中科院天津工生所马延和：二氧化碳人工合成淀粉吨级中试装置建成
“二氧化碳人工合成淀粉”的科研成果此前备受关注，在5月27日举行的中关村论坛第二届碳达峰碳中和科技论坛上，中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和表示，目前科研团队建立了二氧化碳人工合成淀粉吨级中试装置，正在进行测试，“二氧化碳人工合成淀粉”在理论、技术和工程上同步推进。
中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和在中关村论坛第二届碳达峰碳中和科技论坛上发表主旨演讲。主办方供图
各国对二氧化碳生物转化利用高度关注
二氧化碳排放与气候变化已经成为全球关注的问题。当下，工业化进程使自然界碳循环系统平衡被打破，森林、海洋、湿地等二氧化碳“调节器”无法完全回收化石资源向大气中排放的二氧化碳。
“在‘双碳’目标下，如果我们能把二氧化碳作为工业原料用起来，将为经济绿色可持续发展提供战略支撑。”马延和说，二氧化碳转化利用途径包括物理封存、化学转化和生物转化。其中化学转化目前每年可转化5亿吨二氧化碳，潜力很大。而在生物转化方面，经过亿万年的自然进化，地球上自养生物等形成了自然精巧的二氧化碳固定和转化利用系统，每年可将超过1000亿吨碳素转化为各种有机物。
不过，二氧化碳自然生物转化利用存在效率低、速度慢的问题，难以达到工业应用水平。与光伏和乙醇发酵工业相比，二氧化碳生物转化的能量效率相差10倍以上，固碳速度相差百倍以上，难以支撑二氧化碳的工业原料化利用。
他表示，随着生物技术的发展，学习自然、改造自然，设计人工生物固碳和物质合成途径，突破生物体自然局限，获得高效能量利用、高效物质合成的能力非常重要。“我们可以通过生物技术来拓展自然生物的能力边界。”据他介绍，国外专家也认为，利用工业生物技术转化二氧化碳生产复杂化学品、材料、燃料、医药、食品，建立以二氧化碳为原料的工业生物制造新范式，具有巨大潜力。
各国对二氧化碳生物转化高度关注，特别是欧美国家都针对利用生物技术固定二氧化碳或将二氧化碳作为工业原料制定了各自的规划和路线图。他举例说，在工业生物转化路线方面，更多能量形式被利用，更多的固碳途径被拓展，二氧化碳可以直接被工业生物体转化，也可以先利用化学技术转化成一氧化碳、甲醇、乙酸等，再以此为原料培养生物，合成糖、乙醇等多碳化合物。包括最近科研人员用二氧化碳人工合成氨基酸在内，二氧化碳到有机物分子的生物合成取得了一系列进展。
二氧化碳人工合成淀粉正解决经济可行性问题
2021年9月，中科院发布重磅科研成果——天津工业生物技术研究所联合大连化物所，通过合成生物学手段，首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。
马延和介绍了这一科研过程。他说，农作物通过光合作用，将太阳光能、二氧化碳和水转化为淀粉。不依赖植物的光合作用合成淀粉，是科学家多年来的一个梦想。“太阳能传递到淀粉的本质是碳还原并逐步从简单分子聚合到复杂分子的生化过程。科研人员根据合成生物学理念，自下而上设计了淀粉合成生化途径。”
首先从海量的生物化学反应数据中设计出了二氧化碳到淀粉的虚拟途径，然后挖掘与改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，最终筛选了10个酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮，进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖，最后转化为淀粉。这个路径仅涉及11步生化反应，淀粉的生产效率由此超过了玉米光合作用的效率。
他说，这项研究为利用二氧化碳工业合成淀粉开拓了新途径，发布后得到高度关注。“大家给予了高度评价，但目前这只是一条理论途径，离实用性还差得远，主要是过程成本高。我们现在的主要任务就是要解决这条途径的经济可行性问题。”
据悉，最初实验室里合成出来的淀粉只有1克左右。最近，二氧化碳合成淀粉在技术上有了进一步的完善。同时，中科院天津工业生物技术研究所建立了二氧化碳人工合成淀粉吨级中试装置，目前正在进行测试，在理论、技术和工程上同步推进。
马延和说，将二氧化碳作为工业原料，实现农业产品、石化产品的生物合成有广阔前景。去年，美国科学家分析认为，二氧化碳人工合成碳水化合物是解决温室气体排放和粮食安全“一石二鸟”的重大战略，呼吁全球多学科科学家协作，加快推进实现10亿吨/年规模的商业可行性。一旦实现，和农业种植相比，土地节约将高于500倍，用水将节约1300-1600倍。
他说，农业工业化是范式变革的机遇。“随着绿色能源的发展，一个可以改变农业、工业格局的战略机会窗口已经开启”。
据悉，中关村论坛第二届碳达峰碳中和科技论坛由中国科学院和科学技术部共同主办，论坛邀请了徐南平、詹文龙、聂祚仁、欧阳明高、吴骊珠、卫昶、丁玉龙、陈忠伟、Clara Camarasa、冯威、马延和、朱庆山等12位国内外双碳领域院士专家，围绕“能源关键科技发展创新”开展深入交流，从能源发展战略、先进核能、新型电力系统、可再生能源与储能等领域方向探索能源革命与产业绿色转型升级的技术路径。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 吴兴发