サンレジン-合成生物学における吸着・分離技術の応用

1. 合成生物学とは何ですか

「第三次バイオテクノロジー革命」の重要な担い手として知られる合成生物学は、21 世紀に新たに出現した学際的分野です。その本質は、細胞を人間のために働かせ、必要な物質を作り出すことです。この技術により、私たちが日常生活で遭遇する多くの製品が生物学的方法を使用して合成できるようになります。

合成生物学は、主に生物学的システムの設計、構築、応用に焦点を当てた新しい学際的分野です。工学や生物学などさまざまな分野の知識や手法を融合し、生体分子や生体反応など自然界に存在する生物学的機構や技術の活用を目指します。生物学的システムを設計および構築し、制御可能な遺伝子制御ネットワークを設計することにより、細胞内の分子レベルでの体系的な生物学的制御を実現します。

2. カーボンニュートラル実現における合成生物学の大きな可能性

合成生物学的製造は、有望なグリーン生産法であり、地球温暖化や各国でのカーボンニュートラルの提唱により、潜在的な最適解の一つとなっているのは間違いありません。合成生物学的製造は、工業プロセスにおけるエネルギーと材料の消費を削減し、廃棄物の排出と大気、水、土壌の汚染を削減しながら、生産コストを大幅に削減し、産業の競争力を高めることができます。

「カーボンニュートラル」に対する世界的および国家的な提唱の文脈において、合成生物学は間違いなく非常に優れた解決策を提供します。2014年、経済協力開発機構（OECD）は「合成生物学における新たな政策課題」という報告書を発表し、将来的には化学品やその他の工業製品の35％に生物学的製造が含まれる可能性があると予測した。

サンレジンが取り組む吸着分離技術は、高い環境性、高度な自動化、良好な操作精度を備えた高効率な分離・精製プラットフォーム技術です。吸着・分離技術業界の世界的リーディングカンパニーとして、当社は吸着・分離分野における20年以上にわたる研究開発の蓄積と技術的優位性を、国のカーボンニュートラルへの取り組みとどのように統合するか、積極的に検討してきました。デュアルカーボンの目標を達成し、下流のアプリケーションプロセスの最適化とアップグレードを支援します。

3. 合成生物学における吸着・分離技術の応用

合成生物学製品の製造中、原材料は微生物発酵によって目的の製品に変換され、発酵ブロス中に存在します。合成生物学製品の生産と応用を制限する主な要因は、標的製品の分離と精製です。

現在、分離精製工程では等電点晶析、イオン交換（固定床）、膜分離などの方法が主に用いられています。しかし、これらの方法には、目的生成物の収率が低い、化学試薬の多量の消費、大量の廃水排出、および重大な環境汚染などの問題がある。

サンレジンは、発酵ブロスの分離と精製のための一連の分離材料を開発し、さまざまなユースケースに合わせたアプリケーションプロセスとシステム機器を開発して、顧客に包括的なソリューションを提供しています。

3.1 脱塩、脱色、除タンパク:
カチオン樹脂とアニオン樹脂を組み合わせたイオン交換樹脂は、一般に導電率を目標レベルまで下げるために使用されます。酸やアルカリに対する安定性、樹脂保持性などの材質の特性に応じて、強酸、弱酸、強塩基、弱塩基の樹脂が使用されます。

脱色には一般に強塩基性陰イオン交換樹脂や細孔の大きい吸着樹脂が使用されます。一部のタンパク質も除去できます。

3.2 製品と不純物の吸着:
特定の官能基を有する樹脂を使用することで、目的の物質や不純物を選択的に結合し、除去することができます。一般に、大きな細孔の吸着樹脂とイオン交換樹脂が吸着に使用され、続いて溶媒または酸塩基分析が行われます。

3.3 クロマトグラフィーによる分離:
イオン交換樹脂や細孔の大きな樹脂を使用して、生成物や不純物を一定の吸着力で吸着します。不純物は勾配洗浄によって除去され、生成物は溶媒または中濃度の酸塩基溶液を使用して分析されます。樹脂は、高濃度の溶媒または酸塩基溶液を使用して再生されます。

3.4 クロマトグラフィーによる分離:

3.4.1 脱塩、不純物除去、脱色、母液回収のための連続クロマトグラフィー SSMB。

3.4.2 中高圧分取クロマトグラフィー。

4. ブタン二酸の合成生物学への応用 

ブタン二酸の下流用途は主に PBS と BDO の合成です。「デュアルカーボン」政策を背景に、生分解性プラスチックはバイオベースの分解性プラスチックに移行しており、バイオベースのPBSの将来の漸進的な市場を切り開いています。BDO にはすでに巨大な市場が存在しますが、現在の製造方法は「デュアル カーボン」の概念と一致していません。

PBS および BDO の合成に対する下流の需要により、ブタン二酸、特に合成生物学によって生産されるブタン二酸には、膨大な潜在的需要があります。ブタン二酸を生産する従来の化学的方法では生産能力の拡大が限られており、合成生物学的方法はコスト面での利点がすでに実証されており、今後の開発トレンドとなっています。ブタン二酸は、将来の膨大な下流需要を満たすために、合成生物学によって生産される予定です。

ブタン二酸の化学合成法(I)

化学合成法 I: 電気化学的方法、電気化学的酸化還元反応によってブタン二酸を合成する方法。

主な欠点は、エネルギー消費量が多いことに加え、政策上の制限、高い設備コスト、複雑な設備操作などの要因により、大規模な工業生産への適用が制限されることです。

ブタン二酸の化学合成法(II)

無水マレイン酸の水素添加反応は、シス-ブテン二酸無水物を触媒の存在下で水素添加してブタン二酸を製造するプロセスです。

この反応は、一定の温度と水素圧力で行われます。このプロセスの開発に影響を与える主な制限要因には、過剰な炭素排出、純度および灰不純物の収率、ニッケルまたはその他の貴金属触媒の選択が含まれます。

ブタン二酸の生物学的合成プロセス

ブタン二酸の生物学的合成プロセスは、グリーンで環境に優しい製造方法です。

酵母や大腸菌などの微生物の代謝工学に微生物株を使用することで、プロセス自体が持続可能で再生可能となり、環境汚染を大幅に削減し、持続可能な開発のためのより良いソリューションを提供します。

生物学的合成プロセスでは、菌株を遺伝子改変および制御し、さらには嫌気的環境での人工進化を通じて性能を最適化して、最高収量のブタン二酸を生産するための最適な菌株を選択することができます。これにより、より高純度で化学汚染のない製品が得られます。