Bajo los objetivos de "doble carbono", se han introducido una serie de pautas de implementación, que revelan un gran potencial en los océanos azules emergentes. El logro de la neutralidad de carbono se puede abordar desde tres direcciones clave: generación de energía, consumo de energía y reciclaje de recursos. Los ejemplos incluyen reemplazar el petróleo no renovable con energía limpia, adoptar procesos de producción y equipos que emitan menos COde y reciclar y reutilizar productos plásticos convencionales. Entre estas diversas vías, la biología sintética se destaca por ser particularmente prometedora.
El nuevo océano azul de la biología sintética
Las emisiones globales de carbono provienen principalmente del consumo de energía y el uso de materiales. Aproximadamente 500 millones de toneladas de materiales poliméricos se consumen anualmente, y cada tonelada libera de 8 a 9 toneladas de COde. Esto significa que la humanidad genera entre 4 y 5 mil millones de toneladas de COde únicamente a partir de materiales poliméricos, lo que plantea importantes desafíos para la sostenibilidad ambiental y el desarrollo global. La biología sintética ofrece una ventaja baja en carbono tanto en el frente de generación de energía como en el de consumo. Al aprovechar la biología sintética para construir fábricas de células microbianas, los recursos biológicos renovables como los azúcares se pueden transformar en una amplia gama de productos químicos a granel. Esto permite la producción ecológica y limpia de productos químicos a granel, reduciendo la dependencia de los recursos petroleros y abordando el alto consumo de energía y la contaminación asociados con la fabricación petroquímica. Además, el uso de métodos bioquímicos o biológicos para producir productos químicos ha surgido como un nuevo nicho de fabricación, remodelando las estrategias comerciales e influyendo en las percepciones de los consumidores.
Un grupo de empresas de biología sintética (por ejemplo, Ginkgo, Amyris, Zymergen, Beam, etc.) está experimentando un rápido crecimiento. Según datos de Transparency Market Research, el mercado mundial de biología sintética alcanzó los $4,96 mil millones en 2018 y se prevé que supere los $40 mil millones (260 mil millones de RMB) para 2027.
Las fábricas de células construidas utilizando tecnologías como la edición del genoma, la regulación de múltiples genes, el andamio de proteínas y la detección de alto rendimiento han permitido la producción de una variedad de productos químicos a granel. La afluencia de capital ha empoderado a más empresas de servicios de biología sintética para aumentar la producción y llevar al mercado productos con un potencial significativo.
La biología sintética tiene amplias perspectivas de aplicación en campos como los productos químicos de base biológica, los biomateriales y la bioenergía. Entre ellos, tres categorías de productos químicos a granel: aminas orgánicas (e.g., cadaverina, putrescina, caprolactama), ácidos orgánicos (e.g., ácido succínico, ácido láctico, ácido malónico, ácido L-málico, ácido adípico) y alcoholes orgánicos (e.g., 1,3-propanodiol, 1,4-butanodiol, isobutanol)-tienen aplicaciones particularmente amplias.
Con el avance de la tecnología, se han logrado avances en la construcción de fábricas celulares y el diseño de Vías metabólicas para los procesos de fermentación. Sin embargo, la separación y purificación de productos biosintéticos sigue siendo un cuello de botella para la industrialización de la biología sintética. Los expertos de la industria señalan que el desafío de utilizar "métodos biológicos para reemplazar métodos químicos" para producir productos químicos a granel no radica en la conversión sino en la "purificación". Después de la fermentación, hay numerosas impurezas dentro de las células. Para la polimerización de alto peso molecular, las materias primas deben ser excepcionalmente puras. Sin embargo, las células biológicas son extremadamente complejas y diversas. Si bien pueden producir materiales químicos especializados con un rendimiento superior que los métodos químicos no pueden sintetizar, también generan una variedad de metabolitos, lo que lleva a bajos rendimientos del producto objetivo. Después de todo, es un desafío comprender completamente los intrincados detalles de todas las transformaciones durante la fermentación. Mejorar la pureza del producto objetivo aumenta aún más los costos, haciendo que el costo de la biofabricación sea significativamente más alto que el de producir químicamente productos similares.
