2022年人工合成淀粉行业研究报告.docx

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1、2022年人工合成淀粉行业研究报告一、二氧化碳和氢出发合成淀粉，我国研究者取得全球突破性进展我国天津工业生物技术研究所、大连化学物理研究所等研究机构的研究者TaoCai.YanheMa等人及研究团队实现了以二氧化碳、氢气为原料，最终到淀粉的人工合成。这是全球视野内，合成生物学的颠覆性进展。有关研究论文Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide2021年9月24日发表在国际顶级期刊Science上。合成生物学的重要意义无需赘述。即使只是淀粉的高效人工合成，也可以节约土地、水源、农药、化肥，甚至为未来的星际探索提供碳基能量。所以,

2、关键是如何设计反应，逐个突破长生长周期（3-4个月）、长合成途径（约60个步骤，涉及峻化、还原、重排、聚合、组织细胞间转运等多个步骤）、低能量利用效率（从太阳光能到淀粉化学能理论能量转化效率2%）等痛点。研究者根据天然淀粉合成途径中的产物与酶的关系，将整条反应途径拆分为四个模块：C1（从无机物到1个碳的有机物，及1个碳的有机物内部的转化），C3（从1个碳的有机物到3个碳的有机物，及3个碳的有机物内部的转化），C6（从3个碳的有机物到6个碳的有机物，及6个碳有机物内部的转化），以及Cn（聚合为多个碳的淀粉成品）。其中无机物-有机物的转化更适合以化学反应形式完成，其他反应不同程度设计、运用酶，对多

3、个生化反应进行细致比对遴选加以完成。研究过程中，科研人员不断调整、改造ASAP1.0中的关键限速步骤对应的实际问题，如限速酶活性、辅因子、ATP竞争、底物竞争，中间产物毒性等,逐步减少生物酶用量（研究标题Cell-free,不通过细胞，但是酶是可以使用的），提高淀粉产率,并一定程度上可以调控淀粉的微观结构（直链、支链）。最终，研究者通过11步（C1环节2步获得甲醇和甲醛作为有机反应物，C2环节3步，C3环节3步，C4环节3步）即成功合成了淀粉。其ASAP方法从太阳光能到淀粉化学能的能量利用效率约7%,远远超过自然界的2%；淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍；如果以反应器产量计算，1立方米

4、反应器的淀粉产量约相当于5亩玉米地的淀粉产量。研究者也认为，就经济性而言，二氧化碳到淀粉合成的光电转化效率再提升数倍，该研究才可以在经济性上和农业种植途径获取淀粉相竞争。所以我们中性预期，该研究工作距离取代出产淀粉的农作物种植尚需较长时间。如果我们换个角度，人工合成淀粉和农业种植作物取得淀粉，二者都是固碳过程；后续淀粉食用并氧化分解，又都是排碳过程，二者主干的净碳排放都是零。但是，人工合成淀粉反应中的首步化学法自二氧化碳、氢气制合成甲醇，是固碳过程,和煤制甲醇在碳排放方面有根本区别。换言之，该研究工作可能为能源转化与用能角度的净零排放贡献力量，而复杂度比合成淀粉更低，时间节奏也可能更快。二、前

5、驱反应制甲醇，相对温和的反应条件和高能量利用效率人工合成淀粉的第一步反应是氢-二氧化碳合成甲醇。考虑到零排放氢的来源（工业副产氢/可再生能源电力电解水），只要甲醇合成具备综合竞争力，该研究结果就可以提供“电致燃料”的有效技术路径（单纯的化学反应，不需要后续一系列酶催化调整增长碳链的生化反应），并助力能源革命进程。研究者归纳，其甲醇合成方法为氧化锌-二氧化错催化条件下，较高温度、压力条件下的气相反应。氧化锌-二氧化错催化剂的合成条件为：充分搅拌溶解水合硝酸铅、水合硝酸锌；控制70度反应温度，在强力搅拌的条件下逐步加入碳酸铁，进行沉淀反应；获取催化剂前驱体后，对其洗净、烘干并煨烧并分散于石英砂中，

6、并以1个大气压的氢气或氮气进行预处理，即得到最终催化剂。甲醇催化合成的反应条件为：气体反应物共50个大气压，氢气-二氧化碳-氯气占比为72：24：4；反应温度315-320度；生成物保持150度，进行后续检测。从催化剂和反应条件来看，该甲醇合成反应的催化剂所用元素并不昂贵，催化剂合成方法也比较简单（类似锂电三元前驱体和正极的共沉淀-煨烧过程）；甲醇合成条件也比较温和，300多摄氏度的热源获取手段多样，氢气压力适宜（5MPa总压，和运氢的长管拖车20MPa相比低非常多）。如果后续规模化可验证其反应速度快、产率高、催化剂活性保持时间长，则该方法的竞争力显而易见。研究者进一步估算了二氧化碳和氢出发制

7、甲醇的能量利用效率。其基本假设如下：首先，光伏发电，效率假设为20%o其次，以质子交换膜电堆电解水制氢，效率假设为85%O再次，计算氢气的生成自由能和甲醇的生成自由能，分别为285.8kJ/mol和726.lkJ/molo再次，根据甲醇合成的主反应，计算理论能量利用效率，结果为85%O最后，考虑高温能耗、压缩反应气体能耗等，研究者认为甲醇合成反应的实际能量利用效率为68%O研究者据此估算从太阳光出发甲醇合成的能量效率：20%*85%*68%=11.56%,约1/9的光能转化为便于长期存储的甲醇中的化学能。对此估计，我们进行小幅修正：光伏发电效率不变；电解水考虑成本更低、规模化门槛更低的碱性电解

