بیوتکنولوژی چشم انداز تولید شیمیایی را تغییر می دهد، ارائه یک مسیر دور از وابستگی سوخت فسیلی به جایگزین های تجدید پذیر، جایگزین های مبتنی بر زیست محیطی است.با استفاده از سیستم های زنده، صنعت می تواند مواد شیمیایی با یک بخش از ردپای زیست محیطی مسیرهای پتروشیمی سنتی تولید کند.این تحول فقط نظری نیست - گیاهان تجاری در حال حاضر تبدیل به بلوک های ساخت پلاستیک، حلال، و دارو به عنوان تنظیم کننده فشار مصرف کننده برای محصولات اصلی و محصولات اصلی، رشد می کنند.

اصول شیمیایی مبتنی بر Bio-based

مواد شیمیایی مبتنی بر Bio مواد به طور کامل یا بخشی از منابع بیولوژیکی تجدید پذیر مشتق شده اند (corn، Sugarcane، جلبک، چوب یا حتی زباله های آلی شهری بر خلاف همتایان نفتی خود، این مواد شیمیایی از طریق مسیرهای بیولوژیکی به جای کرک سازی حرارتی سنتز می شوند. تمایز کلیدی در منابع کربن کربن است: [[[۱۰] [FLT ۱:۱] فسیل کربن استخراج شده از ذخایر کربن فعال در ذخیره سازی کربن، و یا حتی ذخیره سازی کربن فعال در بخش کربن برای ذخیره سازی کربن.

نمونه های رایج شامل اسید لاکتیک (که در پلاستیک های اسید چندکتیک تجزیه و تحلیل شده قابل تجزیه استفاده می شود)، اسید succinic (یک پلت فرم شیمیایی برای پلی استر و رزین) و 1، 3-3propanediol (یک مونومر برای الیاف و فیلم) بازار جهانی مواد شیمیایی مبتنی بر زیست محیطی در سال 2023 بیش از 165 میلیارد دلار ارزش داشت و پیش بینی می شود که در یک رشد ترکیب سالانه ترکیب (CAGR) رشد سالانه (CA) رشد 10 تا 2030-12٪) رشد و سیاست های پایداری شرکت ها رشد شرکت ها رشد و پایداری شرکت ها رشد و مشوق های تجاری رشد سالانه رشد می کند.

نقش بیوتکنولوژی در تولید شیمیایی

بیوتکنولوژی اصول زیست شناسی را به فرایندهای صنعتی اعمال می کند.در تولید شیمیایی، آن را از سه تکنیک اصلی استفاده می کند: مهندسی ژنتیک برای طراحی کارخانه های سلول میکروبی، پردازش مواد غذایی، با استفاده از این روش های سمی و تبدیل به مواد شیمیایی بالا، و enzyme catasis] [F5]

مهندسی ژنتیک: ساخت Microbial Cell Factor

با ویرایش ژنوم باکتری ها، مخمر و قارچ ها، دانشمندان می توانند سویه هایی ایجاد کنند که مولکول های هدف را با عملکرد بالا و خلوص تولید می کنند.به عنوان مثال، coli می توانند برای تولید 1،4butanediol، یک ماده شیمیایی مورد استفاده در استریپ و پلاستیک مهندسی شده، به جای نفت، بسیاری از تخمین های گاز معمولی را مهندسی کرده و مهندسی کنند.

پیشرفت های اخیر در CRISPR-Cas9 این کار را تسریع کرده است و اجازه می دهد تا در هفته ها به جای سال ها، شرکت هایی مانند Genomatica و امیریس چنین ارگانیسم های مهندسی شده ای را برای تولید اماanediol، کرایه و شرکت های مربعی، اثبات کنند که مهندسی ژنتیک می تواند به خروجی های صنعتی دست یابد.

فرم: از شکر تا مواد شیمیایی خاص

تخمیر باقی مانده کار اسب بیوتکنولوژی صنعتی است. میکروارگانیسم ها متابولیزه شکر - مشتق شده از ذرت، نیشکر، یا چوب هیدرولیز شده - به اسیدهای ارگانیک، الکل و اسیدهای آمینه مدرن تخمیر شده در حال حاضر به فروشندگان بیش از 200 گرم / L برای برخی از محصولات، به لطف انتخاب های سویه بهینه شده، استراتژی های تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه تغذیه، و فرآیند کنترل زمان واقعی دست می یابد.

یک مثال برجسته تولید اسید succinic توسط BioAmber (در حال حاضر بخشی از علوم زیستی LCY) است، این تاسیسات از یک ژنتیکی مهندسی شده (FLT:0E. coli استفاده می کند که گلوکز را به اسید succinic با عملکرد 80٪ تبدیل می کند، ثبت CO2 به عنوان یک co-substrate این فرآیند به طور قابل توجهی کمتر از مسیرهای معمول انرژی و تقاضای آب گرم است.