Cómo elegir el método de separación y purificación adecuado
Para los fabricantes de productos químicos biológicos sintéticos, solo mediante la producción de productos de alta pureza pueden ser ampliamente adoptados por los usuarios posteriores y lograr la rentabilidad a través de economías de escala. Para los fabricantes, cuando producen productos de alto valor agregado a menor escala, la prioridad es llevar rápidamente el producto al mercado, siendo la primera opción los métodos de separación que cumplen con los requisitos de pureza. Una vez que el producto se puede producir en masa, los métodos de separación de reducción de costos deben tener prioridad. Para los productos químicos a granel producidos en una escala de decenas de miles de toneladas, normalmente se emplea una combinación de operaciones de unidades múltiples para la separación. El siguiente diagrama ilustra la madurez tecnológica de diferentes técnicas de separación, tales como destilación, absorción, cristalización, separación por membrana y cromatografía.
Para las empresas que producen productos químicos que utilizan métodos de biología sintética, confiar en los equipos tradicionales de separación y purificación hace que sea un desafío cumplir con los requisitos de separación de alta pureza. Además, las sustancias sensibles al calor tienden a descomponerse a altas temperaturas, y el consumo de energía y los costos operativos asociados con las operaciones de alta temperatura son preocupaciones importantes para estas empresas. Por ejemplo, el método tradicional de separación de cadaverina implica la extracción-destilación, logrando una pureza de 99.19%[1]. Por el contrario, el nuevo método de separación, la cristalización en estado fundido, separa la cadaverina a través de los procesos de cristalización, sudoración y fusión, logrando una pureza del producto de 99.92%[2], cumpliendo efectivamente los requisitos de grado polímero. Además, la cristalización en estado fundido funciona a bajas temperaturas, lo que evita cambios químicos en sustancias sensibles al calor y reduce significativamente el consumo de energía.
[1] Estudio sobre la síntesis de l-lisina a cadaverina catalizada por E. coli bl-DAB recombinante y su purificación [D]
Otro Ejemplo de alta eficiencia de fermentación pero cuellos de botella en la separación y purificación es la producción de ácido poliláctico (PLA). La pureza del ácido láctico afecta significativamente su costo, determinando finalmente el precio del PLA. Desarrollar una nueva generación de tecnologías de purificación de ácido láctico es la clave para superar este cuello de botella. DODGEN ha adoptado un acoplamiento de múltiples técnicas de separación, con el objetivo de reducir el costo de PLA a menos de $2.000. Nuestra planta modular piloto en Ningxia ha realizado la validación a escala industrial de varias tecnologías de separación acoplada, lo que ha contribuido a los avances de múltiples empresas de biología sintética a nivel nacional e internacional.
Liberar el acelerador para la innovación de procesos y equipos
La biología sintética ha revolucionado la producción química y el rápido desarrollo de empresas relacionadas a nivel nacional y extranjero ha impulsado la confianza del mercado. Acelerar la industrialización de productos es imperativo, y los socios avanzados y experimentados en el campo de la separación sirven como aceleradores clave en este proceso.
DODGEN actúa como catalizador para impulsar innovaciones en procesos y equipos de producción. Con soluciones integrales en el campo de la separación, proporcionamos soluciones rentables y eficientes para ayudar a los clientes a elegir métodos confiables de la separación. Nuestro CENTRO DE I + D está orientado al futuro, aprovechando las sólidas capacidades científicas y tecnológicas para mejorar la eficiencia de la separación mediante el acoplamiento de múltiples técnicas de separación, al mismo tiempo que desarrolla equipos de procesos innovadores adaptados a las necesidades de productos químicos biológicos sintéticos. En el campo de los productos químicos a granel de biología sintética, poseemos una amplia experiencia en etapas posteriores de separación y purificación. Además de ofrecer soluciones de separación avanzadas, proporcionamos servicios de validación industrial a escala piloto para ayudar a nuestros clientes a acelerar la industrialización de productos. Esto no solo fortalece su posición competitiva en el mercado, sino que también les permite aprovechar las oportunidades de desarrollo futuro.
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