术和认知都要从 0 到 1

碳才能从 1 变 0

丁仲礼院士总结,从现阶段看,只有生态系统固碳才可兼顾经济效益和社会效益。生态系统固碳的重点在于森林生态系统,森林生态系统的管理一在于保育,二在于扩大面积。

用生物固碳,依然还是基本盘。在这方面,我国在自然碳汇禀赋方面具有优势。

就像视频中楼博士说的,“只要愿意干,就能干得好。”

但面对自然环境,我们同样需要未雨绸缪,发展科研,将实验室的成果落地,真正为人所用,切实保护环境。目前,通过 CCUS 技术固碳,还在等待技术突破和落地应用,从“0 到 1”的技术突破,都是为了“从 1 到 0”的去碳。

技术探索上的低碳,需要坚持;个人行为上的低碳,同样需要坚持。眼下,将空调调高一度,选择绿色食品、绿色出行……都是切实可以减少碳排放的行为。

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你还知道哪些低碳生活方式?丨图虫

如今,各种绿色生活平台、“碳普惠”平台层出不穷,通过低碳行为记录,把看不见、摸不着的低碳展现在人们眼前。

比如,我们熟悉的蚂蚁森林,就用“绿色能量”作为激励,通过远方的一棵小树、一株海草、一平米保护地……让网友们参与低碳生活更有成就感,提升“低碳意愿”;同时也通过开放合作,不断丰富低碳生活场景,让网友们更方便、也更容易坚持“低碳行为”。

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你的每一次低碳行为,都有机会成为远方的一抹绿色丨蚂蚁集团

在“意愿”和“行为”提升的同时,正确的“低碳认知”也不能掉队。要想调动人们在“吃穿用住行”都有环保意识,科普低碳行为的基本原理,讲清这样将能促成什么改变,是重要的一步。

于是,秉承让大家了解什么是低碳、如何做好低碳的初心,果壳联合《科技日报》和蚂蚁森林,共同推出低碳科普项目“低碳实验室”,通过“楼博士 Dr.low carbon”的讲述,从现实生活中一个个小而具体的场景入手、科普低碳概念、提升公众低碳认知、积极倡导低碳行动。

比如,你知道节约一碗饭,能省多少碳么?如果每人节约一度电,能有多么客观的规模效益么?绿色出行为什么很“行”?火出圈的“个人碳账户”到底是什么?

这些问题,楼博士都可以给你答案!

当“低碳”不牺牲个人生活便利,不阻碍社会健康发展,这个概念就自然会从认知和意愿,转变为实实在在的行为。

这样,通过种树育林、科技进步、个人行动共同发展,我们才能响应国家号召,在 2030 年实现碳达峰,2060 年实现碳中和。

这一切带来的影响是深远的。大到产业转型、国际竞争力提升,小到个人生活观念、消费行为的升级,改变正在悄然发生。未来还会有哪些新鲜的低碳趣闻?我们一起期待。

参考文献

[1]《This start-up makes vodka out of CO2 emissions, and it’s backed by Toyota and JetBlue》

https://www.cnbc.com/2022/05/16/air-company-makes-vodka-out-of-co2-emissions-backed-by-toyota-jetblue.html

[2]《丁仲礼院士:碳中和的战略逻辑和技术需求》

https://mp.weixin.qq.com/s/GSZaVNtP5lo9OB9-SRr8Wg

[3《]吸入二氧化碳做成“汽水”?有人想这样拯救地球》

https://36kr.com/p/1440775006243456
[4]《用空气做馒头?我国首次实现二氧化碳人工合成淀粉》

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MTg1MjI3MzY2MQ

[5]《中国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术》

http://finance.people.com.cn/BIG5/n1/2021/0927/c1004-32237649.html

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中国实现二氧化碳人工合成淀粉,但指望其减碳为时尚早-碳中和人才平台图片来源:视觉中国

9月24日,一篇在国际期刊发表的有关二氧化碳人工合成淀粉的论文,引发热议。二氧化碳合成淀粉,除了引起人们对碳排放问题的关注外,还不乏对粮食问题的讨论声,网友甚至戏称“空气变馒头不是梦”、“喝西北风”、“再也不用种地了”。

在这篇题为《 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide 》的研究论文中,首次介绍了由二氧化碳到淀粉的完整合成技术。不仅如此,“双碳”目标大背景下,该技术未来还有望促进碳中和的生物经济发展,推动可持续经济。

据界面新闻记者查询了解到,上述论文发表在由美国科学促进会出版的学术期刊《科学》杂志上,为全世界最权威的学术期刊之一,论文上线日期亦为2021年9月24日。

采用一种类似“搭积木”的方式,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下称天津工业生物所)研究员马延和带领团队,从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