کاتالیز: شیمی دقیق بدون حل

آنزیم ها کاتالیزورهای طبیعت هستند - آنها تحت شرایط خفیف (درجه حرارت محیطی، pH خنثی، رسانه های aqueous) عمل می کنند و نشان می دهند که بازسازی و استریو انتخابی عالی است.در تولید شیمیایی، آنزیم ها می توانند جایگزین کاتالیزورهای فلزی سنگین برای واکنش هایی مانند اکسیداسیون، کاهش، استرانس، و C-C پیوندهای تشکیل شده است. به عنوان مثال، Novozymeulme برای تولید و تجزیه و تحلیل استفاده از مصرف، استفاده می شود.

توسعه راکتورهای آنزیمی بی حرکت اجازه می دهد تا برای عملیات مداوم و بازیابی کاتالیزور آسان، به طور چشمگیری کاهش هزینه ها، علاوه بر این، مهندسی پروتئین - از طریق تکامل و طراحی منطقی - دامنه بستر و ثبات آنزیم های صنعتی را گسترش داده است، و امکان استفاده از آنها در ترکیب مواد شیمیایی و واسطه های دارویی با ارزش بالا را فراهم می کند.

مزایای قابل توجه رویکردهای زیستtechnological

اتخاذ بیوتکنولوژی برای تولید شیمیایی مزایای متعدد پایداری و اقتصادی را ارائه می دهد:

  • رد پای کربن: بسیاری از مواد شیمیایی مبتنی بر زیست شناسی CO2 در طول رشد زیست توده ها، منجر به انتشار گازهای گلخانه ای که 40 - 80٪ کمتر از معادل نفت، با توجه به ارزیابی چرخه زندگی منتشر شده توسط اتحادیه بین المللی مواد شیمیایی خالص و کاربردی .
  • بازده منبع: پردازش های زیستی می توانند از جریان های زباله مانند اجاق گاز ذرت، کیسه شکر و چوب جنگل استفاده کنند - آنها را به محصولات ارزشمند و کاهش بار زباله زمین.
  • بسیاری از پلیمرهای مبتنی بر زیست محیطی با میکروارگانیسم ها قابل تنظیم یا به راحتی تجزیه می شوند، ارائه راه حل برای آلودگی پلاستیکی (PLA) و پلی هیدروکسیالکانوسات (PHAs) نمونه های اولیه هستند.
  • تقاضای انرژی کم تر: فرماسیون و واکنش های آنزیمی معمولا در دما و فشارهای پایین تر از کرک کردن کاتالیزوری اجرا می شوند، کاهش هزینه های انرژی تا 30 تا 50 درصد.
  • تنوع محصول: ارگانیسم های مهندسی می توانند مولکول هایی تولید کنند که از طریق سنتز سنتی دشوار یا غیر ممکن هستند، مانند محصولات طبیعی پیچیده مانند Artemisinin (یک داروی ضد مالاریا) و resveratrol (یک فیبروسیتی).

چالش های فعلی برگزاری بازگشت به بخش

علی رغم وعده های روشن، چندین مانع قبل از اینکه مواد شیمیایی مبتنی بر زیست محیطی به طور کامل جایگزین پتروشیمی در تمام برنامه های کاربردی شوند باقی می مانند:

رقابت اقتصادی در مقیاس

هزینه تولید مبتنی بر زیستی اغلب به دلیل مواد غذایی گران قیمت، تسهیلات تخمیر سرمایه و بهره وری کم حجم در مقایسه با کاتالیز شیمیایی بالاتر است، با این حال، به عنوان قیمت نفت نوسان و افزایش مالیات کربن، شکاف محدود کننده است. NREL [F:1] برآورد می کند که بیواستراید یکپارچه می تواند با کاهش قیمت نفت در دهه آینده به کاهش و کاهش قیمت های آن دست یابد.

دسترسی به خوراک و رقابت

استفاده از محصولات غذایی (اولین نسل خوراک) برای تولید مواد شیمیایی نگرانی های اخلاقی در مورد غذا و سوخت را افزایش می دهد. خوراک نسل دوم - زیست توده های زیستی گیاهی و محصولات انرژی اختصاص داده شده - فراوان هستند اما نیاز به پیش درمان انرژی فشرده برای آزاد کردن قندهای قابل هضم سوم، خوراک های گوشتی مانند جلبک و دی اکسید کربن، اما هنوز به صورت تجاری بالغ نیستند.

