Sunresin – Anwendung der Adsorptions- und Trenntechnologie in der synthetischen Biologie

1. Was ist synthetische Biologie?

Die synthetische Biologie gilt als maßgeblicher Träger der „dritten biotechnologischen Revolution“ und ist ein aufstrebendes interdisziplinäres Forschungsfeld des 21. Jahrhunderts. Ihr Kern besteht darin, Zellen für den Menschen nutzbar zu machen und die Produktion gewünschter Substanzen zu ermöglichen. Dank dieser Technologie können viele Produkte unseres täglichen Lebens mithilfe biologischer Methoden synthetisiert werden.

Die Synthetische Biologie ist ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet, das sich hauptsächlich mit dem Entwurf, der Konstruktion und der Anwendung biologischer Systeme beschäftigt. Sie kombiniert Wissen und Methoden aus verschiedenen Bereichen wie Ingenieurwesen und Biologie und nutzt dabei in der Natur vorhandene biologische Mechanismen und Technologien wie Biomoleküle und biologische Reaktionen. Durch den Entwurf und die Konstruktion biologischer Systeme sowie die Entwicklung kontrollierbarer Genregulationsnetzwerke erreicht sie eine systematische biologische Regulation auf molekularer Ebene innerhalb von Zellen.

2. Großes Potenzial der synthetischen Biologie zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität

Die synthetische Bioproduktion ist eine vielversprechende umweltfreundliche Produktionsmethode und hat sich angesichts der globalen Erwärmung und der in vielen Ländern angestrebten CO2-Neutralität zweifellos zu einer der potenziell optimalen Lösungen entwickelt. Die synthetische Bioproduktion kann den Energie- und Materialverbrauch in industriellen Prozessen senken und Abfallemissionen sowie die Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung reduzieren. Gleichzeitig werden die Produktionskosten deutlich gesenkt und die industrielle Wettbewerbsfähigkeit gesteigert.

Im Kontext der globalen und nationalen Bemühungen um „Kohlenstoffneutralität“ bietet die synthetische Biologie zweifellos eine sehr gute Lösung. Die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) veröffentlichte 2014 einen Bericht mit dem Titel „Neue politische Fragen in der synthetischen Biologie“. Darin prognostizierte sie, dass 35 % der Chemikalien und anderer Industrieprodukte künftig biologisch hergestellt werden könnten.

Die von Sunresin eingesetzte Adsorptions- und Trenntechnologie ist eine hocheffiziente Trenn- und Reinigungsplattformtechnologie mit hoher Umweltfreundlichkeit, hohem Automatisierungsgrad und hoher Betriebsgenauigkeit. Als weltweit führendes Unternehmen in der Adsorptions- und Trenntechnologiebranche beschäftigen wir uns intensiv mit der Frage, wie wir unsere über 20-jährige Forschungs- und Entwicklungserfahrung sowie unsere technologischen Vorteile im Bereich Adsorption und Trennung mit dem nationalen Ziel der CO2-Neutralität verbinden können. So tragen wir zur Erreichung der dualen CO2-Ziele bei und unterstützen die Optimierung und Verbesserung nachgelagerter Anwendungsprozesse.

3. Anwendung der Adsorptions- und Trenntechnik in der synthetischen Biologie

Bei der Herstellung synthetischer Bioprodukte werden die Ausgangsstoffe durch mikrobielle Fermentation in das Zielprodukt umgewandelt und liegen in der Fermentationsbrühe vor. Der Hauptfaktor, der die Produktion und Anwendung synthetischer Bioprodukte einschränkt, ist die Trennung und Reinigung des Zielprodukts.

Derzeit werden im Trenn- und Reinigungsprozess hauptsächlich Methoden wie isoelektrische Punktkristallisation, Ionenaustausch (Festbett) und Membrantrennung eingesetzt. Diese Methoden sind jedoch mit Problemen verbunden, wie z. B. einer geringen Ausbeute an Zielprodukten, einem hohen Verbrauch chemischer Reagenzien, einem hohen Abwasserausstoß und einer erheblichen Umweltverschmutzung.

Sunresin hat eine Reihe von Trennmaterialien für die Trennung und Reinigung von Fermentationsbrühe entwickelt und Anwendungsprozesse sowie Systemausrüstung für verschiedene Anwendungsfälle entwickelt, um Kunden umfassende Lösungen zu bieten.

3.1 Entsalzung, Entfärbung und Entproteinisierung:
Ionenaustauscherharze, eine Kombination aus Kationen- und Anionenharzen, werden üblicherweise verwendet, um die Leitfähigkeit auf das Zielniveau zu senken. Je nach Materialeigenschaften, wie Säure- und Alkalibeständigkeit und Harzretention, werden stark saure, schwach saure, stark basische und schwach basische Harze eingesetzt.

