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近日在《科學(xué)》發(fā)表并引起廣泛關(guān)注的二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)，對(duì)于包括合成生物學(xué)在內(nèi)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一項(xiàng)突破性的成果，但該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于我國(guó)碳中和、糧食安全等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用意義，從全生命周期、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、以及技術(shù)路線等多角度來(lái)看，還有待推敲與考證。也不宜將這項(xiàng)工作解讀為靠“喝西北風(fēng)”就有望解決糧食安全問(wèn)題。 二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)是什么？ 二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)，既非“一步到位”，也非“大變活粉”，而是主要分為幾步： （1）需要從“西北風(fēng)”中捕集高純度二氧化碳（該工作中忽略了這個(gè)前提，假設(shè)高純度二氧化碳唾手可得）； 將高純度二氧化碳還原合成C1，而C1有多種可能的形式，本項(xiàng)工作中是將高純度二氧化碳和高純度氫氣通過(guò)高溫還原反應(yīng)制甲醇； 再由C1（本文中為甲醇）以“搭積木”的方式經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟，最終制成淀粉。 從技術(shù)角度來(lái)看，通過(guò)“搭積木”使甲醇經(jīng)過(guò)幾道工序制成淀粉的技術(shù)（3）確實(shí)在合成生物學(xué)方面具有一定原創(chuàng)性。類似的將小碳分子（如C1）逐級(jí)合成為氨基酸等大分子的工作，有關(guān)技術(shù)實(shí)際上已存在許久；合成淀粉的“搭積木”思路是有具有原創(chuàng)性的。 我本人非合成生物學(xué)的專家，下面重點(diǎn)從碳中和、全生命周期、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等角度發(fā)表我個(gè)人對(duì)于該項(xiàng)二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)的看法，那就是目前該項(xiàng)二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)所能帶來(lái)收益暫時(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能覆蓋其“三高”的缺點(diǎn)：高價(jià)格、高耗能、高排放。 高價(jià)格、高能耗、高排放的特點(diǎn) 二氧化碳從哪兒來(lái)？ 首先，（1）二氧化碳從哪里來(lái)？如果真的是從“西北風(fēng)”來(lái)，那么空氣捕集二氧化碳的成本目前還是比較高的。空氣中二氧化碳含量?jī)H為400ppm，需要提純2500倍才能獲取高純度二氧化碳，所帶來(lái)的能耗和成本都不可小覷。在冰島的Climateworks近期投產(chǎn)的項(xiàng)目，在廣泛利用了地?zé)豳Y源的情況下，空氣捕集每噸二氧化碳的綜合成本還是高達(dá)1000美元。我領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最近十年來(lái)一直在致力于用較低成本和較簡(jiǎn)單工藝路線的干濕轉(zhuǎn)換法從空氣中直接捕集二氧化碳，其獲取中低濃度二氧化碳的成本較低，但是獲取高濃度二氧化碳的成本也超過(guò)每噸1000人民幣。 空氣捕集二氧化碳的方式盡管價(jià)格偏高，但優(yōu)勢(shì)是高度分布式，無(wú)需建設(shè)管道運(yùn)輸二氧化碳，對(duì)于農(nóng)業(yè)是有益的。 假如二氧化碳是從一定濃度的集中排放源（如熱電廠的煙氣中）捕集的，那么捕集每噸二氧化碳的僅運(yùn)營(yíng)費(fèi)就在300元左右。建設(shè)一個(gè)從電廠年捕獲10萬(wàn)噸二氧化碳的設(shè)施，投資成本在一億元左右甚至更高；而要將捕獲的二氧化碳運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)，則可能面臨更高的超臨界二氧化碳管道運(yùn)輸系統(tǒng)投資和維護(hù)成本；管道運(yùn)輸成本也不低于每噸每百公里100元。 因此，無(wú)論高純度二氧化碳是從“西北風(fēng)”還是“煙氣”中來(lái)，都絕非唾手可得。 高純度二氧化碳加高純度氫氣制甲醇 其次，我們來(lái)看第（2）步，也就是高純度二氧化碳加高純度氫氣制甲醇，這個(gè)過(guò)程在化工界頗受爭(zhēng)議：無(wú)論是技術(shù)邏輯、技術(shù)路線、還是經(jīng)濟(jì)性，都爭(zhēng)論很大。 