تکنولوژی مقیاس پذیری

حرکت از مقیاس آزمایشگاهی ( لیتر) به مقیاس صنعتی (صدها هزار لیتر) چالش در انتقال اکسیژن، حذف گرما و کنترل آلودگی را معرفی می کند. بسیاری از سویه های مهندسی شده که به خوبی در لرزه های بزرگ زیست بوم شناسان به دلیل استرس و بار متابولیک، پیشرفت های مهندسی فرایند، از جمله روش های مداوم تخمیر و حفظ سلول، این مسائل را حل می کنند.

تنظیم مقررات و موانع زیرساخت

زیرساخت های شیمیایی موجود برای پتروشیمی ها بهینه سازی شده است، ایجاد زنجیره های تامین جدید برای واسطه های مبتنی بر زیست و به دست آوردن تایید های نظارتی برای محصولات جدید (به عنوان مثال، مواد شیمیایی "drop-in" در مقابل ترکیبات جدید به بازار) همه نیاز به زمان و سرمایه. Bio Innovation Organization [F:1 برای حمایت از مواد شیمیایی و تجزیه و تحلیل های مواد شیمیایی مانند تجزیه و تحلیل های مواد شیمیایی و تحلیل های مواد شیمیایی]

مسیرهای آینده: زیست شناسی مصنوعی و مراحل نسل بعدی

زمینه زیست شناسی مصنوعی وعده می دهد تا با استفاده از رویکرد طراحی-سازنده به مهندسی سلول، بر بسیاری از محدودیت های فعلی غلبه کند.

بهینه سازی مسیر Metabolic Pathway Optimization

به جای بیان ژن های موجود، محققان در حال حاضر در حال ساخت مسیرهای کاملا مصنوعی هستند که آنزیم ها را از ارگانیسم های مختلف ترکیب می کنند و حتی آنزیم های مصنوعی – برای تولید مولکول های جدید.به عنوان مثال، تولید 1،3، امااندیول از CO2 با استفاده از یک مسیر مصنوعی در (FLT:0Clostridium autoethanum) به دست آمده است.

سیستم های بدون سلول

بی سیم سازی بدون سلول محدودیت های سلول های زنده را حذف می کند، اجازه می دهد کنترل مستقیم بر شرایط واکنش و امکان استفاده از واسطه های سمی را فراهم کند.شرکت هایی مانند Sutro Biopharma و Modern Meadow از سیستم های بدون سلول برای تولید پروتئین و مواد زیستی با بازده بالاتر و چرخه های توسعه سریع تر استفاده می کنند.

ادغام Biocatalysis با الکتروشیمی

فرآیندهای ترکیبی که کاهش CO2 الکتروشیمیایی را با تبدیل میکروبی یا آنزیمی ترکیب می کنند در چنین سیستم هایی در حال ظهور هستند، برق تجدید پذیر تولید بی خانمان یا متانول را که پس از آن به محصولات با ارزش بالاتر تخمیر شده است، قدرت می دهد و این رویکرد باعث جدا شدن بی حسی از استفاده از زمین و می تواند به صرفه جویی انرژی بیش از ۷۰ درصد برسد.

طراحی های دیجیتال Twins و AI-Driven Strain

مدل های یادگیری ماشین که در داده های ژنومیک و متابولیک آموزش دیده اند، اکنون می توانند اثر ویرایش ژن بر بازده تولید را پیش بینی کنند، به طور چشمگیری نیاز به آزمایش آزمایشی و تروریستی را کاهش دهند.آشکارهای طراحی شده توسط AI برای lysine و succinic acid از ماه ها پیش تجاری شده اند، زیرا قدرت محاسباتی افزایش می یابد، [F:0] طراحی کل مسیرهای متابولیک [F:1LT، به روز رسانی های روز به روز رسانی از ماه ها تبدیل می شود.

نتیجه گیری: یک افق پایدار برای صنعت شیمیایی

بیوتکولوژیها گلوله نقره ای نیستند، اما آنها معتبرترین مسیر برای کاهش بخش شیمیایی هستند – یکی که تقریبا 7٪ از انتشار گازهای گلخانه ای جهانی CO2 را تشکیل می دهد، با سرمایه گذاری مداوم در ابزارهای ژنتیکی، مهندسی تخمیر و مقیاس پردازش زیستی، مواد شیمیایی مبتنی بر زیست محیطی به طور فزاینده ای در هزینه رقابت می کنند در حالی که ارائه سیاست گذاران، سرمایه گذاران و رهبران صنعت باید با استفاده از زیرساخت های کلان، و فن آوری های زیست محیطی، که این فناوری های عظیم را قادر می سازد، به رشد می کنند، و فن آوری های بالقوه بازار است.