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                科學技術 讓二氧化碳變得更“可口”

                2021年9月,中國科學院天津工業生物技術研究所在國際學術期刊《科學》中發表二氧化碳到淀粉的從頭合成技術成果,在當時引起了不小的轟動,并被認為是影響世界的重大顛覆性技術。而這一評價也并非夸大其詞。

                淀粉是重要的工業原料,同時也是糧食的主要成分,對于人類的生存有非常重要的意義。而想要實現二氧化碳到淀粉的轉化,一般只能依賴玉米等農作物的光合作用,等糧食作物將二氧化碳轉化成淀粉后,再從中提取出淀粉。而這也就導致淀粉的獲取過程受到農作物的種植周期、種植面積以及氣候變化帶來的影響,一定程度上也無法應對糧食危機這類的特殊情況。但二氧化碳到淀粉的從頭合成技術的出現相當于從源頭解決了這個問題,并且也有利于二氧化碳的收集利用,從長遠來看,等于推進了糧食資源產業以及環保產業的發展。

                不過似乎合成淀粉只是個開始,就在今年的4月28日,《自然·催化》以封面文章的形式發表了一項新研究成果,這項成果同樣涉及二氧化碳的轉化,同樣是我國科研人員的成果——電子科技大學夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院于濤課題組與中國科學技術大學曾杰課題組共同實現二氧化碳到葡萄糖和油脂的人工合成。而就技術本身來說,它為突破人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術方向以及技術支持,并且有利于基于電力驅動的新型農業與生物制造業的發展。

                事實上,就這項技術本身來說,也具備了一定的趣味性。從二氧化碳到葡萄糖和油脂的過程就像在進行一個“成語接龍”的游戲,而這個銜接的關鍵其實在于微生物。

                二氧化碳并不能一步到位變成葡萄糖和油脂,而是需要先轉化為微生物的“食物”,在經過微生物催化,轉化為葡萄糖等其他生物物質,最后在通過純化處理,得到可供食用的葡萄糖和油脂,而其中的關鍵就在于如何將二氧化碳清潔、高效的轉化為微生物的“食物”。

                乙酸自然而然的成為了理想的選擇,一方面,乙酸本身就是優秀的合成碳源,并且也是食醋的主要成分,另一方面,先有技術中已經存在通過點解時間二氧化碳到乙酸轉化的方法。不過在實際過程中,這種方法被否定了,而是選擇了效率更高的二次轉化方法,先將二氧化碳轉化為一氧化碳,再通過晶界銅催化,將一氧化碳轉化為乙酸。而為了實現這一點,團隊還用到了固態電解質反應裝置這一較新的技術成果,來保證能夠高效地?獲得純乙酸水溶液(常規電催化裝置生產出的乙酸混合電解質鹽,無法用于生物發酵)。成功合成純乙酸后,后續的培養過程其實就有點像食物的發酵過程——喂飽微生物了。

                但這個過程也并沒有想象的那么簡單,為了避免釀酒酵母本身對于葡萄糖的代謝消耗,提高產量,相關團隊還敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關鍵酶元件,廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。這也就意味著原本已經復雜的轉化工作進一步涉及到了更多的技術。

                事實上,也正因為如此,這項技術目前的成果還只是停留在實驗室成果的階段,提高能量效率和產率、降低生產成本這些問題也切實影響著該技術后續的推進。但是相信這些只會是時間問題。此外,值得一提的是,理論上來說,這種通過微生物發酵來實現轉化的思路具備非常廣闊的發展前景,微生物的優點便是產物多樣性高,換言之,如果技術成熟,理論上更換發酵使用的微生物就可以在保持電催化設施不改變的情況下,合成許多無法通過人工生產或人工生產效率很低的化合物。

                關鍵詞: 二氧化碳 釀酒酵母 中國科學院

                來源:化工儀器網
                編輯:GY653

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