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如何看待中国科学家首次使用二氧化碳合成淀粉?这项技术将对世界产生什么影响?

译者
月儿
字号:  A-AA+ 2021-10-01 20:05:26
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如何看待中国科学家首次使用二氧化碳合成淀粉?这项技术将对世界产生什么影响?
 
本文译自Quora,原标题:How do you evaluate the first synthetic starch in China? What impact will this technology have on the world?


 
日前,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。该成果于北京时间9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》。
 
“这也意味着,我们所需要的淀粉,今后可以将二氧化碳作为原料,通过类似酿造啤酒的过程,在生产车间中制造出来。”天津工业生物所所长马延和说。
 
将二氧化碳还原生成甲醇,再转化为淀粉
 
淀粉是人类粮食的最主要成分,同时也是重要的工业原料。目前淀粉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。
 
长期以来,科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。
 
这次,天津工业生物所的科研人员就成功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。这条路线涉及11步核心生化反应,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。
 
从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为淀粉中储存的化学能。因此,将光能高效地转变为化学能并储存下来成为关键。
 
“我们想到了光能—电能—化学能的能量转变方式。”天津工业生物所副所长王钦宏说:“首先,光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气;然后,通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能。这个过程的能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率。”
 
自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。王钦宏说:“要想人工实现这个过程,关键是要制造出自然界中原本不存在的酶催化剂。”
 
科研人员挖掘和改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,最终优中选优,使用10个酶逐步将甲醇转化为淀粉。这种路径不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。
 
“也许在不久的将来,不需要种地,也能够满足我们对碳水化合物的需要。”王钦宏说。
 
 
 
01



Ali Sesa


无背景信息


图片来自BreakingLastNews.com
 
看法
 
根据Intrado Global Newswire(IGN)的预测,到2026年,全球淀粉市场预计将从2020年的1.196亿公吨增至1.603亿公吨。这种需求从何而来?
 
Ø 食品和饮料加工业——各种食品加工中使用的大多数类型的糖都来自淀粉,特别是作为糖替代品的甜味剂市场正在迅速增长。消费者对方便和健康食品的需求不断增长,这继续刺激着改性淀粉在食品行业的使用,它们也被用作食品添加剂。
 
Ø 非食品工业——工业产品中的淀粉基粘合剂,包括包装和越来越多地使用淀粉来合成的可生物降解的聚合物。淀粉被广泛用于制药、造纸、生物塑料、服装淀粉和其他领域。
 
 
实现了什么
 
《环球时报》2021年9月24日报道称,中国科学院(CAS)的研究是世界上首次实现用二氧化碳合成淀粉,这是在一个类似于酿造啤酒的过程中完成的。
 
《环球时报》还说,初步结果表明合成淀粉的效率是传统农业的8.5倍。然而,他们没有具体说明效率计算中包括的内容——例如时间、空间、能量等。然而,他们说,一个1立方米的生物反应器的产量相当于中国5亩地(0.33公顷)生产的玉米。他们表示,这项成果有可能为中国腾出90%的可耕地和淡水资源,它还意味着避免使用相关的杀虫剂、化肥和其他投入物和资源。
 
根据天津工业生物研究所的数据,目前市面上的淀粉主要由玉米和其他作物生产,理论能量转换效率仅为2%左右。相比之下,目前商用太阳能电池板的能量转换效率为15%至20%。此外,作物种植需要大量的时间,报告暗示他们可以减少生产周期,但是他们没有提供具体的数字。
 
如ruetir.com所报道,“生产的淀粉在分子结构上与来自植物的天然淀粉相同,因此可以安全食用”。然而,该研究仅“在实验室证明了这种生产的可能性,但由于目前价格昂贵,消费者暂时无法获得。”
 
在breakinglatest.news  9月21日的报道中,“这项研究设计并组装了一条在自然界并不存在的合成代谢路径,使其比自然生物过程更高效……为使用二氧化碳原料合成复杂分子开辟了一条新的技术路线。”——简言之,它不仅适用于淀粉,它还可能适用于每一种与二氧化碳进行光合作用的植物。
 
 
工业与走向市场
 
在ruetir的文章中:Wageningen大学的植物育种学教授Luisa Trindade(未参与此项研究)满怀热情,但表示对于合成食品:“有机食品和合成食品之间的未来关系取决于三个因素:生产所需的原材料、环境影响和生产成本。”
 
