バイオテクノロジーは、化学製造の風景を再構築し、化石燃料依存から自然、バイオベースの代替手段へのパスを提供します。 生きたシステムを活用することで、業界は、伝統的な石油化学的経路の環境の足跡のほんの一部を占める化学物質を産生することができます。 この変換は単なる理論的ではありません。商業植物は、すでにプラスチック、溶剤、医薬品のブロックの構築に農業残留物を回しています。 規制圧力マウントと消費者製品として、バイオテクノロジーは、バイオテクノロジーの主要技術から成長する必要が高まっています。

バイオベースの化学物質の基準

バイオベースの化学物質は、トウモロコシ、砂糖ケーン、藻、木材、または自治体の有機廃棄物から、完全にまたは一部から派生した物質です。 石油由来のカウンターパートとは異なり、これらの化学物質は、熱化学的クラックではなく、生物学的経路を介して合成されます。 キーの区別は、炭素調達にあります。[[化石カーボンは、地下の貯蔵から抽出され、バイオ燃料は、バイオ燃料を消費する場合には、活性炭化物が、またはバイオ燃料を吸収する。

一般的な例としては、乳酸(生分解性ポリ乳酸プラスチックで使用)、スコニック酸(ポリエステルおよび樹脂のプラットフォーム化学)、および1,3-propanediol(繊維およびフィルムのモノマー)が含まれます。 世界的なバイオベースの化学物質市場は、2023年に1,65億ドル以上で評価され、政策のインセンティブと企業サステナビリティのコミットメントによって主導される10〜12%の化合物年間成長率(CAGR)で成長する予定です。

化学製造におけるバイオテクノロジーの役割

バイオテクノロジーは、生物学の原則を産業プロセスに適用します。化学的生産では、それは3つのコア技術を活用します。 遺伝子工学]]]は、微生物細胞工場、 発酵]を設計し、飼料製品を変換し、]酵素触媒は、高選択性で特定の化学変換を実行するために、します。これらの方法が、これらのエネルギーを吸収し、無毒物質を除去することができます。

遺伝子工学:微生物細胞の工場を造る

細菌、イースト、真菌のゲノムを編集することにより、科学者は高い収量と純度でターゲット分子を生成する株を作成することができます。例えば、例えば、E. coliの株は、スパンデックスおよびエンジニアリングプラスチックで使用される化学物質である1,4-butanediolを生成するために設計されている、石油ではなく、ガスを含有する。米国のエネルギー省は、バイオプロセスを設計したエネルギーを6080%削減することができます。

最近、CRISPR-Cas9の進歩は、数年ではなく数週間で精密な遺伝子のインサートと削除を可能にし、この作業を加速しました。 GenomaticaやAmyrisのような企業は、このような設計生物を生産のためのブタニドル、ファルネー、およびスクワランを商用化し、遺伝子工学が産業規模の出力を達成することができることを証明しました。

発酵:砂糖から特殊化学品まで

発酵は、産業バイオテクノロジーの働きかけを残します。微生物はトウモロコシ、砂糖、または有機酸、アルコール、アミノ酸に塩酸を含んだ木材から由来する糖蜜を代謝させます。現代の発酵プロセスは、最適化された株選択、フェッドバッチ供給戦略、およびリアルタイムプロセス制御のおかげで、200 g / Lを超えるチラーを達成します。

ランドマーク例は、バイオアンバー(現在のLCYバイオサイエンスの一部です)によるスカン酸の生産です。 彼らの施設は、遺伝子工学的E. coliの株を使用して、グルコースを80%の収量でスカン酸に変換し、CO2を共同サブステレートとしてキャプチャします。 このプロセスは、従来の超音波水化物ルートよりも大幅に廃棄物とエネルギー需要を発生させます。

酵素の触媒作用: 溶剤のない精密化学

酵素は、自然触媒であり、軽度の条件(周囲温度、中性pH、水性媒体)の下で作動し、絶妙なregio-およびステレオ選択性を発揮します。化学製造では、酵素は、酸化、減少、エステル化、C-C結合などの反応のために重金属触媒を交換することができます。例えば、NovosymeのLipozyme®ブランドの触媒は、バイオディーゼルおよびバイオ燃料を削減するために、従来のバイオマスを50%削減するために使用されています。

固定された酵素原子炉の開発は連続的な操作および容易な触媒回復、大幅にコストを下げることを可能にします。さらに、タンパク質工学は、指示された進化および合理設計によって、産業酵素の基質規模そして安定性を拡大しましたり、高価値の罰金の化学薬品および薬剤の中間物を合成することの使用を可能にしました。

生体工学的アプローチの有利な利点

化学生産のためのバイオテクノロジーを採用することで、複数の持続可能性と経済上の優位性を実現します。

  • ]回収炭素フットプリント:[] バイオマス成長における多くのバイオベースの化学物質のセグライダーCO2、40〜80%の石油類と比較して、クロール対ゲート排出量につながり、 Pure and Applied Chemistryの国際連合によって公表されたライフサイクル評価によると。
  • 再資源効率:]] バイオプロセスは、トウモロコシコンロ、砂糖ケーブバ、林業残渣などの廃棄物の流れを、貴重な製品に変換し、埋め立ての負担を軽減することができます。
  • 生分解性:]] 多種バイオベースのポリマーは、微生物によって合成可能または容易に分解され、プラスチック汚染へのソリューションを提供します。 ポリ乳酸(PLA)およびポリヒドロキシアルカノエート(PHAs)は、主な例です。
  • ]低エネルギー需要:]] 発酵および酵素反応は、通常、触媒割れよりも低温と圧力で実行し、エネルギーコストを30〜50%削減します。
  • 製品多様性:] 技術者の有機体は、従来の合成で作るのが難しい分子や不可能である、動脈硬化薬(抗マラリア薬)や再血栓薬(栄養補助)などの複雑な天然製品を製造することができます。

