En el marco de los objetivos de “doble carbono”, se han introducido una serie de directrices de aplicación que desvelan un vasto potencial en los océanos azules emergentes. Lograr la neutralidad de carbono puede enfocarse desde tres direcciones clave: generación de energía, consumo de energía y reciclaje de recursos. Por ejemplo, sustituyendo el petróleo no renovable por energía limpia, adoptando procesos de producción y equipos que emitan menos CO₂, y reciclando y reutilizando los productos plásticos convencionales. Entre estas diversas vías, la biología sintética destaca por ser especialmente prometedora.
El nuevo océano azul de la biología sintética
Las emisiones mundiales de carbono proceden principalmente del consumo de energía y del uso de materiales. Anualmente se consumen unos 500 millones de toneladas de materiales poliméricos, y cada tonelada libera entre 8 y 9 toneladas de CO₂. Esto significa que la humanidad genera la asombrosa cifra de 4.000 a 5.000 millones de toneladas de CO₂ únicamente a partir de materiales poliméricos, lo que plantea importantes retos para la sostenibilidad medioambiental y el desarrollo mundial. Aprovechando la biología sintética para construir fábricas de células microbianas, los recursos biológicos renovables, como los azúcares, pueden transformarse en una amplia gama de productos químicos a granel. Esto permite la producción ecológica y limpia de productos químicos a granel, reduciendo la dependencia de los recursos petrolíferos y abordando el alto consumo de energía y la contaminación asociados a la fabricación petroquímica.Además, el uso de métodos bioquímicos o biológicos para producir productos químicos ha surgido como un nuevo nicho de fabricación, remodelando las estrategias empresariales e influyendo en la percepción de los consumidores.
Un grupo de empresas de biología sintética (por ejemplo, Ginkgo, Amyris, Zymergen, Beam, etc.) está experimentando un rápido crecimiento. Según datos de Transparency Market Research, el mercado mundial de la biología sintética alcanzó los $4,96 mil millones en 2018 y se prevé que supere los $40 mil millones (260 mil millones de RMB) en 2027.
Las fábricas celulares construidas con tecnologías como la edición del genoma, la regulación multigénica, el andamiaje de proteínas y el cribado de alto rendimiento han permitido la producción de una gran variedad de productos químicos a granel. La afluencia de capital ha permitido a más empresas de servicios de biología sintética ampliar la producción y sacar al mercado productos con un gran potencial.
La biología sintética tiene amplias perspectivas de aplicación en campos como la bioquímica, los biomateriales y la bioenergía. Entre ellos, tres categorías de productos químicos a granel -aminas orgánicas (por ejemplo, cadaverina, putrescina, caprolactama), ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido succínico, ácido láctico, ácido malónico, ácido L-málico, ácido adípico) y alcoholes orgánicos (por ejemplo, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, isobutanol)- tienen aplicaciones especialmente amplias.
Con el avance de la tecnología, se han logrado grandes avances en la construcción de fábricas celulares y el diseño de rutas metabólicas para procesos de fermentación. Sin embargo, la separación y purificación de los productos biosintéticos sigue siendo un cuello de botella para la industrialización de la biología sintética. Los expertos del sector señalan que el reto de utilizar “métodos biológicos para sustituir a los métodos químicos” en la producción de sustancias químicas a granel no reside en la conversión, sino en la “purificación”. Tras la fermentación, hay numerosas impurezas en el interior de las células. Para la polimerización de alto peso molecular, las materias primas deben ser excepcionalmente puras. Sin embargo, las células biológicas son extremadamente complejas y diversas. Aunque pueden producir materiales químicos especializados con un rendimiento superior que los métodos químicos no pueden sintetizar, también generan una gran variedad de metabolitos, lo que da lugar a bajos rendimientos del producto objetivo. Al fin y al cabo, es difícil comprender plenamente los intrincados detalles de todas las transformaciones durante la fermentación. Aumentar la pureza del producto objetivo incrementa aún más los costes, lo que hace que el coste de la biomanufactura sea significativamente superior al de la producción química de productos similares.