值得注意的是,肉类的细胞培养已经开始工业化生产。目前,商业销售和消费的人造肉类价格都很高,但这还处于行业的早期阶段,预计未来价格会大幅下降。这是一个强有力的迹象,表明合成淀粉会遵循类似发展的可能性很高。
 
 
一些普遍的好处
 
Ø 生物塑料和包装——Papaloapan大学的Aurelio Ramírez Hernández在《Research Gate》上发表了一篇题为“淀粉与合成物的化学改性”的研究论文,这篇论文是一个正在进行的研究的例子,旨在进一步推动工业化中正在发生的事情。在工业生产中,天然可持续的资源正被用来用于替代石化产品中的塑料,这些替代品也是可生物降解的。因此,我们谈论的是可持续的、对环境危害较小的塑料和包装的替代品。
 
Ø 减少对石化产品的依赖。这与前面的观点有关,因为它意味着更好的安全性和独立性,不受石油生产及其相关问题的影响。石油在政治和安全方面是一个巨大的关键因素,你需要的石油越少,你的境况就越好,对整个世界也是如此。然而,对于石油生产国来说,石油是其经济的重要组成部分,这对它们来说可能不是什么好消息,除非它们的已探明石油储量预计很快就会耗尽。
 
Ø 碳中和,土地和环境-更高的效率和更少的资源投入减少了碳足迹,同时可以释放大量的土地用于其他用途,并减轻对自然环境的负担。随着对二氧化碳需求的不断增长,探索更多工业生产二氧化碳的方法将具有更大的价值和动力——许多公司正在开发直接从空气中捕获二氧化碳的方法。然而,究竟哪种直接捕获技术是可行的,何时可行还不得而知,但它至少会与合成淀粉平行发展。
 
Ø 粮食安全——越来越多的人需要更快、更可靠和更大数量的粮食生产。
 
Ø 能量存储-现在存在一个问题,即电池/储能技术非常有限,每当在任何时刻产生的能量超过消耗时,能量都可能以某种方式被浪费掉。淀粉和类似的植物产品可以代表一种储存多余能量的方法,以应对高度多变的能源需求。然而,合成淀粉不一定是最好的选择,但它肯定是整体情况的一部分。
 
Ø 范围的扩大——它不仅仅涉及淀粉,还可以用于合成其他利用光合作用和二氧化碳的物质。淀粉的所有好处可能也适用于其他类似的产品。
 
Ø 1更大的拼图-人类有大量的追求。太空探索、灾难应对、应对病毒/细菌/害虫的威胁等,清单很长。在安全、可靠的小型环境中合成关键原材料的能力有助于促进广泛的追求。
 
Ø 补充——目前有多种技术正在无数领域取得进展,谁知道会出现什么新的可能性。
 
Ø 运输-运输是世界供应链的一个重要组成部分。拥有在任何地方合成淀粉的能力意味着生产将更接近市场,甚至正好就在市场上,这可以减少碳排放、基础设施和其他资源负担。更接近市场的内在特性也意味着对需求的更快响应。
 
 
相关发展展示推向市场的实用性
 
关于人造肉类的新闻


 
相关发展-二氧化碳直接捕获
 
Youtube-Direct Carbon Ltd-是否可行还有待观察,但这仅仅是为了展示直接二氧化碳捕获领域的一些发展。2 分 42 秒。


Youtube——Hot Mess——提供了更广泛的可能性。6分16秒。


YouTube -肯塔基大学-这里使用的是藻类,这种方法很有前途,因为它几乎可以被任何人在任何地方应用。甚至可以使用相对较小的空间,例如城市中的屋顶。第1部分-5分21秒和第2部分-5分20秒。



然而,以上的4个视频都只是为了对发展的潜力和例子给出一个总体看法,可行的工业级执行仍有待观察。
 
相关开发-小型模块化反应堆(SMR)
 
核能不是市场上唯一的游戏,但小型模块化反应堆的发展有着巨大的潜力和影响,因此我想把它作为一个相关的发展提出来。


一些外部链接和参考



 
 
02



Georg Feneberg


Author/Inventor/Economist,Lives in Spacetime2005–present
作者/发明家/经济学家,2005年至今生活在Spacetime
 
这在我看来非常令人印象深刻,它可以解决许多粮食短缺的问题,特别是考虑到目前的表层土壤问题(top-soil problems)。这将有助于降低二氧化碳水平,减少对杀虫剂和化肥的需求。这对人类来说是一个巨大的突破,这个技术相当惊人。我认为唯一存在的问题是人体对人造淀粉的接受情况如何。这可能不是问题,但我会测试一下。中国正在用科技做着惊人的事情,我喜欢他们在实施可持续发展方面的客观态度。