Zur Entfärbung werden im Allgemeinen stark basische Anionenaustauscherharze oder großporige Adsorptionsharze verwendet. Sie können auch einige Proteine ​​entfernen.

3.2 Adsorption von Produkt und Verunreinigungen:
Harze mit spezifischen funktionellen Gruppen können zur selektiven Bindung an Zielsubstanzen und Verunreinigungen zur Entfernung verwendet werden. Zur Adsorption werden im Allgemeinen großporige Adsorptionsharze und Ionenaustauscherharze verwendet, gefolgt von einer Lösungsmittel- oder Säure-Base-Analyse.

3.3 Chromatographische Trennung:
Ionenaustauscherharze oder großporige Harze werden verwendet, um das Produkt und Verunreinigungen mit einer bestimmten Kapazität zu adsorbieren. Die Verunreinigungen werden durch Gradientenwäsche entfernt, und das Produkt wird mit Lösungsmitteln oder Säure-Base-Lösungen mittlerer Konzentration analysiert. Das Harz wird mit Lösungsmitteln oder Säure-Base-Lösungen hoher Konzentration regeneriert.

3.4 Chromatographische Trennung:

3.4.1 Kontinuierliche Chromatographie SSMB zur Entsalzung, Entfernung von Verunreinigungen, Entfärbung und Rückgewinnung von Mutterlauge;

3.4.2 Präparative Mittelhochdruckchromatographie.

4. Synthetische biologische Anwendung von Butandisäure 

Die nachgelagerte Anwendung von Butandisäure liegt hauptsächlich in der Synthese von PBS und BDO. Vor dem Hintergrund der „Dual-Carbon“-Politik entwickeln sich biologisch abbaubare Kunststoffe zu biobasierten, was einen zukünftigen, wachsenden Markt für biobasiertes PBS eröffnet. Obwohl es bereits einen riesigen Markt für BDO gibt, entspricht das aktuelle Produktionsverfahren nicht dem „Dual-Carbon“-Konzept.

Aufgrund der nachgelagerten Nachfrage nach der Synthese von PBS und BDO besteht ein enormes Nachfragepotenzial nach Butandisäure, insbesondere nach synthetisch-biologischer Butandisäure. Die Kapazitätserweiterung des traditionellen chemischen Herstellungsverfahrens für Butandisäure ist begrenzt. Synthetisch-biologische Verfahren haben bereits Kostenvorteile gezeigt und stellen daher einen zukünftigen Entwicklungstrend dar. Um die enorme Nachfrage in Zukunft zu decken, wird die Produktion von Butandisäure mittels synthetischer Biologie erfolgen.

Chemische Synthesemethode (I) von Butandisäure

Chemische Synthesemethode I: Elektrochemische Methode, eine Methode zur Synthese von Butandisäure durch elektrochemische Redoxreaktionen.

Der Hauptnachteil besteht im hohen Energieverbrauch sowie in Faktoren wie politischen Beschränkungen, hohen Gerätekosten und einer komplexen Gerätebedienung, die den Einsatz in der Großserien- und Industrieproduktion einschränken.

Chemische Synthesemethode (II) von Butandisäure

Bei der Hydrierungsreaktion von Maleinsäureanhydrid handelt es sich um den Prozess der Herstellung von Butandisäure durch Hydrierung von cis-Butendisäureanhydrid mit Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators.

Diese Reaktion wird bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Wasserstoffdruck durchgeführt. Die wichtigsten limitierenden Faktoren für die Entwicklung dieses Prozesses sind übermäßige Kohlenstoffemissionen, die Reinheit und Ascheverunreinigungen sowie die Auswahl von Nickel oder anderen Edelmetallkatalysatoren.

Synthetisch-biologisches Verfahren zur Herstellung von Butandisäure

Der synthetische biologische Prozess der Butandisäure ist eine umweltfreundliche Produktionsmethode.

Durch die Verwendung mikrobieller Stämme für das Stoffwechsel-Engineering von Mikroorganismen wie Hefe und E. coli ist der Prozess selbst nachhaltig und erneuerbar, reduziert die Umweltverschmutzung erheblich und bietet eine bessere Lösung für eine nachhaltige Entwicklung.

Im biologischen Syntheseprozess können die Stämme genetisch modifiziert und reguliert und durch künstliche Evolution in anaeroben Umgebungen sogar hinsichtlich ihrer Leistung optimiert werden, um den optimalen Stamm für die höchste Ausbeute an Butandisäure auszuwählen. Das Ergebnis ist ein Produkt mit höherer Reinheit und ohne chemische Verunreinigungen.