從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)，就算二氧化碳價(jià)格為300元每噸，而本項(xiàng)工作所使用的綠氫目前為1萬(wàn)元一噸，通過(guò)該流程制備的甲醇成本因此也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前市面上的甲醇價(jià)格，從經(jīng)濟(jì)性上不具有可持續(xù)性。而該技術(shù)路徑在國(guó)際國(guó)內(nèi)歷經(jīng)多年，遇到了包括催化劑穩(wěn)定性、對(duì)反應(yīng)物雜質(zhì)耐受度（要求二氧化碳和氫氣的純度非常高）、高能耗高排放等一系列問(wèn)題，技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路徑上也面臨多個(gè)重大挑戰(zhàn)尚未克服。 搭積木 從化學(xué)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，在所有碳分子里，二氧化碳是能量最低、也是結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的一個(gè)分子，將二氧化碳還原轉(zhuǎn)變成其他任何碳的化合物，都是需要花費(fèi)巨額能量的，而這個(gè)能量通常遠(yuǎn)高于從大的碳分子燃燒分解成為二氧化碳所釋放的能量。一般來(lái)說(shuō)，將二氧化碳還原為其他單碳分子，也就是C1（常見(jiàn)的為甲醇或一氧化碳），相對(duì)來(lái)說(shuō)路徑比較簡(jiǎn)單（盡管產(chǎn)業(yè)化放大還有很長(zhǎng)的路需要走），但是單單這一步已經(jīng)花費(fèi)了巨額能量。而再在C1基礎(chǔ)上進(jìn)一步將之還原為多碳分子鏈，每增加一個(gè)C在碳鏈上，都會(huì)需要消耗更多的能量用于合成。也就是本項(xiàng)工作的（3）“搭積木”，每搭一塊積木，都需要耗費(fèi)巨大的能量；如果考慮到目前的合成效率還不夠高，這個(gè)能耗會(huì)更大。  綜上所述，該項(xiàng)技術(shù)（1）（2）（3）步驟在目前階段，都是面臨高能耗、高排放、高成本的；而且其中大部分的缺點(diǎn)都是“原生”的、克服難度很大；從全生命周期的角度來(lái)看，其帶來(lái)的排放對(duì)碳中和的影響有可能是負(fù)面的。 再?gòu)奶贾泻图把h(huán)的角度來(lái)考慮，如果該路徑的最終產(chǎn)物是淀粉，那么淀粉如何循環(huán)呢？淀粉最終進(jìn)入生物體循環(huán)后，大部分還是以排泄的形式又回到大氣中去了，也就是很大一部分又變回了二氧化碳。因此，這個(gè)高能耗、高排放、高成本的過(guò)程對(duì)于碳中和的意義就比較尷尬了。 碳有兩個(gè)屬性：燃料和原料。工程解決方案一般致力于將二氧化碳以較為經(jīng)濟(jì)的方式捕集，再將其以較為有經(jīng)濟(jì)效益的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂匣蛟霞右岳谩Ｄ敲?，如果在第?）步就已經(jīng)獲得了甲醇（雖然其價(jià)格已經(jīng)比較高了），為什么不把甲醇作為燃料直接燃燒進(jìn)入碳循環(huán)呢？為什么要進(jìn)一步將甲醇“搭積木”制成更加沒(méi)有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的淀粉呢？ 如果是從糧食安全的角度出發(fā)，那么為什么不是利用好富碳農(nóng)業(yè)，直接從空氣中捕集低濃度二氧化碳，直接通過(guò)簡(jiǎn)單的光合作用來(lái)給增產(chǎn)增收呢？植物光合作用達(dá)到頂峰只需數(shù)千ppm濃度的二氧化碳，因此干濕法空氣直接捕集二氧化碳可以以極低的成本，分布式獲取植物所需的二氧化碳，供大棚農(nóng)業(yè)達(dá)到顯著的增產(chǎn)增收效果；這樣的路徑無(wú)需高額化工反應(yīng)設(shè)備投資，也無(wú)需高額能耗和排放，無(wú)論是全生命周期、經(jīng)濟(jì)性、循環(huán)性、技術(shù)可行性等角度，都要容易實(shí)現(xiàn)得多。  現(xiàn)目前階段需要進(jìn)一步考證 作為總結(jié)，條條大路通羅馬，但是不是每條路徑的代價(jià)是一樣的；二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)，在合成生物學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域固然具有革新意義。但其目前階段可能很難和碳中和或糧食安全產(chǎn)生直接效益關(guān)系；其過(guò)度高昂的成本、以及合成過(guò)程中造成的高耗能、高排放，大量有待挑戰(zhàn)的中間技術(shù)環(huán)節(jié)，從全生命周期角度、碳循環(huán)等角度來(lái)看，都需要進(jìn)一步推敲和考證其是否為一條較優(yōu)的碳中和的可落地路徑。 |
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