Neuer Durchbruch in der Technologie der künstlichen Stärkesynthese mit Kohlendioxid. Ist es noch lange nicht so weit, dass „Nordwestwind trinken“ zur Mode wird?

Kürzlich haben chinesische Wissenschaftler Durchbrüche in der Technologie der künstlichen Stärkesynthese unter Verwendung von Kohlendioxid erzielt. Dies ist ein weiterer bedeutender und bahnbrechender Durchbruch chinesischer Wissenschaftler auf dem Gebiet der künstlichen Stärkesynthese, nachdem meinem Land in den 1960er Jahren die weltweit erste künstliche Synthese von kristallinem Rinderinsulin gelungen war. Es ist das erste Mal weltweit, dass die Neusynthese von Stärke aus Kohlendioxid in einem Labor gelingt.

Dies ist der zweite bahnbrechende Durchbruch auf dem wissenschaftlichen Gebiet meines Landes. Was synthetisiert wird, ist eine komplexe organische Substanz wie Stärke, die auch der Hauptbestandteil unserer Nahrung ist!

Dies ist wirklich eine bahnbrechende Technologie. „Den Nordwestwind trinken“ könnte zur Mode werden (haha)! Heute möchte ich Ihnen diesen großen technologischen Durchbruch vorstellen~

01. Merkmale dieser Synthese

————————

Der Titel dieser Arbeit lautet „Zellfreie chemoenzymatische Stärkesynthese aus Kohlendioxid“.

Wie aus dem Titel hervorgeht, besteht das größte Merkmal dieser Synthese darin, dass sie keine Zellen verwendet (zellfrei). Denn in der Natur können Zellen Stärke aus Kohlendioxid synthetisieren. Ich glaube, Sie müssen wissen, dass dies die berühmte Photosynthese ist.

Das Problem bei der Photosynthese besteht jedoch darin, dass für ihre Durchführung Chloroplasten erforderlich sind. Für die überwiegende Mehrheit der Organismen auf der Erde, also Pflanzen und einige Tiere, sind die Anforderungen sehr hoch.

Das Merkmal dieser Forschung ist: reine Industrie-/Laborsynthese.

Der Fahrplan für diese Forschung sieht wie folgt aus:

Kurz gesagt läuft das Experiment wie folgt ab:

Zunächst wird Kohlendioxid mithilfe eines anorganischen Katalysators zu Methanol reduziert.

Methanol wird dann in drei Kohlenstoffatome umgewandelt.

Als nächstes folgt die Synthese von sechs Kohlenstoffen aus drei Kohlenstoffen

Schließlich polymerisiert es zu Stärke.

Im Vergleich zu normaler natürlicher Stärke ist seine Struktur im Wesentlichen die gleiche

Sowohl der Absorptionspeak als auch das Kernspinresonanzsignal beweisen, dass diese synthetische Stärke der natürlichen Stärke sehr nahe kommt.

Das Bild unten ist ein physikalisches Bild von synthetischer Stärke.

02. Die Bedeutung der Stärkesynthese

————————

Die Bedeutung der Stärkesynthese, lassen Sie uns von klein nach groß darüber sprechen:

1. Einfache Schritte

Diese Synthese erfordert nur wenige Schritte. Im Gegensatz dazu synthetisieren Organismen in der Natur Stärke aus Kohlendioxid, was etwa 60 biochemische Reaktionen und eine komplexe physiologische Regulierung erfordert.

Diese künstliche Synthese umfasst etwa 11 Schritte.

Dabei ist zu beachten, dass die Wissenschaftler nicht mehr als 60 Schritte gelöscht oder reduziert haben, um 11 Schritte zu erhalten, sondern stattdessen einen neuen Weg entworfen haben. Sie berechneten zunächst einen minimalistischen Pfad aus den biochemischen Reaktionen vieler Arten von Organismen. Dieser Pfad war jedoch berechnet, und die verschiedenen Schritte im tatsächlichen Betrieb waren nicht sehr kompatibel. Beispielsweise waren die erforderlichen Reaktionsbedingungen nicht ganz dieselben. Um diesen 11-stufigen Reaktionspfad herauszufinden, nutzten die Wissenschaftler modulares Denken und wählten verschiedene Reaktionsprozesse aus.

2. Schnelle Geschwindigkeit und hohe Effizienz

Die Geschwindigkeit dieser Laborsynthese ist 8,5-mal höher als die von Maisstärke.

In einem chemoenzymatischen System mit räumlicher und zeitlicher Trennung wandelt ASAP, angetrieben durch Wasserstoff, CO2 in Stärke um, und zwar mit einer Rate von 22 Nanomol CO2 pro Minute pro Milligramm Gesamtkatalysator, einer etwa 8,5-mal höheren Rate als die Stärkesynthese in Mais. Theoretisch entspricht die jährliche Stärkeproduktion eines 1-Kubikmeter-Bioreaktors der jährlichen Stärkeproduktion von 5 Mu Maisfeldern in meinem Land. Dieser neue Weg ermöglicht die Umstellung der Stärkeproduktion vom traditionellen landwirtschaftlichen Anbau auf die industrielle Fertigung und eröffnet einen neuen technologischen Weg zur Synthese komplexer Moleküle aus CO2.

Darüber hinaus ist die Effizienz Berichten zufolge auch hoch. Die Effizienz der Stärkesynthese in der Natur beträgt etwa 2 % (Mais), während die Effizienz der industriellen Synthese über 10 % erreichen kann.

