光伏造粮成现实!中科院首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成!

来源:第一财经发布时间:2021-09-30 08:50:55

设想一下,不需要种地,也不需要绿色植物,以太阳光、水和二氧化碳为原料,在工厂里就可以像植物一样源源不断生产出淀粉。是不是很神奇?而今,这看似遥不可及的一幕,在不久的将来,有望实现。近期,中科院天津工业生物技术研究所传来喜讯:经过6年技术攻关,科研团队在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳,合成淀粉,这一被国际学术界认为将是影响世界的重大颠覆性技术,究竟有何厉害之处?其突破,又有何科学意义和现实意义?记者就此采访了论文的作者及相关专家。

突破瓶颈

中国人偏重碳水饮食,清代美食家袁枚曾在《随园食单》中这样写道,“粥饭本也,余菜末也”,足见国人对碳水的宠爱。这里所说的碳水即碳水化合物,由碳、氢、氧组成,是人类生存必不可少的元素。而淀粉就是“粥饭”中最主要的碳水化合物,它是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,是养活全球人口最重要的食物原料,同时也是重要的工业原料。

多少年来,农作物通过光合作用,将水、二氧化碳等无机化合物合成可作为动物饲料和人类食物的糖类乃至淀粉等碳水化合物,是地球上最重要的生物化学反应过程。但这是效率最高的淀粉生产方式吗?答案是否定的。

根据论文通讯作者、天津工业生物所所长马延和提供的数据,在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉,涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,太阳能的利用效率不足2%。“植物经过亿万年进化,适应了自然环境,其固有属性制约了淀粉高效合成。”马延和称。

有没有一种办法能够摆脱植物来合成淀粉?自合成生物学诞生以来,人们就开始尝试人工构建非自然途径,实现二氧化碳到淀粉的转化,以突破植物媒介光合作用的瓶颈。但是,因为技术路线不清、瓶颈问题难测,这条科研之路存在很多不确定性。

马延和等人还是决定勇闯“无人区”。2015年起,天津工业生物所在中国科学院重点部署项目和天津市财政专项的支持下,立项开展二氧化碳合成淀粉的研究。

6年鏖战,研究团队终于如愿以偿。论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬兴奋地说:“我们拿合成淀粉与自然界中的淀粉比较,得到核磁结果是一模一样的,可以说,合成淀粉实际上与自然的淀粉是没有区别的。”

这意味着什么?数据显示,2019年,全世界有近7.5亿人面临重度粮食不安全,占世界总人口近十分之一。“即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料甚至饲料,也是对缓解农业压力的巨大贡献。”马延和表示。

技术路径

用二氧化碳人工合成淀粉,这项颠覆性技术是如何炼成的?马延和告诉记者,从能量角度看,光合作用的本质是将太阳光能转化为储藏在淀粉中的化学能。

可如何更高效地将光能转变为化学能?模拟和借鉴自然过程,构筑新的人工光合途径,科研人员想到了光能—电能—化学能的能量转变方式,首先通过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,该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。

甲醇储存了来自太阳能的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程。于是,科研人员又利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中设计出了一条仅包含10步主反应的甲醇到淀粉的人工路线ASAP。

为将设计蓝图变为现实,科研人员还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,最终优中选优,使用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,最终合成了直链和支链淀粉。

“这是实现人工光合作用合成淀粉的一种过程。”马延和说,从科学突破角度看,这一人工途径的淀粉合成,向设计自然、超越自然目标的实现迈进了一大步,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。

从技术创新角度看,通过发展高效的人工催化剂和生物酶,研究团队从6568个生化反应中设计形成固碳与人工合成淀粉新途径。按照20%的光电转化效率计算,这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统,理论能量转化效率可达7%,其淀粉合成速率比自然光合作用提高了3.5倍。

这意味着什么?蔡韬解释,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亩土地玉米种植的淀粉产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算),“这一成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗”。

应用前景

在江南大学原校长、中国工程院院士陈坚看来,食品生产大约占据全球40%的耕地,产生了25%的温室气体,作为最主要的粮食成分之一,淀粉的可持续供应是人类未来面临的重要挑战。这项研究成果将化学与生物的方法相结合,采用蛋白质工程和合成生物学等一系列新技术,从二氧化碳直接合成淀粉,完全颠覆了传统的淀粉生产方式。这项研究工作是典型的从“0到1”的原创性成果,不仅对未来的农业生产,特别是粮食生产具有革命性的影响,而且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。

马延和表示,如果未来该系统过程成本与农业种植相比具有经济可行性,并实际应用,将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平。