8、水（也需要较高水温，电耗也稍高）；催化剂的合成小幅耗能。综合考虑上述情况，20%*80%*65%=10.4%,还有约1/10的光能转化为便于存储的甲醇中的化学能。除此之外，根据能量来源的不同，其实际利用的效率也会有区别：假定能量来源为水电、风电等一次电力，以该一次电力电解水制氢再制甲醇，实际能量利用效率为80%*65%=52%,亦即约一半的电能转化为便于存储的甲醇中的化学能。假定能量来源为工业副产氢，则从氢到甲醇的实际能量利用效率为65%O后续的甲醇应用，假定甲醇完全燃烧，则排放就是其中碳元素对应的二氧化碳本身，亦即电致燃料甲醇属于“净零”甲醇。可见，作为研究工作的起始部分的成果，从氢气、二氧

9、化碳出发已经有可能以较高的效率、较低的成本获取“净零”甲醇。而在能源革命的大潮中，“净零”甲醇有占据重要地位的潜力。三、“净零”甲醇，能源革命如虎添翼1、能源革命，人类命运共同体”最佳诠释巴黎协定是2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过、2016年4月22日在纽约签署的气候变化协定，该协定为2020年后全球应对气候变化行动作出安排。巴黎协定长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。虽然仍然存在一定争议，但是努力控制碳排放、尽力限制全球气温上升幅度，对全人类而言是利大于弊的选择。首先，剧烈的气温升高将给人类文明以重创。约

10、12万年前温暖的伊米亚间冰期，海平面比当前高6-9米，当时仅有部分极地冰盖融化，即可造成淹没全球关键城市（如上海海拔4.5米）的严重后果。倘若极地冰盖完全融化，大量陆地面积将不复存在，考虑到沿岸重点城市的核心地位，全球主要经济体都近乎面临致命打击。其次，一定程度的气温升高即可破坏碳循环的长期平衡（以人类文明史为时间长度），并引发气温进一步升高的“自加速”过程。其主要原因包括冻融湖、冻土带和深海的重要温室气体甲烷释放、海水温度升高造成的温室气体二氧化碳溶解度下降等。第三，人类活动和一定程度的气温升高、温室气体排放强关联。一方面，从约10000年的时间尺度来看，工业化之前地球气温变化速率相当平缓，

11、而工业化之后气温出现了显著上升；从更长的约80万年的时间尺度来看，除工业化之后的短暂时间（甚至是20世纪之后的短暂时间）以外，地球气温都是在一个较稳定的范围内波动的。全球甲烷浓度变化801E领抽ocs!ec2c1 li 1 1壬ogQq杜1CO1tI0LIUflfiI3CC14ODt5CC17g幅加1X0HEU2忙。另一方面，从100年左右的近世时间尺度来看,太阳辐射变化不大，但是太阳辐射和地球气温变化出现了明显的背离，温度变化曲线显著“跑赢”了太阳辐射变化曲线。这种背离是客观存在的，而高速的气温升高的最佳解释方式仍然是人类活动。此外，气候变化、海洋酸化等还可能引发大范围物种灭绝。最后，即使上

12、述所有论述都基于“可能性”，全球变暖对人类社会的负面影响本身也值得全人类,以某种形式对其加以应对。较长时间尺度内的全球气温变化100008000600040002000084 0 4 8 2o o-O-O-1o66L96o- -6。) A-BEOU4 OJmB-QdEoJLB总之，碳排放引发气候变化、威胁人类文明的概率不低、赔率很高。努力遏制这一势头事实上理性、务实。世界资源研究所统计了2030年以前达峰的国家和地区（中蓝1990年前；浅红1990-2000年；浅蓝2000-2010年；深红2010-2020年；深蓝2020-2030年；中红2030年以后）：从碳达峰到碳中和体现了“共同但有区

13、别”的减排责任，体现了我国的大国担当。为了达成此目标，我国的一次能源结构也将经历显著变化：可再生能源必须取代化石能源，成为一次能源的主要组成部分。清华大学气候变化与可持续发展研究所、落基山研究所等2020年发布的最新研究有类似的结论（但是本世纪中叶净零预设条件、能源消费总量等方面二者有一定分歧。考虑到有关研究的前瞻程度，分歧是可以理解的）。世纪中叶二氧化碳净零时中国一次能源消费构成20042010201520202025203020352040204520S0煤发石油天然气，擎化石2、“净零”甲醇+插混构型：辅助乘用车“脱碳”的曙光新能源汽车是能源革命的排头兵之一。当前条件下，不同的新能源汽车

14、技术都具备节能减排的能力。但是对新能源汽车来说，“从油井到油箱”和“从油箱到车轮”两个环节仍然不同程度存在排放。前者原因是统计意义上电、氢等二次能源的生产过程和部分一次能源的生产过程产生排放；后者主因是汽油燃烧产生排放。不同类型乘用车的全生命周期排放/Effectoflargerbattery(+200km) Tank-to-wheelfuelcycle Welkto-tankfudcycle Vehiclecyde-batteries(200km) Vehiclecyde-assembly,disposalandrecycling Vehiclecyde-componentsandfluids在一次能源电力清洁比例持续大幅提升的背景下，纯电动、氢燃料电池车型具备了用能环节净零排放的潜力，其中能效更高、基础设施建设相对更完善、成本降低更明显、产业链配套更完备的纯电动车型总体上迎来了爆发的市场需求。从2016年到2018年，我国新能源汽车市场规模急速扩大，年产销量超过120万辆。经历了2019年下半年、2020年开局疫情的不利局面后，新能源汽车产业继续迎来高增长局面,月度销量屡创新高，2021年销量规模超过300万辆是大概率事件；全年市场份额有望冲击15%,部分月份销量规模有望突破20%。欧洲多国的新能源汽车市场同样处在爆发进程美国则详尽地评估了其新能源汽车产业链竞争