Sunresin – Anwendung von Adsorptions- und Trenntechnologien in der Synthetischen Biologie
1. Was ist synthetische Biologie?
Die synthetische Biologie, die als bedeutender Motor der „dritten biotechnologischen Revolution“. “gilt, ist ein aufstrebendes interdisziplinäres Feld des 21. Jahrhunderts. Ihr Kern besteht darin, Zellen für den Menschen nutzbar zu machen und gewünschte Substanzen zu produzieren. Mit dieser Technologie lassen sich viele Produkte des täglichen Gebrauchs mithilfe biologischer Methoden synthetisieren.
Die Synthetische Biologie ist ein neues interdisziplinäres Feld, das sich hauptsächlich mit dem Design, dem Aufbau und der Anwendung biologischer Systeme befasst. Sie kombiniert Erkenntnisse und Methoden aus verschiedenen Bereichen wie Ingenieurwesen und Biologie, um in der Natur biologische Mechanismen und Technologien wie Biomoleküle und biologische Reaktionen zu nutzen. Durch das Design und den Aufbau 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 Klimaneutralität
Die synthetische biologische Produktion ist ein vielversprechendes, umweltfreundliches Herstellungsverfahren und hat sich angesichts des Klimawandels und der in Ländern angestrebten Klimaneutralität zweifellos zu einer der optimalen Lösungen entwickelt. Sie können den Energie- und Materialverbrauch in industriellen Prozessen senken, Abfallemissionen sowie Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung reduzieren und gleichzeitig die Produktionskosten deutlich senken und die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie steigern.
Im Kontext der globalen und nationalen Bemühungen um Klimaneutralität bietet die synthetische Biologie zweifellos eine vielversprechende Lösung. Die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) veröffentlichte 2014 den Bericht „Neue politische Fragen der synthetischen Biologie “, in dem sie prognostizierte, dass künftig 35 % der Chemikalien und anderer Industrieprodukte biologisch hergestellt werden könnten.
Die von Sunresin eingesetzte Adsorptions- und Trenntechnologie ist eine hocheffiziente Plattformtechnologie zur Trennung und Reinigung, die sich durch hohe Umweltfreundlichkeit, einen hohen Automatisierungsgrad und eine hohe Betriebsgenauigkeit auszeichnet. Als weltweit führendes Unternehmen in der Adsorptions- und Trenntechnologiebranche arbeiten wir aktiv daran, unsere über 20-jährige Forschungs- und Entwicklungserfahrung sowie unsere technologischen Vorteile im Bereich Adsorption und Trennung mit dem nationalen Weg zur Klimaneutralität zu verknüpfen, um zur Erreichung der Klimaziele beizutragen und nachgelagerte Anwendungsprozesse zu optimieren und zu verbessern.
3. Anwendung der Adsorptions- und Trenntechnologie in der Synthetischen Biologie
Bei der Herstellung von Produkten der synthetischen Biologie werden die Rohstoffe durch mikrobielle Fermentation in das Zielprodukt umgewandelt und sind in der Fermentationsbrühe vorhanden. Der entscheidende Faktor, der die Produktion und Anwendung von Produkten der synthetischen Biologie einschränkt, ist die Abtrennung und Reinigung des Zielprodukts.
Aktuell werden in Trenn- und Reinigungsverfahren hauptsächlich Methoden wie die isoelektrische Kristallisation, der Ionenaustausch (Festbett) und die Membrantrenntechnik eingesetzt. Diese Methoden weisen jedoch Nachteile wie geringe Ausbeutung des Zielprodukts, hohen Verbrauch an chemischen Reagenzien, große Abwassermengen und erhebliche Umweltbelastung auf.
Sunresin hat eine Reihe von Trennmaterialien für die Trennung und Reinigung von Fermentationsbrühe entwickelt und Anwendungsverfahren sowie Systemausrüstung für verschiedene Anwendungsfälle entwickelt, um den Kunden umfassende Lösungen anzubieten.
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3.1 Entsalzung, Entfärbung und Enteiweißung:
Ionenaustauscherharze, eine Kombination aus Kationen- und Anionenaustauscherharzen, werden im Allgemeinen eingesetzt, um die Leitfähigkeit auf den Zielwert zu senken. Je nach Materialeigenschaften, wie Säure- und Laugenstabilität sowie Harzretention, werden Harze für starke Säuren, schwache Säuren, starke Basen und schwache Basen verwendet.
