Re: [問卦] 中國開發出二氧化碳合成澱粉了?

※ 引述《koei5566 (光榮56)》之銘言：
: 論文連結 Science:DOI：10.1126/science.abh4049
: 針對植物只能利用空氣中低濃度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太陽能（10 w/m2）、: 生長周期長（3-4個月）、天然澱粉合成途徑長（大約60個步驟）、催化效率低（需要關: 鍵酶RuBisco）等關鍵問題，科研人員耦合化學催化與生物催化技術，充分發揮化學催化: 速度快與生物催化可合成覆雜化合物的優勢，從頭設計和構建了從二氧化碳到澱粉合成只: 有11步反應的人工途徑(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在實驗室中首次: 實現了從二氧化碳到澱粉的全合成。

理論上所有你想得到的有機化合物都可以被全合成，不過一個很大的困難是步驟。
假設每步驟產率90%(這已經很高了)，10步驟的話最後就只有35%。更不用說有些要60步的。

: 受天然光合作用的啟發，科研人員在太陽能分解水制綠氫的技術上，進一步開發了高效的: 化學催化劑，把二氧化碳還原成甲醇等更容易溶於水的一碳化合物（也就是C1），完成了: 光能——電能——化學能的轉化，該過程的能量轉化效率超過10%，遠超光合作用的能量
: 利用效率（2%），也為後續進一步採用生物催化合成澱粉奠定了理論基礎。

這篇他們用ZnO-ZrO2催化劑去做第一步的CO2還原，至於引用的文獻則是指出反應條件是攝氏320度、5百萬帕(約50大氣壓)，有10%產率和90%選擇性(其實也很好了)
至於電力水分解的部分已經有開始進入商用，像TSMC就有投資用水分解製造純氫氣。

: 科研人員在解決了熱力學不匹配、動力學陷阱等問題後，對各模塊進行不斷地測試、組裝: 與調整，最終成功創建了1.0版途徑，實現了人工澱粉的實驗室合成，該途徑包含了來自: 動物、植物、微生物等31不同物種的62個生物酶催化劑。在此基礎上，科研人員採用蛋白: 質工程改造手段，對1.0版途徑中的三個關鍵限速步驟進行了改造，解決了途徑中的限速: 酶活性低、輔因子抑制、ATP競爭等難題，得到2.0版途徑。在2.0版途徑中，生物酶催化: 劑的用量減少了近一倍，澱粉的產率提高了13倍。進一步地，與二氧化碳通過化學法還原: 生成甲醇的反應偶聯，構建出包括一個化學反應單元和一個多酶反應單元的3.0版本，通: 過反應時空分離優化，解決了途徑中的底物競爭、產物抑制、中間產物毒性等問題，建立: 了生化級聯反應系統，澱粉的產率又提高了10倍，並可實現直鏈澱粉與支鏈澱粉的可控合: 成。可以說，該人工系統將植物澱粉合成的羧化-還原-重排-聚合以及需要組織細胞間轉: 運的覆雜過程簡化為還原-轉化-聚合反應過程，目前，根據數據推算，使用人工合成方法: ，從太陽能到澱粉的能量效率是玉米的3.5倍，澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍: 。

我覺得拿化學系統跟生物系統相比真的還蠻慘的，這也代表著這個反應究竟有多難，想要從化學實驗室走到工業規模絕對不是一條簡單的路。首先生物細胞第一個挑戰就是溫度和化學濃度等等諸多「推進反應的動力」本身就很有限，而且細胞也不是只做一個反應，弄的不好副反應會一堆，細胞會掛掉。尤其是合成澱粉就是一個吸能反應，在不能高溫高壓下生物能夠做到這點就是透過各種酵素「繞圈子地爬山」，所以能量效率低、速率慢這也很正常。

: 按照目前的技術參數推算，在能量供給充足的條件下，立方米大小的生物反應器年產澱: 粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉年平均產量，這一成果使澱粉生產的傳統農業種植模: 式向工業車間生產模式轉變成為可能。工業車間制造澱粉一旦成功，與農業種植相比，將: 有機會節省超過90%的土地和淡水資源，而且可以消除化肥和農藥對環境的負面影響，這: 對提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展具有十分重大的意義。

工業合成澱粉總有一天一定能做到。畢竟現在你每天吃的綜合維他命就有一堆都是合成來的。不過，從實驗室走向工業化，這個反應流程必然還需要大幅調整，現在都還只是毫克等級的合成，而工業澱粉的需求是用噸為單位。究竟ZnO-ZrO2催化劑能否以公斤為單位成批製造？成本和耐久度如何？後面的生物酵素同樣是否能大量生產？並且，在規模放大時許多的環境參數調整也會隨之困難，或許即使成功放大反應規模，最後效率也會降到不合經濟成本。
總之，這個東西還需要再多做一些經濟評估，我想或許速率大概還得再提升數倍、能夠放大規模才有機會。不過這是一個好的例子，告訴大家CO2還原其實是很有未來的。現在雖然已經有碳捕捉的商用，不過之前冰島那個似乎只是把CO2打進地底封存，說到底還是沒能將CO2消滅。透過CO2→C1產品的轉化，這可以取代石油成為未來有機原料的一個很大供應來源。

: 論文都上Science了 這些說法應該不會是唬爛的
: 有沒有化工高手出來說明一下
: 感覺這影響非常巨大

新聞有些東西是唬爛的，他們會講的誇大。特別是化學研究本來就有很多衝擊性很高的成果，只是很多都沒有工業價值......因為就是不合成本。

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妳和十六歲的自己已經再也無法交流，不再說著同樣的語言，也或許不再是同個人也說不定。
因為，妳又多積累了十三年的歷史，今年妳就要滿三十歲，成為這樣的狀態。
沒有誰是不會變化的。在時間的桎梏中，沒有誰能獲得自由。

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