Sunresin: Aplicación de la tecnología de adsorción y separación en biología sintética

1. ¿Qué es la biología sintética?

La biología sintética, conocida como la principal impulsora de la "tercera revolución biotecnológica", es un campo interdisciplinario emergente en el siglo XXI. Su esencia es lograr que las células trabajen para los humanos y produzcan las sustancias deseadas. Con esta tecnología, muchos productos que encontramos en nuestra vida diaria pueden sintetizarse mediante métodos biológicos.

La biología sintética es un nuevo campo interdisciplinario que se centra principalmente en el diseño, la construcción y la aplicación de sistemas biológicos. Combina conocimientos y métodos de diversas áreas, como la ingeniería y la biología, con el objetivo de utilizar mecanismos y tecnologías biológicas existentes en la naturaleza, como las biomoléculas y las reacciones biológicas. Mediante el diseño y la construcción de sistemas biológicos, y el diseño de redes reguladoras génicas controlables, se logra la regulación biológica sistemática a nivel molecular dentro de las células.

2. Gran potencial de la biología sintética para lograr la neutralidad de carbono

La fabricación de productos biológicos sintéticos es un prometedor método de producción ecológica, y con el calentamiento global y la propuesta de neutralidad de carbono en varios países, se ha convertido sin duda en una de las posibles soluciones óptimas. La fabricación de productos biológicos sintéticos puede reducir el consumo de energía y materiales en los procesos industriales, así como las emisiones de residuos y la contaminación del aire, el agua y el suelo, a la vez que reduce significativamente los costos de producción y mejora la competitividad industrial.

En el contexto de la defensa global y nacional de la "neutralidad de carbono", la biología sintética ofrece sin duda una excelente solución. En 2014, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) publicó el informe "Nuevas cuestiones de política en biología sintética", que predice que el 35 % de los productos químicos y otros productos industriales podrían estar sujetos a fabricación biológica en el futuro.

La tecnología de adsorción y separación que Sunresin desarrolla es una plataforma tecnológica de separación y purificación altamente eficiente, con un alto nivel de respeto al medio ambiente, alta automatización y alta precisión operativa. Como empresa líder mundial en la industria de la adsorción y separación, hemos estado considerando activamente cómo integrar nuestros más de 20 años de investigación y desarrollo, así como nuestras ventajas tecnológicas en el campo de la adsorción y separación, con la estrategia nacional de neutralidad de carbono para contribuir al logro de los objetivos de doble carbono y ayudar a optimizar y modernizar los procesos de aplicación posteriores.

3. Aplicación de la tecnología de adsorción y separación en biología sintética

Durante la producción de productos de biología sintética, las materias primas se transforman en el producto objetivo mediante fermentación microbiana y están presentes en el caldo de fermentación. El factor clave que limita la producción y aplicación de productos de biología sintética es la separación y purificación del producto objetivo.

Actualmente, en los procesos de separación y purificación, se emplean principalmente métodos como la cristalización por punto isoeléctrico, el intercambio iónico (lecho fijo) y la separación por membrana. Sin embargo, estos métodos presentan problemas como el bajo rendimiento del producto objetivo, el alto consumo de reactivos químicos, el gran vertido de aguas residuales y la considerable contaminación ambiental.

Sunresin ha desarrollado una serie de materiales de separación para la separación y purificación del caldo de fermentación, y ha desarrollado procesos de aplicación y equipos de sistemas para diferentes casos de uso, brindando a los clientes soluciones integrales.

3.1 Desalinización, decoloración y desproteinización:
Las resinas de intercambio iónico, que combinan resinas catiónicas y aniónicas, se utilizan generalmente para reducir la conductividad al nivel deseado. Se utilizan resinas de ácidos fuertes, ácidos débiles, bases fuertes y bases débiles según las propiedades del material, como la estabilidad ácida y alcalina, y la retención de resina.

Para la decoloración se suelen utilizar resinas de intercambio aniónico básicas fuertes o resinas de adsorción de poro grande. Estas también pueden eliminar algunas proteínas.

3.2 Adsorción de producto e impurezas:
Las resinas con grupos funcionales específicos permiten unirse selectivamente a las sustancias objetivo y a las impurezas para su eliminación. Las resinas de adsorción de poro grande y las resinas de intercambio iónico se utilizan generalmente para la adsorción, seguidas de un análisis ácido-base o de disolventes.

3.3 Separación cromatográfica:
Se utilizan resinas de intercambio iónico o resinas de poro grande para adsorber el producto y las impurezas, con cierta capacidad. Las impurezas se eliminan mediante lavado en gradiente y el producto se analiza con disolventes o soluciones ácido-base de concentración media. La resina se regenera con disolventes o soluciones ácido-base de alta concentración.

3.4 Separación cromatográfica:

3.4.1 Cromatografía continua SSMB para desalinización, eliminación de impurezas, decoloración y recuperación de licor madre;

3.4.2 Cromatografía preparativa de presión media-alta.

4. Aplicación del ácido butanodioico en biología sintética 

La aplicación posterior del ácido butanodioico se centra principalmente en la síntesis de PBS y BDO. En el contexto de la política de "carbono dual", los plásticos biodegradables están evolucionando hacia plásticos biodegradables de origen biológico, lo que abre un mercado creciente para el PBS de origen biológico. Si bien ya existe un amplio mercado para el BDO, el método de producción actual no se ajusta al concepto de "carbono dual".

Impulsada por la demanda de síntesis de PBS y BDO, existe una enorme demanda potencial de ácido butanodioico, especialmente del producido mediante biología sintética. El método químico tradicional para producir ácido butanodioico tiene una capacidad de expansión limitada, y los métodos de biología sintética ya han demostrado ventajas en términos de costo, lo que lo convierte en una tendencia de desarrollo futuro. El ácido butanodioico se producirá mediante biología sintética para satisfacer la enorme demanda en el futuro.

Método de síntesis química (I) del ácido butanodioico

Método de síntesis química I: Método electroquímico, método de síntesis de ácido butanodioico mediante reacciones redox electroquímicas.

La principal desventaja es el alto consumo de energía, así como factores como restricciones políticas, altos costos de equipos y operación compleja de los mismos, que limitan su aplicación en la producción a gran escala e industrial.

Método de síntesis química (II) del ácido butanodioico

La reacción de hidrogenación del anhídrido maleico es el proceso de producción de ácido butanodioico mediante la hidrogenación del anhídrido cis-butenedioico con hidrógeno en presencia de un catalizador.

Esta reacción se lleva a cabo a una temperatura y presión de hidrógeno determinadas. Los principales factores limitantes que afectan el desarrollo de este proceso incluyen las emisiones excesivas de carbono, el rendimiento de pureza y las impurezas de las cenizas, y la selección de catalizadores de níquel u otros metales preciosos.

Proceso biológico sintético para el ácido butanodioico

El proceso biológico sintético del ácido butanodioico es un método de producción ecológico y respetuoso con el medio ambiente.

Al utilizar cepas microbianas para la ingeniería metabólica de microorganismos como levaduras y E. coli, el proceso en sí es sustentable y renovable, reduce en gran medida la contaminación ambiental y brinda una mejor solución para el desarrollo sustentable.

En el proceso de síntesis biológica, las cepas pueden modificarse y regularse genéticamente, e incluso optimizarse su rendimiento mediante evolución artificial en entornos anaeróbicos, para seleccionar la cepa óptima que produzca el mayor rendimiento de ácido butanodioico. Esto da como resultado un producto de mayor pureza y sin contaminación química.