Inspiriert von der natürlichen Photosynthese haben Forscher effiziente chemische Katalysatoren weiterentwickelt, die auf der Technologie der Wasserzersetzung mithilfe von Sonnenenergie basieren, um grünen Wasserstoff zu erzeugen. Sie reduzieren Kohlendioxid zu Methanol und anderen Ein-Kohlenstoff-Verbindungen (C1), die leichter in Wasser löslich sind, und vervollständigen so die Umwandlung von Lichtenergie – elektrische Energie – chemische Energie. Die Energieumwandlungseffizienz dieses Prozesses liegt bei über 10 %, übertrifft also die Energienutzungseffizienz der Photosynthese (2 %) bei weitem und legte zudem eine theoretische Grundlage für die spätere Nutzung der Biokatalyse zur Stärkesynthese.

3. Vision

Lösung landwirtschaftlicher Probleme: Nahrung ist das Grundbedürfnis der Menschen. Die Probleme der Landwirtschaft standen schon immer im Zusammenhang mit dem Überleben der Menschheit. Der Einsatz dieser industriellen Methode kann das Problem des für die Landwirtschaft benötigten Ackerlandes und der Süßwasserressourcen lösen, den Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln vermeiden und die Ernährungssicherheit verbessern.

Die bebaute Landfläche meines Landes beträgt mehr als 1,5 Millionen Quadratkilometer, das entspricht etwa 16 % der Landfläche. Das heißt, weniger als ein Fünftel und die restlichen vier Fünftel der Landesfläche können nicht als Ackerland genutzt werden. Dadurch ist das Ernährungsproblem meines Landes sehr ernst geworden.

Mit dieser Technologie können Gebirgstäler, Wüsten und Eisfelder zu landwirtschaftlichen Produktionsgebieten werden.

Seit der Antike wird im Wassertransportsystem meines Landes viel Getreide und andere Güter transportiert. Mit dieser Technologie können der Norden und sogar noch weiter nördlich gelegene Gebiete direkt Stärke produzieren und die Kluft zwischen Nord und Süd kann erheblich verringert werden.

4. Treibhausproblem? Was ist mit der globalen Erwärmung?

Man kann sagen, dass die globale Erwärmung ein Problem ist, das die gesamte Menschheit seit Jahren plagt.

Viele Menschen befürchten, dass der Hauptfaktor für die globale Erwärmung das Treibhausgas Kohlendioxid sei.

Industrielle Produktion, Autoabgase usw. sind alles Faktoren, die zum Anstieg des Kohlendioxidausstoßes führen. Obwohl Pflanzen kontinuierlich Kohlendioxid fixieren, sind ihre Kohlendioxidemissionen noch immer nicht so hoch.

Doch mit dieser Technologie kann Kohlendioxid direkt fixiert werden, was wesentlich effizienter ist als in der Landwirtschaft und im Pflanzenbau. Kann das Treibhausgasproblem gelöst werden?

5. Die fernere Zukunft

Raumstationen und sogar Flüge ins All können gelöst werden. In der Vergangenheit dachten wir, die Lösung für das Problem der Weltraumreisen über weite Strecken liege darin, Nahrungsmittel mitzuführen oder Menschen in einen Winterschlaf zu versetzen, um den Energieverbrauch zu senken.

Selbst wenn Sie in die Tiefen des Universums vordringen, werden Sie, solange Sie aufwachen, immer Nahrung brauchen. Aus diesem Grund gibt es so viele Science-Fiction-Filme über die Landwirtschaft durch Außerirdische, wie etwa „Der Marsianer“, in dem es um den Kartoffelanbau auf dem Mars geht.

Mit künstlicher synthetischer Stärke lassen sich diese Probleme jedoch gut lösen. Sogar auf unfruchtbarem Land kann Stärke direkt synthetisiert werden, solange Kohlendioxid und verwandte Materialien vorhanden sind.

Die Atmosphäre des Mars beispielsweise besteht zu 96 % hauptsächlich aus Kohlendioxid und ist damit eine neue Kornkammer.

Darüber hinaus ist Kohlendioxid selbst ein Abfallprodukt des menschlichen Stoffwechsels und kann direkt recycelt werden.

6. Eine Frage: Energie!

Die Umwandlung von Stärke in Kohlendioxid ist ein Prozess der allmählichen Energiefreisetzung.

Glukose wird dann in Kohlendioxid umgewandelt

Dieser Schritt entspricht dem Schwimmen gegen den Strom, was Energie erfordert.

Woher kommt also die Energie?

Tatsächlich liegt eine der wesentlichen Bedeutungen dieser Forschung, anders als viele Menschen annehmen, darin, dass es sich bei der verwendeten Energie um Sonnenenergie handelt.

Dies ist auch der „flüssige Sonnenschein“ des Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, einer weiteren Kooperationseinheit dieses Artikels – die Umwandlung von Sonnenenergie in flüssigen Brennstoff, den Wissenschaftler bildlich „flüssigen Sonnenschein“ nennen. Diese Technologie wurde von Akademiker Li Can vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet.

Natürlich muss der Energieverbrauch hier diesen Bedarf übersteigen, sodass zusätzliche Energie benötigt wird. Wir erforschen derzeit viele neue Energiequellen, insbesondere die Kernenergie, und hoffen, innerhalb von 50 Jahren eine kontrollierte Kernfusion zu erreichen.

——————————————

Abschließend glaube ich, dass einige Leute sagen werden, dass es für die Anwendung dieser Technologie noch zu früh ist. Dies ist unvermeidlich, aber ich glaube, jeder kann seine Bedeutung erkennen.

Einmal fragte eine edle Dame Faraday, den Entdecker der Elektrizität: „Wozu dient Elektrizität?“ Faraday fragte klug zurück: „Was nützt ein Neugeborenes?“

PS: Denken Sie nicht so leicht, dass Sie schlauer sind als die Wissenschaft

Link zum Artikel: DOI: 10.1126/science.abh4049