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生物合成学产业化加速器,为新的制造方式加速度

作者:   时间:2021-09-24   浏览次数:75

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“双碳”目标之下,一系列的实施细则陆续出炉,大片新生蓝海潜力巨大。实现碳中和的途径可以从能源生成端、能源消耗端、资源循环利用三个方向着手,如使用清洁能源替代不可再生的石油、推行二氧化碳排放量更少的生产工艺和装备、普通塑料制品回收后再利用。在众多赛道中,合成生物学显得格外亮眼。

合成生物学新蓝海

全球碳排放主要是来自于能源的消耗和材料的使用,每年消耗高分子材料大概 5 亿吨,每吨材料释放二氧化碳 8-9 吨,人类在高分子材料上面释放的二氧化碳高达 40 亿吨 - 50 亿吨,这对地球环境问题、可持续发展问题带来了很大的困扰。合成生物学占据了能源生成端和能源消耗端的低碳优势,通过合成生物学技术构建微生物细胞工厂,能够将糖类等可再生的生物资源转化为多种大宗化学品,实现大宗化学品的绿色清洁生产,可以摆脱对石油资源的依赖,解决石化制造过程中的高耗能和高污染问题。同时,通过生化法结合或者生物法来制造化学品的生产方式成为新的制造洼地,正在影响着企业的发展和消费者的观念。

一批合成生物学企业(例如:Ginkgo、Aymris、Zymergen、Beam 等)快速成长,据 Transparency Market Research 数据,2018 年全球合成生物学市场空间已达 到 49.6 亿美元,预计至 2027 年将超过 400 亿美元(2600 亿元人民币)。

基因组编辑、多基因同时调控、蛋白骨架、高通量筛选等技术构建的细胞工厂实现了多种大宗化学品的制造,资本的涌入赋予更多的合成生物技术服务型公司有能力大规模生产出市场前景广阔的产品。

合成生物学在生物基化学品的合成、生物材料、生物能源等领域有广泛的应用前景,其中有机胺(戊二胺、丁二胺、己内酰胺)、有机酸(丁二酸、乳酸、丙二酸、L-苹果酸、己二酸)和有机醇(1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、异丁醇)这三类大宗化学品应用广阔。

随着技术的发展,细胞工厂构建,发酵过程的代谢途径设计取得了突破,但生物合成品的分离提纯是限制合成生物产业化的瓶颈。有行业资深人士指出“生物法替代化学法”生产大宗化学品的难点不在于转化,而在于“纯化”。生物发酵完后,细胞内杂质特别多,在做高分子聚合的时候,又要求原料必须特别纯净,而生物细胞太过复杂多样,它们既能生成化学法无法合成且性能优越的特种化学材料,同时会产生多种多样的代谢物,导致目标产物的收率太低。毕竟,人们很难完全掌握发酵过程中所有复杂精妙的转化细节,如果对目标产物进一步提升纯度,就会增加成本,这就使得生物制造成本远高于化学法制造同类产品的成本。

如何选择合适的分离纯化方法

生物合成化学品制造商只有生产出高纯度的产品,才能被下游用户广泛应用,从规模效应中获得利润。对于制造商来说,生产产品附加值高规模小的产品时可优先考虑如何快速将产品推向市场,首选的是能达到分离要求的分离方法。当产品能够被大规模地生产出来时,需优先考虑能够降低成本的分离方法。当生产万吨级以上的大宗化学品时,通常还会采用多种单元操作组合的方式进行化合物的分离,下图表示了不同分离技术如精馏、吸收、结晶、膜分离和色谱等的技术成熟度。

来源:www.nap.edu

用生物合成法生产化学品的企业在选择合适的分离提纯装置时,若还采用传统的分离装置,很难达到高纯度的分离要求。另外,热敏物质在高温时容易分解,系统在高温下运行产生的能耗和运营成本也是企业关注的问题之一。例如传统的方法分离戊二胺采用萃取-精馏-蒸馏,戊二胺的纯度可达99.19%[1]。新型的分离方法——熔融结晶通过结晶、发汗、熔融的过程来分离戊二胺,产品纯度可达99.92%[2],能有效满足聚合级要求。同时,熔融结晶操作在低温下进行,可避免热敏物质发生化学变化,还能有效降低能耗。

1] 重组E.coli Bl-DAB催化l-赖氨酸合成戊二胺及其纯化研究 [D]

[2] 戊二胺熔融结晶工艺[P]

另一个发酵水平高但分离提纯上遇到瓶颈的例子是聚乳酸的生产,乳酸的纯度极大程度影响其成本并最终决定聚乳酸的价格。开发新一代的乳酸纯化技术是解决此瓶颈的不二选择,东庚采用多种分离技术的耦合,目标将聚乳酸的成本控制到2000美金以内。我们的宁夏中试撬装工厂对多种耦合分离技术进行产业化验证,为国内外多家生物合成学公司突破现有瓶颈做出贡献。

打开生产工艺和装置变革的加速器

生物合成学带来了化学品生产方式的变革,国内外与之相关企业的快速发展增强了市场信心。产品产业化亟需加速,而技术先进、经验丰富的分离领域合作伙伴是产业化的加速器。

东庚则是能够带来生产工艺和装置变革的加速器,我们在分离领域有全套解决方案,在帮助客户选择可靠的分离方法时,能够提供经济、高效的最优解。我们的研发中心面向未来,利用强大的科研技术实力,在加强应用多种分离技术的耦合来提高分离效率的同时,还研发出新型工艺设备来适应生物合成化学品的分离。在生物合成大宗化学品方面,我们在下游分离纯化阶段有着丰富的经验,除了可提供先进的分离解决方案,还能提供中试产业化验证服务,帮助我们的客户加速产品产业化进程,进一步提高公司在市场中的的竞争地位,把握未来发展机遇。

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