Buerni Loo 

淀粉就是淀粉,消化没有问题。
 
淀粉的唯一问题是你不能仅靠吃淀粉生存,但这可以通过调整饮食来解决。
 
这项技术唯一的问题是成本效益,我认为它目前还不足以取代天然淀粉,所以可能需要很长时间等待。


 
 
03



Wayne Henderson


无背景信息
 
它在很长一段时间内不会产生任何影响。
 
我记得我父亲在上世纪60年代和我谈过核聚变,它是否能够实现商业化?我现在仍然认为它会,如果能够成功,这将是一件大事。要在任何实际层面上实现这一目标,目前还存在着巨大的障碍。但目前的进展证明这是可以做到的(我认为没有人怀疑这一点),这当然是重要的一步,但还有很多工作要做。
 
新闻报道似乎忽视了一个事实,即它仍然是一个能量驱动的过程,就像光合作用一样。该项目的成功是否取决于通过核聚变获得的廉价的能源?新闻报道所引用的能源效率数字目前是理论上的——我们还远远没有接近这个数字。如果在火星上有大量的天然干冰,并且你手头就有一个核反应堆,那么这个过程可能会有用。但在地球上,可能还没有那么大的用处。
 
媒体似乎也忽视了人类并非仅仅依靠淀粉或碳生活的事实,我们的食物供应没有受到碳的限制,而是受到氮的限制。目前地球上的大多数人口能够存在仅仅是因为一位德国化学家发现了一种固定氮的方法,从而使肥料的生产得以实现。我们体内的大部分氮都来自于这种氮,而在自然界,碳的储量是很丰富的。
 
别误会我的意思:这是一项令人印象深刻的工作,很难想象投入其中的时间和精力。


 



END





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关键字:人工合成淀粉,合成淀粉 专题:科技责任编辑:管理员
来源:https://www.quora.com/How-do-you-evaluate-the-first-synthetic-starch-in-China-What-impact-will-this-technology-have-on-the-world

文章评论

表情

  • 木芽仔

    鲍威尔的一管物质,向伊拉克发动了灭国战争;
    中国科学家的一管物质,让人类文明向前迈出了一大步。

    2021-10-04 09:29:43 回复

  • 小六子

    发生核大战,地球进入核冬天,就有用了

    2021-10-03 16:38:40 回复

  • 拙正的妄想

    人类进入太空时代的前置技术之一,和大航海时代需要中国发明的指南针一样,这一次要保护好不能让强盗们偷窃

    2021-10-02 14:40:40 回复

  • onlookor

    影响深远

    2021-10-02 08:29:05 回复

  • 钱主

    目前观看这项转化工作的成本远高于种植,可见这项突破,更多的可能,是会用在太空探索上,比如开发火星。如果换个角度看待这件事,似乎再一次证明的“道德经”道生一,一生二,二生三的道生理论,万物都是可以相互转化的。

    2021-10-02 05:46:47 回复

  • 神绮酱

    第一,新闻说用的是光伏发电,晒太阳制造淀粉。
    第二,将二氧化碳还原为甲醇,将甲醇变成淀粉使用的都是酶催化剂。。注意是催化剂,这意味着酶的损耗会大大降低。这样一来,该技术的可行性提高了太多。
    恶心的西方人,如此夸张的成果居然就这么点报道。

    2021-10-02 01:58:34 回复

  • 白鹿原

    这是一个从0到1的突破,诺奖级。主要看后续产业的发展,如果在产业方面发展得不错,诺奖跑不了。

    但也不一定,蛋白质的人工合成(胰岛素)也是中国人第一次实现的,但后来产业没发展起来,走了微生物培育的路子。而人工合成化肥是德国人研究出来的,很快就实现产业突破了,养活了地球上大部分人口。

    主要看后续的产业发展,如果真能实现廉价规模化的发展,那这个成果怎么夸都不为过。

    2021-10-01 23:30:01 回复

  • 王老六

    这要是能实现工业化生产,其功绩堪比袁隆平了吧?甚至更大。比如,要大量移民月球,以前完全靠地球补给,将来可能就需要发射一个工厂过去,就能解决大量人口长时间驻留问题。

    2021-10-01 22:54:24 回复

  • xdr311

    原子弹最大的秘密就是它证明可以被制造出来,二氧化碳合成淀粉一样,发现了原理,接下来解决过程中难题并实用化就只是时间问题

    2021-10-01 22:33:56 回复

共 9 条评论,查看全部
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