선레진 - 합성 생물학에서 흡착 및 분리 기술의 응용

1. 합성생물학이란 무엇인가

'제3차 생명공학 혁명'의 주요 동력으로 알려진 합성생물학은 21세기에 새롭게 떠오르는 융합 학문 분야입니다. 합성생물학의 핵심은 세포가 인간에게 필요한 기능을 수행하고 원하는 물질을 생산하도록 만드는 것입니다. 이 기술을 통해 우리 일상생활에서 접하는 많은 제품들을 생물학적 방법을 이용해 합성할 수 있게 되었습니다.

합성생물학은 생물 시스템의 설계, 구축 및 응용에 중점을 둔 새로운 융합 학문 분야입니다. 공학, 생물학 등 다양한 분야의 지식과 방법을 결합하여 생체 분자 및 생물학적 반응과 같은 자연계의 기존 생물학적 메커니즘과 기술을 활용하는 것을 목표로 합니다. 생물 시스템을 설계 및 구축하고, 제어 가능한 유전자 조절 네트워크를 설계함으로써 세포 내 분자 수준에서 체계적인 생물학적 조절을 실현합니다.

2. 탄소 중립 달성에 있어 합성 생물학의 큰 잠재력

합성생물학적 제조는 유망한 친환경 생산 방식이며, 지구 온난화와 여러 국가의 탄소 중립 목표 설정으로 인해 잠재적으로 최적의 해결책 중 하나로 자리매김하고 있습니다. 합성생물학적 제조는 산업 공정에서 에너지 및 자재 소비를 줄이고, 폐기물 배출과 대기, 수질, 토양 오염을 감소시키는 동시에 생산 비용을 크게 절감하고 산업 경쟁력을 향상시킬 수 있습니다.

전 세계적 및 국가적 차원에서 '탄소 중립'을 옹호하는 움직임이 일고 있는 가운데, 합성생물학은 의심할 여지 없이 매우 훌륭한 해결책을 제시합니다. 2014년 경제협력개발기구(OECD)는 '합성생물학의 새로운 정책 과제'라는 보고서를 발표하며, 미래에는 화학제품 및 기타 산업 제품의 35%가 생물학적 제조 방식을 통해 생산될 수 있다고 예측했습니다.

선레진이 보유한 흡착 및 분리 기술은 환경 친화성, 높은 자동화 수준, 우수한 조작 정확도를 자랑하는 고효율 분리 및 정제 플랫폼 기술입니다. 흡착 및 분리 기술 분야의 세계적인 선도 기업으로서, 선레진은 20년 이상 축적해 온 연구 개발 성과와 기술적 우위를 국가 탄소 중립 목표 달성과 연계하여, 탄소 중립 및 이중 탄소 목표 달성에 기여하고, 후속 응용 공정의 최적화 및 고도화를 지원하는 방안을 적극적으로 모색하고 있습니다.

3. 합성생물학 분야에서의 흡착 및 분리 기술의 응용

합성생물학적 제품 생산 과정에서 원료는 미생물 발효를 통해 목표 생성물로 전환되며, 이 생성물은 발효액에 존재합니다. 합성생물학적 제품의 생산 및 응용을 제한하는 핵심 요소는 목표 생성물의 분리 및 정제입니다.

현재 분리 및 정제 공정에서는 등전점 결정화, 이온 교환(고정층), 막 분리 등의 방법이 주로 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 방법들은 목표 생성물의 수율이 낮고, 화학 시약 소모량이 많으며, 폐수 배출량이 많아 환경 오염을 유발하는 등의 문제점을 가지고 있습니다.

선레진은 발효액의 분리 및 정제를 위한 다양한 분리 소재를 개발했으며, 다양한 사용 사례에 맞는 응용 공정 및 시스템 장비를 개발하여 고객에게 종합적인 솔루션을 제공합니다.

3.1 담수화, 탈색 및 단백질 제거:
양이온 수지와 음이온 수지가 결합된 이온 교환 수지는 일반적으로 전도도를 목표 수준까지 낮추는 데 사용됩니다. 강산성, 약산성, 강염기성 및 약염기성 수지는 산 및 알칼리 안정성, 수지 보유율과 같은 재료의 특성에 따라 사용됩니다.

