-
-
Whatsapp
Акселератор промышленной реализации синтетической биологии: придание ускорения новым методам производства
2021-09-24
Пути достижения углеродной нейтральности можно реализовать в трех направлениях: сфере производства энергии, сфере потребления энергии и сфере рециклинга ресурсов. Например, замена нефти (невозобновляемого ресурса) чистыми энергоресурсами, внедрение технологий и оборудования с меньшим выбросом диоксида углерода, а также переработка и повторное использование обычных пластиковых изделий. Среди многочисленных направлений синтетическая биология выделяется особенно ярко.
I. Новый «голубой океан» синтетической биологии
Глобальные выбросы углерода преимущественно возникают при потреблении энергии и использовании материалов. ежегодно расходуется около 500 миллионов тонн полимерных материалов, при этом с каждого тонны материала выделяется 8–9 тонн диоксида углерода. Таким образом, общее количество диоксида углерода, выделяемого при использовании полимерных материалов, достигает 4–5 миллиардов тонн. Это создает серьезные проблемы для окружающей среды Земли и устойчивого развития.
Синтетическая биология обладает преимуществами низкокарбонатного развития в сферах производства и потребления энергии. С помощью технологий синтетической биологии создаются микробные клеточные фабрики, способные преобразовывать возобновляемые биологические ресурсы (например, сахара) в различные крупногабаритные химические вещества. Это обеспечивает зеленое и чистое производство крупногабаритных химических продуктов, Он может избавиться от зависимости от нефтяных ресурсов и решить проблемы высокого энергопотребления и высокого загрязнения в процессе нефтехимического производства.В то же время метод производства химических веществ путем сочетания биохимических методов или биологических методов стал новой производственной депрессией, которая влияет на развитие предприятий и восприятие потребителей.
Ранее появилось множество предприятий в сфере синтетической биологии (например, Ginkgo, Aymris, Zymergen, Beam), которые быстро развиваются. Согласно данным Transparency Market Research, объем глобального рынка синтетической биологии в 2018 году достиг 4,96 миллиарда долларов США, а по прогнозам к 2027 году он превысит 40 миллиардов долларов США (или 260 миллиардов юаней Китая).
Клеточные фабрики, созданные на основе технологий редактирования генома, одновременной регуляции нескольких генов, белкового каркаса и высокопроизводительного скринирования, обеспечивают производство различных крупногабаритных химических веществ. Поток капитала позволяет большему количеству службных компаний в сфере синтетической биологии разворачивать массовое производство продукции с широкими перспективами на рынке.
Синтетическая биология имеет широкие перспективы применения в сфере синтеза биооснованных химических веществ, биоматериалов и биоэнергии. Среди них три группы крупногабаритных химических веществ находят особенно широкое применение:
●Органические амины (пентандиамин, бутандиамин, капролактам);
●Органические кислоты (янтарная кислота, молочная кислота, пропандиовая кислота, L-яблочная кислота, адипиновая кислота);
●Органические спирты (1,3-пропандиол, 1,4-бутандиол, изобутанол).
(Примечание к изображению 1)
Технологии, обеспечивающие создание микробных клеточных фабрик:
●Инженерия ферментов, технология конструирования, редактирование генома, эволюция белков, динамическая модуляция генов, конструирование белков, высокопроизводительное скринирование;
●Преимущества микробных клеточных фабрик: больше продуктов, более высокая эффективность;
●Механизмы метаболической регуляции: углеродный метаболизм, энергетический метаболизм, физиологический метаболизм.
С развитием технологий достигнуты прорывы в создании клеточных фабрик и проектировании метаболических путей в процессе ферментации. Однако разделение и очистка биосинтетических продуктов являются узким местом, ограничивающим промышленную реализацию синтетической биологии. Как отмечают опытные специалисты отрасли: «Трудность замены химического метода биологическим при производстве крупногабаритных химических веществ не заключается в трансформации, а в «очистке». После биологической ферментации в клетках образуется большое количество примесей. При полимеризации полимеров требуется исключительная чистота сырья, однако биологические клетки отличаются большой сложностью и разнообразием: они могут синтезировать специализированные химические материалы, которые невозможно получить химическим методом и которые имеют превосходные свойства, но одновременно образуют множество метаболитов, что приводит к слишком низкому выходу целевого продукта. В конце концов, человекам трудно полностью освоить все сложные и тонкие детали процесса трансформации при ферментации. При этом повышение чистоты целевого продукта увеличивает затраты, в результате чего себестоимость биологического производства значительно превышает себестоимость производства аналогичных продуктов химическим методом.
