生物反應(yīng)器助力人工合成淀粉
中國(guó)科學(xué)院天津生物技術(shù)研究所人工淀粉合成方面取得重大突破性進(jìn)展，國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉的全合成。成果在國(guó)際級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。
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淀粉是重要的生命能量來源，也是重要的工業(yè)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(chǎn)生，農(nóng)作物種植通常需要較長(zhǎng)周期，還需要使用大量的土地、淡水資源以及肥料、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料；農(nóng)作物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉需要60多步復(fù)雜的生化反應(yīng)，理論能量轉(zhuǎn)化效率僅2%。
通過生物反應(yīng)器就可以完成二氧化碳到淀粉的全合成？
盡管有很多商業(yè)化設(shè)備，但大多數(shù)都缺乏開源解決方案的靈活性。關(guān)于改造某些成熟設(shè)備與用更現(xiàn)代的版本替換它是否明智的爭(zhēng)論由來已久。然而，這種改造大多被認(rèn)為是設(shè)備更換的最后手段，因?yàn)橥ǔＴ谠O(shè)計(jì)工廠時(shí)要計(jì)劃大約20 年或更長(zhǎng)時(shí)間。此外，更改設(shè)備或設(shè)備部件而導(dǎo)致的過程可變性可能從經(jīng)濟(jì)上考慮是不可行的。
生物工藝領(lǐng)域精通識(shí)別與生化過程相關(guān)的“健康”問題，以及在生產(chǎn)和操作的所有階段實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法。對(duì)生物制劑及其制品進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管，確保從業(yè)人員的安全。例如，在生產(chǎn)工廠中制備灌流培養(yǎng)基時(shí)，3D滾筒中可能會(huì)發(fā)生事故，例如葉輪撞擊滾筒導(dǎo)致其破裂，導(dǎo)致整個(gè)培養(yǎng)基溢出，或者在培養(yǎng)基過濾過程中，如果過濾器孔徑大小不正確或者過濾系統(tǒng)沒有正確連接，培養(yǎng)基有可能噴濺，并可能產(chǎn)生巨大的健康和經(jīng)濟(jì)影響。從工藝控制系統(tǒng)的用戶的角度來看，準(zhǔn)備采取的措施分為以下兩大類：
預(yù)防性安全保證活動(dòng) (PSAA)，包括安全計(jì)劃分類、測(cè)試和檢查計(jì)劃、質(zhì)量保證、預(yù)防性維護(hù)、培訓(xùn)、程序和人為因素開發(fā)，基于系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、部件和人為行為的安全重要性排序算法(SSCH)。
就授權(quán)的配置修改、制定技術(shù)規(guī)范和在線監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)做出監(jiān)管決策。
臨界性一詞在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及臨界性的累積效應(yīng)中發(fā)揮著巨大的作用�；陲L(fēng)險(xiǎn)和成本的優(yōu)化，過程中參數(shù)的關(guān)鍵性和關(guān)鍵性總和具有優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)觀察到，根據(jù)關(guān)鍵程度對(duì)預(yù)防活動(dòng)進(jìn)行評(píng)級(jí)可使預(yù)防活動(dòng)的總負(fù)荷較低，而風(fēng)險(xiǎn)會(huì)最小化或保持不變。
中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)提出化學(xué)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(yīng)的人工合成途徑。使用生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室只需要幾個(gè)小時(shí)就可以完成農(nóng)作物需要幾個(gè)月的合成過程；人工合成淀粉的效率約為傳統(tǒng)農(nóng)作物合成淀粉效率的8.5倍，經(jīng)核磁共振等檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)人工合成淀粉和天然淀粉分子結(jié)構(gòu)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(yīng)器合成淀粉的年產(chǎn)量相當(dāng)于我國(guó)五畝玉米地的年產(chǎn)淀粉量。
利用二氧化碳經(jīng)過11步化學(xué)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(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，一旦成熟并投入工業(yè)生產(chǎn)后，將會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，這對(duì)實(shí)現(xiàn)糧食可持續(xù)生產(chǎn)、二氧化碳轉(zhuǎn)化利用，應(yīng)對(duì)氣候變化和糧食危機(jī)等國(guó)際難題有重大意義。
