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发酵罐生物反应器

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生物反应器助力人工合成淀粉

2022-7-23
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中国科学院天津生物技术研究所人工淀粉合成方面取得重大突破性进展,国际上首次在实验室实现从二氧化碳到淀粉的全合成。成果在国际级学术期刊《科学》上发表。 
淀粉在我们日常生活中扮演什么样的角色呢? 
淀粉是重要的生命能量来源,也是重要的工业原料,目前人类能够使用的淀粉有来自植物的光合作用固定二氧化碳产生,农作物种植通常需要较长周期,还需要使用大量的土地、淡水资源以及肥料、农药等农业生产资料;农作物将二氧化碳转化为淀粉需要60多步复杂的生化反应,理论能量转化效率仅2%。 
通过生物反应器就可以完成二氧化碳到淀粉的全合成? 
尽管有很多商业化设备,但大多数都缺乏开源解决方案的灵活性。关于改造某些成熟设备与用更现代的版本替换它是否明智的争论由来已久。然而,这种改造大多被认为是设备更换的最后手段,因为通常在设计工厂时要计划大约20 年或更长时间。此外,更改设备或设备部件而导致的过程可变性可能从经济上考虑是不可行的。
生物工艺领域精通识别与生化过程相关的“健康”问题,以及在生产和操作的所有阶段实施严格的质量控制方法。对生物制剂及其制品进行严格监管,确保从业人员的安全。例如,在生产工厂中制备灌流培养基时,3D滚筒中可能会发生事故,例如叶轮撞击滚筒导致其破裂,导致整个培养基溢出,或者在培养基过滤过程中,如果过滤器孔径大小不正确或者过滤系统没有正确连接,培养基有可能喷溅,并可能产生巨大的健康和经济影响。从工艺控制系统的用户的角度来看,准备采取的措施分为以下两大类:  
预防性安全保证活动 (PSAA),包括安全计划分类、测试和检查计划、质量保证、预防性维护、培训、程序和人为因素开发,基于系统、结构、部件和人为行为的安全重要性排序算法(SSCH)。
就授权的配置修改、制定技术规范和在线监控风险做出监管决策。 
临界性一词在风险评估以及临界性的累积效应中发挥着巨大的作用。基于风险和成本的优化,过程中参数的关键性和关键性总和具有优势。已经观察到,根据关键程度对预防活动进行评级可使预防活动的总负荷较低,而风险会最小化或保持不变。
中国科学院天津工业生物技术研究所团队提出化学催化与生物催化耦合的方法成功搭建出二氧化碳到淀粉合成只需要11步的反应的人工合成途径。使用生物反应器在实验室只需要几个小时就可以完成农作物需要几个月的合成过程;人工合成淀粉的效率约为传统农作物合成淀粉效率的8.5倍,经核磁共振等检测方法发现人工合成淀粉和天然淀粉分子结构组成一致。在充足能量供给的条件下,按照目前的合成方法,1立方米大小的生物反应器合成淀粉的年产量相当于我国五亩玉米地的年产淀粉量。
利用二氧化碳经过11步化学催化与生物催化耦合将二氧化碳合成淀粉,这完全是从0到1的新突破, 该技术目前还处于实验阶段,一旦成熟并投入工业生产后,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,这对实现粮食可持续生产、二氧化碳转化利用,应对气候变化和粮食危机等国际难题有重大意义。