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生物反應器助力人工合成淀粉

2022-10-17
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中國科學院天津生物技術研究所人工淀粉合成方面取得重大突破性進展,國際上首次在實驗室實現從二氧化碳到淀粉的全合成。成果在國際級學術期刊《科學》上發表。 
淀粉在我們日常生活中扮演什么樣的角色呢? 
淀粉是重要的生命能量來源,也是重要的工業原料,目前人類能夠使用的淀粉有來自植物的光合作用固定二氧化碳產生,農作物種植通常需要較長周期,還需要使用大量的土地、淡水資源以及肥料、農藥等農業生產資料;農作物將二氧化碳轉化為淀粉需要60多步復雜的生化反應,理論能量轉化效率僅2%。 
通過生物反應器就可以完成二氧化碳到淀粉的全合成? 
盡管有很多商業化設備,但大多數都缺乏開源解決方案的靈活性。關于改造某些成熟設備與用更現代的版本替換它是否明智的爭論由來已久。然而,這種改造大多被認為是設備更換的最后手段,因為通常在設計工廠時要計劃大約20 年或更長時間。此外,更改設備或設備部件而導致的過程可變性可能從經濟上考慮是不可行的。
生物工藝領域精通識別與生化過程相關的“健康”問題,以及在生產和操作的所有階段實施嚴格的質量控制方法。對生物制劑及其制品進行嚴格監管,確保從業人員的安全。例如,在生產工廠中制備灌流培養基時,3D滾筒中可能會發生事故,例如葉輪撞擊滾筒導致其破裂,導致整個培養基溢出,或者在培養基過濾過程中,如果過濾器孔徑大小不正確或者過濾系統沒有正確連接,培養基有可能噴濺,并可能產生巨大的健康和經濟影響。從工藝控制系統的用戶的角度來看,準備采取的措施分為以下兩大類:  
預防性安全保證活動 (PSAA),包括安全計劃分類、測試和檢查計劃、質量保證、預防性維護、培訓、程序和人為因素開發,基于系統、結構、部件和人為行為的安全重要性排序算法(SSCH)。
就授權的配置修改、制定技術規范和在線監控風險做出監管決策。 
臨界性一詞在風險評估以及臨界性的累積效應中發揮著巨大的作用;陲L險和成本的優化,過程中參數的關鍵性和關鍵性總和具有優勢。已經觀察到,根據關鍵程度對預防活動進行評級可使預防活動的總負荷較低,而風險會最小化或保持不變。
中國科學院天津工業生物技術研究所團隊提出化學催化與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步的反應的人工合成途徑。使用生物反應器在實驗室只需要幾個小時就可以完成農作物需要幾個月的合成過程;人工合成淀粉的效率約為傳統農作物合成淀粉效率的8.5倍,經核磁共振等檢測方法發現人工合成淀粉和天然淀粉分子結構組成一致。在充足能量供給的條件下,按照目前的合成方法,1立方米大小的生物反應器合成淀粉的年產量相當于我國五畝玉米地的年產淀粉量。
利用二氧化碳經過11步化學催化與生物催化耦合將二氧化碳合成淀粉,這完全是從0到1的新突破, 該技術目前還處于實驗階段,一旦成熟并投入工業生產后,將會節約90%以上的耕地和淡水資源,這對實現糧食可持續生產、二氧化碳轉化利用,應對氣候變化和糧食危機等國際難題有重大意義。 

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