セクターを取り戻す現在の課題

明確な約束にもかかわらず、バイオベースの化学物質がすべてのアプリケーション間で石油化学品を完全に交換することができる前にいくつかのハードルは残っています。

スケールでの経済競争力

生体ベースの生産コストは、高価な飼料製品、資本集中発酵施設、および化学触媒と比較して、より低い容積精度のために高くなります。しかし、石油価格の変動と炭素税の増加として、ギャップが狭くなります。 []]NREL]]は、統合バイオレフィニエは、セルラーゼ酵素が減少し、収量が向上し続けた場合、次の10年以内に石油とコストパリティを達成することができることを推定します。

フィードストックの可用性と競争

食品作物(第一世代の飼料ストック)を使用して、化学生産は、食品と燃料に関する倫理的な懸念を上げます。二次生成飼料、農業残渣および専用のエネルギー作物からのリドノセルロス系バイオマス - 豊富ですが、発酵可能な糖にエネルギー集中的な前処理が必要です。藻類や二酸化炭素などの世代別飼料は有望ですが、商用化されていないが、商用成長していません。

技術的スケーラビリティ

ラボスケール(リットル)から産業規模(千リットルの狩猟)に移行すると、酸素の伝達、熱除去、汚染制御の課題が導入されます。 せん断の欠陥でうまく実行する多くのエンジニアード株は、せん断のストレスと代謝の負担による大きなバイオリアクターで失敗します。 プロセスエンジニアリングは、継続的な発酵と細胞保持戦略を含む、これらの問題に対処する。

規制およびインフラの障壁

石油化学製品には、既存の化学インフラが最適です。植物の改良、バイオベースの中間体のための新しいサプライチェーンを確立し、新規製品(例えば「ドロップイン」化学物質対新規市場化合物)の規制承認を獲得するなど、すべての時間と資本を必要とします。 バイオテクノロジーイノベーション機構]は、再生可能な化学生産のための税制クレジットや、FDA / EPA製品のレビューのためのバイオテクノロジーイノベーション機構を支持するための支持方針を提唱します。

未来の方向:合成生物学と次世代プロセス

合成生物学の分野は、セルエンジニアリングに設計-ビルドテスト学習アプローチを取ることによって、多くの現在の制限を克服することを約束します。

メタボリック・パスウェイ・最適化

既存の遺伝子を圧迫するだけでなく、研究者は、さまざまな生物から酵素を結合する合成経路を完全に合成し、さらには人工酵素を合成し、新たな分子を生成します。例えば、CO2の3-butanediolの生産は、合成経路を用いて達成されています]]Clostridium autoethanogenum、ガス発酵細菌は、ガスを消費するガス発酵細菌。

セルフリーシステム

細胞フリーの生体製造は、反応条件を直接制御し、有毒な中間体の使用を可能にする、生きた細胞の制約を取り除きます。 Sutro BiopharmaやModern Meadowのような企業は、より高い収量とより速い開発サイクルでタンパク質やバイオマテリアルを生成するために、細胞フリーシステムを適用しています。

生体触媒を電気化学と統合

微生物や酵素変換で電気化学CO2削減を組み合わせるハイブリッドプロセスが誕生しています。そのようなシステムでは、再生可能エネルギーは、より高値な製品に発酵される、フォーメートまたはメタノールの生産を電力供給しています。このアプローチは、土地使用からバイオマニュファクチャリングをデコルドし、70%を超えるエネルギー効率を達成することができます。

デジタルツインとAI搭載ストレインデザイン

ゲノムと代謝データで訓練された機械学習モデルは、生産収量に関する遺伝子の編集の効果を予測できるようになりました, 大幅に試行錯誤実験の必要性を減らす. ライジンとスコニック酸のためのAI設計株は、既に市販されています. コンピューティングパワーが増加するにつれて, ]代謝経路全体のシリコ設計では、ルーチンになり, 数ヶ月から数ヶ月までの時間の開発を組み合わせます.

結論:化学産業のための持続可能なホライゾン

バイオテクノロジーは銀製の弾丸ではありませんが、化学部門を脱炭素する最も信頼できる経路を表しています。これは、グローバルCO2排出量の約7%を占めています。 遺伝子ツール、発酵工学、バイオプロセススケールアップへの継続的な投資により、バイオベースの化学物質は、より優れた環境性能を提供しながら、コストを競争します。 ポリシーメーカー、投資家、および業界のリーダーは、これらの技術が繁栄することを可能にするインフラ、規制フレームワーク、および市場メカニズムを構築するために協力する必要があります。 潜在的な廃棄物は、廃棄物が排出されるのではなく、バイオエステートが排出されることになります。