Stark basische Anionenaustauscherharze oder großporige Adsorptionsharze werden im Allgemeinen zur Entfärbung eingesetzt. Sie können auch einige Proteine entfernen.
3.2 Adsorption von Produkt und Verunreinigungen:
Harze mit spezifischen funktionellen Gruppen können zur selektiven Bindung von Zielsubstanzen und Verunreinigungen und deren Entfernung eingesetzt werden. Großporige Adsorptionsharze und Ionenaustauscherharze werden üblicherweise zur Adsorption verwendet, gefolgt von einer Lösungsmittel- oder Säure-Base-Analyse.
3.3 Chromatographische Trennung:
Zur Adsorption des Produkts und von Verunreinigungen werden Ionenaustauscherharze oder großporige Harze mit einer bestimmten Kapazität eingesetzt. Die Verunreinigungen werden durch Gradientenwäsche entfernt, und das Produkt wird mit Lösungsmitteln oder Säure-Base-Lösungen mittlerer Konzentration analysiert. Die Regeneration des Harzes erfolgt mit Lösungsmitteln oder Säure-Base-Lösungen hoher Konzentration.
3.4 Chromatographische Trennung:
3.4.1 Kontinuierliche Chromatographie SSMB zur Entsalzung, Entfernung von Verunreinigungen, Entfärbung und Rückgewinnung der Mutterlauge;
3.4.2 Präparative Chromatographie bei mittlerem bis hohem Druck.
4. Anwendung der Butandisäure in der Synthetischen Biologie
Die nachgelagerte Anwendung von Butandisäure liegt hauptsächlich in der Synthese von PBS und BDO. Vor dem Hintergrund der „Dual Carbon “-Politik vollzieht sich der Wandel von biologisch abbaubaren Kunststoffen hin zu biobasierten, abbaubaren Kunststoffen, wodurch sich ein zukünftiger Wachstumsmarkt für biobasiertes PBS eröffnet. Obwohl bereits ein großer Markt für BDO existiert, entspricht das übliche Produktionsverfahren nicht dem „Dual Carbon“. “-Konzept.
Angetrieben durch die Nachfrage nach PBS und BDO für die Weiterverarbeitung besteht ein enormes Bedarfspotenzial für Butandisäure, insbesondere für synthetisch-biologische Butandisäure. Die traditionelle Herstellung von Butandisäure stößt an ihre Grenzen hinsichtlich der Kapazitätserweiterung, während synthetisch-biologische Verfahren bereits Kostenvorteile aufweisen und daher zukunftsweisend sind. Um die enorme Nachfrage in der Weiterverarbeitung zu decken, wird Butandisäure künftig vermehrt synthetisch-biologisch hergestellt werden.
Chemische Synthesemethode (I) von Butandisäure
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Chemische Synthesemethode I: Elektrochemische Methode, eine Methode zur Synthese von Butandisäure durch elektrochemische Redoxreaktionen.
Der größte Nachteil ist der hohe Energieverbrauch, aber auch Faktoren wie politische, dauerhafte Ausrüstungskosten und die komplexe Bedienung der Anlagen schränken den Einsatz in der großtechnischen und industriellen Produktion ein.
Chemische Synthesemethode (II) von Butandisäure
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Die Hydrierungsreaktion von Maleinsäureanhydrid ist der 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. Zu den wichtigsten limitierenden Faktoren, die die Entwicklung dieser Prozesse beeinflussen, gehören übermäßige Kohlenstoffemissionen, die Ausbeute an Reinheit und Ascheverunreinigungen sowie die Auswahl von Nickel- oder anderen Edelmetallkatalysatoren.
Synthetisch-biologisches Verfahren zur Herstellung von Butandisäure
Die synthetische biologische Herstellung von Butandisäure ist ein umweltfreundliches und nachhaltiges Produktionsverfahren.
Durch die Verwendung mikrobieller Stämme für das Metabolic Engineering von Mikroorganismen wie Hefe und E. coli ist der Prozess selbst nachhaltig und erneuerbar, wodurch die Umweltverschmutzung stark reduziert und eine bessere Lösung für eine nachhaltige Entwicklung geboten wird.
Im biologischen Syntheseverfahren können die Stämme gentechnisch verändert und reguliert sowie durch künstliche Evolution in anaeroben Umgebungen optimiert werden, um den optimalen Stamm für die Produktion der höchsten Butandisäureausbeute auszuwählen. Dies führt zu einem Produkt mit höherer Reinheit und ohne chemische Verunreinigungen.
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