不过,他同时强调,目前该成果尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,且面临诸多挑战。

责任编辑:zhouzhenkun
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
为应对美国关税冲击,印度计划通过进出口银行提供信贷额度以推动光伏组件出口来源:商务部网站 发布时间:2026-10-14 14:58:42

为应对美国加征高额关税带来的出口冲击,印度政府拟通过其进出口银行向非洲和拉丁美洲国家提供贷款及信用额度,以促进本国光伏组件出口。此前,美国是印度太阳能组件的最大出口市场,但近期美方对印度产太阳能电池和组件征收高达126%的反补贴税与反倾销税,导致印方对美出口几近停滞。在此背景下,印度新能源与可再生能源部正推动出口市场多元化,重点开拓非洲、拉美等新兴市场,并借助政策性金融工具降低海外采购方的资金门槛,增强印度光伏产品的国际竞争力。该举措旨在缓解贸易壁垒带来的产业压力,维持国内光伏制造业的出口动能。

内蒙古包头市:1-9月光伏发电量42.41亿千瓦时 同比增长3.96%来源:包头市发展和改革委员会 发布时间:2026-10-14 09:20:04

本文为内蒙古包头市2026年1—9月电力运行情况专报。数据显示,全市全社会用电量累计772.2亿千瓦时,同比下降6.52%,其中工业用电占比达93.53%;第二产业中,晶硅产业用电大幅下降28.51%,而钢铁行业用电增长3.91%。发电方面,全市总装机容量达2421.51万千瓦,新能源装机占比54.33%,其中光伏装机392.1万千瓦;1—9月累计发电量600.32亿千瓦时,同比下降7.1%,但新能源发电量同比增长3.11%,其中光伏发电量42.41亿千瓦时,增长3.96%。储能方面,全市已并网储能装机258.3万千瓦,主要为电网侧独立储能。(199字)

河北省风电、光伏发电及独立储能项目共用工程建设及费用分摊指导意见发布来源:河北省发展和改革委员会 发布时间:2026-10-14 08:58:10

河北省发改委于2026年10月10日印发《风电、光伏发电及独立储能项目共用工程建设及费用分摊指导意见》,旨在规范新能源项目共用工程管理,保障公平、安全、高效并网。文件明确共用工程界定标准,要求在项目谋划阶段由省级电网企业协同核定接入条件,并以经济性最优原则确定共用范围;对存量工程,由省级电网核定富余容量,承建主体须按规则向符合条件的新项目开放接入,违诺者将被限制后续项目预留容量支持。新建项目承建主体须签署共享承诺书并备案,违约将取消资格。费用分摊坚持“谁受益、谁承担”,建设费用按交流侧装机容量比例分摊,运行费用按实际发电量比例分摊,新增项目引发的改扩建或陪停补偿等费用由其单独承担。意见还强化了能源主管部门统筹监管与电网企业公平开放责任。(199字)

光伏“小数点战争”:死磕0.1%的效率,却在后续环节轻易丢掉?来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-14 08:50:15

本文聚焦光伏行业当前陷入的“小数点战争”现象:在电池转换效率已逼近物理极限的背景下,企业竞相争夺0.1%的实验室效率提升,投入巨大却忽视其在真实电站环境中的实际转化率。文章指出,实验室高效率难以等同于全生命周期发电收益——设计缺陷、施工损伤、运维滞后、环境损耗等因素常导致远超0.1%的发电量损失。由此,行业亟需从单一“正面效率”评价转向系统性价值评估:涵盖可靠性、环境适应性、结构稳定性与长期衰减控制等维度。工信部新规及晶澳“结构效率”理念(如DeepBlue 5.0通过三分片、柔性互联等设计优化综合发电能力)正推动这一转型。核心结论是:效率应服务于度电成本降低与客户真实回报,而非参数内卷;光伏竞争正从实验室数字迈向系统级价值比拼。(199字)

天津市小时级绿色电力交易工作方案(试行)发布来源:天津市工业和信息化局 发布时间:2026-10-13 13:38:49

《天津市小时级绿色电力交易工作方案(试行)》于2026年9月发布,旨在响应国家电力市场改革部署,健全绿电交易机制,满足市场主体对绿色用能精细化、时段化的需求。方案明确小时级绿电交易以每小时为最小交易单位,实现环境价值按自然小时结算与溯源,适用于天津地区符合条件的风电、光伏企业与电力用户(含批发及零售用户)。交易按年度、月度、月内顺序开展,采用双边协商方式,实行电能量与环境价值分离结算;环境价值结算优先保障,并建立偏差补偿机制。方案自发布起施行,有效期至2027年12月31日。(199字)