据介绍,该技术不依赖植物光合作用,不需大面积种地、施肥和农作物加工,经优化,原料只需二氧化碳、氢气和电,便能生成淀粉。而且在充足能量供给条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

中国实现二氧化碳人工合成淀粉,但指望其减碳为时尚早-碳中和人才平台图片来源: 天津工业生物技术研究所

被寄予众望的“二氧化碳变淀粉”

普通情况下,淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在农作物中,将二氧化碳转变为淀粉的复杂过程中,太阳能的理论利用效率不超过2%,且农作物生长周期长,需大量土地、淡水、肥料等资源。因此,新的淀粉制备方法实现了对二氧化碳的高效转化利用,无疑是多重利好。

对于这项二氧化碳人工合成淀粉技术的详细介绍及解读,在9月23日,中科院就此召开了新闻发布会。会上,中科院副院长周琪表示,当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战,二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成,正是应对挑战的重大科技问题之一。

而团队的整体设计思路是,将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料,将低密度太阳能转化为高密度电或氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物,然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。

这项研究成果,也获得了中外同行专家的认可和高度评价。

《科学》评审专家表示,“该项工作是一项里程碑式突破,将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”美国工程院院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·尼尔森称,利用不同种类的酶组成的重组酶系统,将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉,是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例。中国工程院院士、南京工业大学原校长欧阳平凯也认为,该研究对中国、对世界解决二氧化碳生成淀粉这个人类基本的食品和原料的问题以及“碳中和”工作,都有很重要的意义。

不过,上述展望的实现,仍要建立在一定条件的基础上。举例来说,首先该转化过程的成本需进一步降低,与农业种植相比具有经济可行性,才有可能节约耕地和淡水资源,同时避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展。

“0到1”已实现,“1到100”有多远

在中科院的新闻发布会上,天津工业生物所研究团队表示,目前该研究成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需尽快实现从“0到1”的概念突破,到“1到10”和“10到100”的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬也在会上直言,产业化应用面临很大的挑战。一方面,在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决;另一方面,就经济性而言,从控制过程成本初步计算,只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍,淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍,才能与农业种植竞争。因此,实现工业化生产,还需解决诸多的科技难题,距离“淀粉生产工厂”,还有很长的路要走。

中国社会科学院可持续发展研究中心副主任陈迎认为,这项科学研究的突破具有重要意义,但要应用在碳减排领域为时尚早。

“应该看到,二氧化碳非常稳定,打开化学键必须外输能量。二氧化碳合成有机物的转化过程,需要氢气,也必须是绿电制备的绿氢。现在寄希望该技术大规模应用作为减排技术来消耗大量二氧化碳,还为时过早。”陈迎向界面新闻表示,“任何技术能否大规模应用,不仅要技术可行,还要成本有竞争力,社会可接受。”

降碳的未来科技

进入2021年,在巴黎协定框架下各国自主贡献(NDC)和近期各国宣布的碳中和计划让全球碳市场再度活跃起来,包括中国在内的全球碳市场将进入一个崭新的发展阶段。而在降碳过程中,市场尤为关注技术进步和创新对高碳行业的影响

在减碳的技术层面,近日,剑桥碳捕捉公司也开发了一种技术,即通过两个阶段的矿化过程将二氧化碳分离出来。该技术可用于电力或钢铁的零排放生产,也可与天然气供应商合作,将天然气转化为零排放的氢气。但目前,剑桥碳捕捉公司还在与潜在客户进行商业前讨论,希望在商业规模上试验这项技术。

关于碳捕捉与封存,在碳减排上的确具备技术方面的可塑性,不过目前在国内并不是一个经济的选择。碳捕获技术需具备财务可行性,捕获和储存二氧化碳需大型地质结构,同时运输排放物也十分复杂且成本高昂。我国的双碳战略是在保增长的同时,控制排放,新技术背后的经济考量亦不可忽视。

同样的道理,想要依靠二氧化碳合成淀粉技术实现碳减排与粮食问题的解决,仍然还有诸多科技、经济难题待面对。

尽管如此,产业化仍然是天津工业生物所科研团队努力的方向科研团队的下一步目标,一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题,另一方面便要推动成果走向产业应用,未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

据了解,从2015年开始,天津工业生物所科研团队就已启动了人工合成淀粉项目。目前,经科技部批准,天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。

而具体这项技术未来会走向哪里,能对碳减排、粮食问题产生多大影响力,还要交给时间。

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