Cómo elegir el método de separación y purificación adecuado
Para los fabricantes de productos químicos biológicos sintéticos, sólo fabricando productos de gran pureza pueden ser ampliamente adoptados por los usuarios intermedios y conseguir rentabilidad gracias a las economías de escala. Para los fabricantes, cuando fabrican productos de alto valor añadido a menor escala, la prioridad es introducir rápidamente el producto en el mercado, siendo la primera opción los métodos de separación que cumplan los requisitos de pureza. Una vez que el producto puede fabricarse en serie, los métodos de separación que reducen los costes deben tener prioridad. Para los productos químicos a granel producidos a escala de decenas de miles de toneladas, se suele emplear una combinación de múltiples operaciones unitarias para la separación. El siguiente diagrama ilustra la madurez tecnológica de distintas técnicas de separación, como la destilación, la absorción, la cristalización, la separación por membranas y la cromatografía.
Para las empresas que producen sustancias químicas mediante métodos de biología sintética, depender de los equipos tradicionales de separación y purificación supone un reto a la hora de cumplir los requisitos de separación de alta pureza. Además, las sustancias sensibles al calor tienden a descomponerse a altas temperaturas, y el consumo de energía y los costes operativos asociados a las operaciones a altas temperaturas son preocupaciones importantes para estas empresas. Por ejemplo, el método tradicional de separación de la cadaverina consiste en la extracción-destilación, con la que se consigue una pureza del 99,19%[1]. En cambio, el nuevo método de separación, la cristalización por fusión, separa la cadaverina mediante los procesos de cristalización, sudoración y fusión, con lo que se consigue una pureza del producto de 99,92%[2], cumpliendo eficazmente los requisitos de calidad de los polímeros. Además, la cristalización por fusión funciona a bajas temperaturas, lo que evita cambios químicos en sustancias sensibles al calor y reduce significativamente el consumo de energía.
[1] Estudio sobre la síntesis de l-lisina a cadaverina catalizada por E. coli Bl-DAB recombinante y su purificación [D]
[2] Proceso de cristalización de la fusión de la cadaverina [P]
Otro ejemplo de alta eficiencia fermentativa pero cuellos de botella en la separación y purificación es la producción de ácido poliláctico (PLA). La pureza del ácido láctico influye significativamente en su coste, determinando en última instancia el precio del PLA. El desarrollo de una nueva generación de tecnologías de purificación del ácido láctico es la clave para superar este cuello de botella. DODGEN ha adoptado una combinación de múltiples técnicas de separación, con el objetivo de reducir el coste del PLA por debajo de $2.000. Nuestra planta modular piloto de Ningxia ha llevado a cabo la validación a escala industrial de varias tecnologías de separación combinadas, lo que ha contribuido a los avances de múltiples empresas de biología sintética nacionales e internacionales.
Desbloquear el acelerador de la innovación en procesos y equipos
La biología sintética ha revolucionado la producción química, y el rápido desarrollo de las empresas relacionadas, tanto dentro como fuera del país, ha impulsado la confianza del mercado. Acelerar la industrialización de los productos es imperativo, y los socios avanzados y experimentados en el campo de la separación sirven como aceleradores clave en este proceso.
DODGEN actúa como catalizador para impulsar las innovaciones en los procesos y equipos de producción. Con soluciones integrales en el campo de la separación, ofrecemos soluciones rentables y eficientes para ayudar a los clientes a elegir métodos de separación fiables. Nuestro centro de I+D está orientado al futuro, aprovechando sólidas capacidades científicas y tecnológicas para mejorar la eficacia de la separación mediante el acoplamiento de múltiples técnicas de separación, al tiempo que desarrolla equipos de proceso innovadores adaptados a las necesidades de los productos químicos biológicos sintéticos.En el campo de los productos químicos biológicos sintéticos a granel, poseemos una amplia experiencia en las etapas posteriores de separación y purificación. Además de ofrecer soluciones avanzadas de separación, prestamos servicios de validación industrial a escala piloto para ayudar a nuestros clientes a acelerar la industrialización de sus productos. Esto no sólo refuerza su posición competitiva en el mercado, sino que también les permite aprovechar futuras oportunidades de desarrollo.
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