广东韶关加快推进分布式光伏发电项目“四可”接入改造工作来源:广东省韶关市发展和改革局 发布时间:2026-10-13 09:58:57

韶关市发改委印发通知,全面推进分布式光伏发电项目“可观、可测、可调、可控”(简称“四可”)接入改造工作,落实国家《分布式光伏发电开发建设管理办法》(2025年7号文)要求。通知明确:新建项目自文件印发之日起须选用符合“四可”技术规范的设备,未达标者不予并网;存量项目分类分批改造——装机400千瓦及以上项目须于2026年12月15日前完成,400千瓦以下项目延至2027年12月15日前完成,自然人户用项目则按电网实际需求有序推进。通知还细化了投资界面划分,明确项目投资主体与电网企业在设备建设及运维中的责任,并对市、县发改部门及电网企业的统筹协调、台账管理、进度督导和日常巡检等职责作出具体部署。(199字)

光储融合:如何释放光伏发电潜力?来源:古瑞瓦特 发布时间:2026-10-13 09:48:41

工商业光伏常陷“装得满、发不满、用不好”困局。本文深度解析光储融合如何破解发电与用电错配、三相失衡、电网限发、出力波动四大痛点,揭示其通过削峰填谷、分相补偿、柔性并网、平滑波动四大核心能力,提升自发自用率、延长设备寿命、缩短投资回报周期,实现绿电价值最大化。

Waaree投产1.1GW逆变器产线,目标出口欧美市场来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-13 08:58:37

Waaree Energies旗下子公司Waaree Power在古吉拉特邦萨罗迪工厂投产一条1.1GW光伏逆变器新产线,使其年产能由3.05GW提升至4.15GW。该产线适配多种技术路线,是公司原定2027财年达4GW产能规划的重要进展。Waaree计划依托本土制造与零售网络,提供一站式光伏解决方案,并瞄准欧美出口市场。公司指出,印度地缘政治稳定性、自由市场合规性、能源安全需求及数据本地化政策(如限制向邻国传输数据)正推动本土制造业发展。其战略聚焦制造自主、数据安全与供应链独立,以减少对海外供应的依赖。此外,Waaree还通过新设子公司切入特种气体领域,服务半导体与光伏电池制造商。(199字)

光伏下半场,拼的不再是装机来源:特变电工新能源 发布时间:2026-10-12 06:13:50

光伏行业迎来“下半场”:从追求“更大装机”转向“可控能源”。特变电工新能源即将发布四大场景化解决方案——零碳园区、微电网、光储充、台区储,直击工商业、矿区、充电场站、乡村等核心痛点,以全栈能力重构光储价值。

1-8月美国进口光伏电池12.6GW,非洲产地崛起来源:光伏情报处 发布时间:2026-10-12 06:12:11

2026年1—8月,美国累计进口光伏电池片12.57GW,同比减少22%,反映进口需求明显收缩,主因包括贸易政策收紧、本土组件产能扩张及库存调整。进口量呈现先抑后扬再小幅回落的波动趋势:前4个月低位震荡,5—7月显著回升,8月环比回落但仍处高位。产地结构发生显著变化:传统东南亚供应(如印尼、泰国)大幅萎缩,非洲国家快速崛起,埃塞俄比亚(1368MW)、肯尼亚(1309MW)跻身前五进口来源国。同期,美国密集出台多项贸易限制措施,包括启动对埃塞俄比亚出口的规避调查、依据“232条款”对所有含多晶硅光伏产品加征15%关税,并对印度、印尼、老挝产电池片裁定高额反倾销与反补贴税。整体凸显美国光伏供应链加速向非洲等新兴地区转移及多元化布局态势。

向涛任甘肃电投能源董事长!来源:智汇光伏 发布时间:2026-10-12 05:56:03

甘肃电投能源发展股份有限公司于10月9日发布公告,原董事长卢继卿因工作调整辞去董事长、董事及战略与可持续发展委员会召集人职务,不再担任公司及控股子公司任何职务;经董事会审议通过,选举向涛为公司第九届董事会董事长,任期与本届董事会一致。向涛,1971年11月出生,中共党员,硕士学历,正高级工程师,现任甘肃省电力投资集团党委副书记、总经理、董事,以及甘肃电投能源党委书记、董事长。公司主营业务涵盖火电、水电、风电和光伏,截至2025年底电源结构多元;当前重点推进腾格里沙漠大基地(规划4GW风光项目,计划2026年6月投建)和庆阳绿电聚合项目(一期已并网,二期含750MW风电与250MW光伏,配套储能),加速新能源布局。