II. Как выбрать подходящий метод разделения и очистки
●Производители синтетических биохимических веществ могут добиться широкого применения своих продуктов среди нижнепотоковых пользователей и получить прибыль за счет эффекта масштаба только при производстве продукции высокой чистоты. Для производителей существует следующая стратегия выбора методов:
●При производстве продукции с высокой добавленной стоимостью и небольшим объемом приоритетом является быстрое введение продукта на рынок, поэтому выбирают любой метод разделения, который соответствует требованиям к разделению;
●При массовом производстве продукта приоритетом является снижение затрат, поэтому выбирают методы разделения, оптимизированные под снижение себестоимости;
При производстве крупногабаритных химических веществ в объемах свыше 10 тысяч тонн обычно используют комбинацию нескольких операций на единице оборудования для разделения соединений.
Ниже представлено изображение, демонстрирующее уровень технологической зрелости различных технологий разделения (например, ректификация, абсорбция, кристаллизация, мембранное разделение, хроматография и др.).
(Примечание к изображению 2): Уровень технологической зрелости различных технологий разделения.
При выборе подходящего оборудования для разделения и очистки химических веществ, произведенных синтетическим биологическим методом, использование традиционного оборудования для разделения часто не позволяет достичь требований к высокой чистоте. Кроме того, термочувствительные вещества легко разлагаются при высоких температурах, поэтому предприятия также обеспокоены энергопотреблением и операционными затратами системы при работе на высоких температурах. Например, при традиционном методе разделения пентандиамина (экстракция — ректификация — дистилляция) чистота пентандиамина может достигать 99,19%.
Новый метод разделения — плавильная кристаллизация — позволяет разделять пентандиамин посредством процессов кристаллизации, выпотевания и плавления. При этом чистота продукта может достигать 99,92%, что эффективно соответствует требованиям к полимеризационному классу. Одновременно плавильная кристаллизация осуществляется при низких температурах, что предотвращает химические превращения термочувствительных веществ и эффективно снижает энергопотребление.
Другой пример того, где достигнут высокий уровень ферментации, но существует узкое место в разделении и очистке — производство полимолочной кислоты (ПМК). Чистота молочной кислоты в значительной степени влияет на ее себестоимость и в конечном счете определяет цену ПМК. Разработка новой генерации технологий очистки молочной кислоты — единственный способ решения этой проблемы. Компания Дунган использует сочетание нескольких технологий разделения, целью которого является сдерживание себестоимости ПМК ниже 2000 долларов США. Нашем пилотном модульном заводе в Нинся проводится промышленная верификация различных сочетанных технологий разделения, что помогает многим китайским и иностранным компаниям в сфере синтетической биологии преодолеть существующие узкие места.
III. Открытие акселератора для преобразования технологий и оборудования производства
Синтетическая биология привела к преобразованию методов производства химических веществ. Быстрое развитие связанных предприятий в стране и за рубежом укрепило рыночное доверие. Промышленная реализация продукции срочно нуждается в ускорении, а партнеры с продвинутыми технологиями и обширным опытом в области разделения выступают как акселераторы промышленной реализации.
Компания Дунган является акселератором, способным обеспечить преобразование технологий и оборудования производства. Мы предлагаем полный комплекс решений в области разделения: при помощи нашего опыта мы помогаем клиентам выбирать надежные методы разделения и разрабатываем экономически эффективные и полные проекты. Наш исследовательский и разработческий центр (ИРЦ) ориентирован на будущее: используя мощный научный и технологический потенциал, мы не только усиливаем применение сочетания нескольких технологий разделения для повышения эффективности разделения, но и разрабатываем новое технологическое оборудование, адаптированное к разделению синтетических биохимических веществ. В сфере производства крупногабаритных синтетических биохимических веществ мы имеем обширный опыт в области разделения и очистки на нижнем потоке: помимо предложения продвинутых решений по разделению, мы также предоставляем услуги по пилотной промышленной верификации. Это помогает нашим клиентам ускорить процесс промышленной реализации продукции, дальнейшим повышить свою рыночную конкурентоспособность и воспользоваться перспективами будущего развития.
