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科技, 碳中和
作者:孙航|亿欧EqualOcean
2021-10-05 22:51
[亿欧导读]

二氧化碳人工合成淀粉的技术一经出世就被给予厚望,被认为是一次实现碳中和的技术革命,但实际应用的经济性、可行性还有待考证。

粮食危机

题图来自“收费图库”

9月24号中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和带领团队在《科学》发表二氧化碳人工合成淀粉的技术在全世界范围内引起了广泛关注。该项技术对于我国碳中和、粮食安全、太空探索等领域具有重要指导意义,但实际应用的经济性、可行性还有待考证。

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碳达峰碳中和是我国的顶层设计路线,也是未来40年的重要发展方向。为了实现碳中和,需要多产业协同合作,尤其是要大力发展包括碳捕集、吸收、封存、利用等负碳技术,那么二氧化碳人工合成淀粉技术和前端的碳捕集以及应用端的碳利用技术十分契合。

二氧化碳合成淀粉的现状

自然界中农作物通过光合作用将太阳光能、二氧化碳和水转化成淀粉,这一过程涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控,而马延和团队成功在实验室中创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线,将代谢反应缩短至11步,相比于植物转化的8.5倍,理论能量转化效率是玉米的3.5倍。

按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩玉米的淀粉年平均产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算)。如果全国的淀粉都由人工二氧化碳合成,现有的90%的耕地面积以及淡水资源将被节省,进一步消除化肥和农药对环境的影响,可以极大地缓解粮食危机。

所以这一研究成果将对全球农业生产产生革命性的影响,也为中国碳中和路径的实施提供了一种新思路。

距离商业化应用有多远

虽然人工二氧化碳合成淀粉取得了技术上的突破,但在应用方面还有很长的路要走。此次技术突破大体可以分为两步,第一步是二氧化碳被氢催化成甲醇,第二步则是将甲醇转化成淀粉。第一步的成本与第二步的高能耗、高排放都是商业化应用的难点。

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第一步所用技术较为成熟,且这一步的成本才是决定这个工艺是否存在商业化落地的关键,因为甲醇是具有市场价值的化工产品且本身价格要高过淀粉。如果按照第一步的工艺,甲醇的成本会比目前市场价格高出几倍,所以需要降低成本来推动商业化应用的发展。

一个是降低制氢的成本,这也是全球新能源发电企业研发的一个重点:将弃风弃光通过电解水方式得到大量氢,可以储能,发电以及作为化工原料。解水制氢一般都以强碱、强酸或含氧盐溶液作为电解液。目前商用电解槽法,能耗水平约为4.5~5.5kwh/Nm3H2,能效在72%~82%之间。折算下来,水电解制氢成本相当于30~40元/kg,用电解法生产气态氢的价格比汽油约高65%,如果生产液态氢,则比汽油约高260%以上。

另一个是降低提纯二氧化碳的成本,据测算,空气中二氧化碳含量为400ppm,转化为可使用的高纯度二氧化碳则需要提纯2500倍,过程中所需的费用与材料都相对较高。即使使用较低成本和较简单工艺路线的干湿转换法,获取高浓度二氧化碳的成本也高达千元人民币/吨。如果在高浓度的排放源中捕集,还需要高额的投资、运营、运输成本。

第二步的商业化应用将着重于中间环节技术的突破,降低转化过程中的高能耗与高排放。

将甲醇转化成淀粉需要通过技术手段将碳分子用搭积木的方式连接在碳链上,而每增加一个碳分子在碳链上,都需要消耗巨额能量并产生碳排放。从整个技术合成过程的角度来看,其带来的碳排放对碳中和的影响是负面的。

未来应用的展望

目前该成果还处于实验室阶段,距离实际应用还有很长的距离,但不碍于我们现在对其未来应用的设想。

一是可以解决粮食危机,缓解耕地紧张,减少化肥、农业对环境的危害

据由联合国世界粮食计划署、粮农组织和欧盟于2016年成立的全球应对粮食危机网络(FSIN)发布的《2021年全球粮食危机报告》显示, 2020年在55个国家/地区内至少有1.55亿人陷入“危机”级别或更为严重的突发粮食不安全状况,比上一年增加约2000万人。报告警告,自2017年报告首次发布以来,突发粮食不安全问题一直在加剧,丝毫没有停息,这一趋势令人忧虑。

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此外,在报告所反映的55个存在粮食危机的国家/地区中,2020年有超过7500万五岁以下儿童发育迟缓(矮小),1500多万儿童体型消瘦。

如果能够有大量的人工合成淀粉,我们就可以生产各种各样的材料和食品,保障人们的粮食安全。此外,将传统的农业生产搬到工业车间中,可以极大的缓解土地、淡水、肥料等自然资源的使用。

二是可以减少碳排放,缓解气候问题

自工业革命以来,由于人类活动使得大气中的碳排放量增加了约25%-30%,造成了全球性变暖、臭氧层空洞以及极端天气灾害,控制二氧化碳排放量是解决气候变化的唯一途径。

如果可以将二氧化碳大量的捕集起来转化为淀粉,就可以极大地缓解二氧化碳排放所造成的环境问题。

三是可以成为外太空探索的有效保障

与地球不同,火星、金星等大气层都以二氧化碳为主。如果可以通过技术手段转化为淀粉,则可以有效解决探索人员的能量供给问题,有利于人类开展长期的星球探索。

结语

正所谓罗马不是一天建成的,科学成果的应用转化也需要时间的积累,科研人员坚持不懈地努力。作为普通人,我们还需要理性、客观的看待事物的发展。

人工二氧化碳合成淀粉技术的突破,对我国碳中和、粮食安全、太空探索等领域具有重要指导意义,但目前还停留在实验室研究阶段。二氧化碳被氢催化成甲醇所面临的成本以及搭积木产生的高能耗,高排放等问题还亟需解决。

虽然存在众多难点,但最重要是走出第一步。马延和团队六年磨一剑,为我国科技事业取得了历史性成就。老一代科学家心系祖国、艰苦奋斗、精诚报国的优秀品质,坚持国家利益和人民利益至上的情怀,着力攻克基础前沿难题和核心关键技术的行动,带给我们攻坚克难的无穷精神力量。

本文来源于亿欧,原创文章,作者:孙航|亿欧EqualOcean。
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