탈색에는 일반적으로 강염기성 음이온 교환 수지 또는 큰 기공의 흡착 수지가 사용됩니다. 이러한 수지는 일부 단백질도 제거할 수 있습니다.

3.2 제품 및 불순물의 흡착:
특정한 작용기를 가진 수지는 제거를 위해 목표 물질 및 불순물에 선택적으로 결합하는 데 사용될 수 있습니다. 일반적으로 흡착에는 기공 크기가 큰 흡착 수지와 이온 교환 수지가 사용되며, 이후 용매 또는 산-염기 분석이 수행됩니다.

3.3 크로마토그래피 분리:
이온 교환 수지 또는 대공극 수지는 일정 용량으로 생성물과 불순물을 흡착하는 데 사용됩니다. 불순물은 단계적 세척을 통해 제거되고, 생성물은 중간 농도의 용매 또는 산염기 용액으로 분석됩니다. 수지는 고농도의 용매 또는 산염기 용액으로 재생됩니다.

3.4 크로마토그래피 분리:

3.4.1 담수화, 불순물 제거, 탈색 및 모액 회수를 위한 연속 크로마토그래피 SSMB;

3.4.2 중고압 분취 크로마토그래피.

4. 부탄다이오산의 합성생물학적 응용 

부탄다이오산의 하류 응용 분야는 주로 PBS 및 BDO 합성입니다. '이중 탄소' 정책의 배경에서 생분해성 플라스틱은 바이오 기반 생분해성 플라스틱으로 전환되고 있으며, 이는 바이오 기반 PBS에 대한 미래의 점진적인 시장 성장을 가능하게 합니다. BDO는 이미 거대한 시장을 형성하고 있지만, 현재의 생산 방식은 '이중 탄소' 개념에 부합하지 않습니다.

PBS 및 BDO 합성과 같은 하류 수요에 힘입어 부탄다이오산, 특히 합성생물학적 방법을 통해 생산된 부탄다이오산에 대한 잠재적 수요는 엄청납니다. 전통적인 화학적 방법으로 부탄다이오산을 생산하는 데에는 용량 확장에 한계가 있는 반면, 합성생물학적 방법은 이미 비용 효율성이 입증되어 미래 발전 추세로 자리매김하고 있습니다. 앞으로 합성생물학적 방법을 통해 생산된 부탄다이오산은 막대한 하류 수요를 충족시킬 것입니다.

부탄다이오산의 화학적 합성 방법 (I)

화학적 합성 방법 I: 전기화학적 방법, 전기화학적 산화환원 반응을 통해 부탄다이오산을 합성하는 방법.

주요 단점은 높은 에너지 소비량뿐 아니라 정책적 제약, 높은 장비 비용, 복잡한 장비 작동 등의 요인으로 인해 대규모 산업 생산에 적용하는 데 한계가 있다는 점입니다.

부탄다이오산의 화학적 합성 방법(II)

말레산 무수물의 수소화 반응은 촉매 존재 하에 시스-부텐디온산 무수물을 수소로 수소화하여 부탄디온산을 생성하는 과정이다.

이 반응은 특정 온도와 수소 압력에서 진행됩니다. 이 공정 개발에 영향을 미치는 주요 제한 요소로는 과도한 탄소 배출, 순도 및 회분 불순물 수율, 니켈 또는 기타 귀금속 촉매의 선택 등이 있습니다.

부탄다이오산의 합성 생물학적 공정

부탄다이오산의 합성생물학적 공정은 친환경적인 생산 방법입니다.

효모나 대장균과 같은 미생물의 대사 공학에 미생물 균주를 사용하는 것은 그 과정 자체가 지속 가능하고 재생 가능하며, 환경 오염을 크게 줄이고 지속 가능한 발전을 위한 더 나은 해결책을 제공합니다.

생물학적 합성 과정에서 균주는 유전적으로 변형 및 조절될 수 있으며, 혐기성 환경에서의 인공 진화를 통해 성능을 최적화하여 부탄다이오산의 최고 수율을 달성하는 최적의 균주를 선택할 수 있습니다. 이는 더 높은 순도의 제품을 생산하고 화학적 오염을 방지하는 결과를 가져옵니다.