Biotehnologiile ca alternative de tehnologii "curate"
Conform definitiei oficiale din anul 1979 tehnologiile curate sunt tehnologii care permit reciclarea substantelor, deseurilor sau valorificarea poluantilor ca materii prime secundare. Ulterior în aceasta definitie au fost incluse si tehnologiile care folosesc materii prime reînnoibile (în primul rînd de origine agricola) care permit economisirea resurselor fosile si nu duc la cresterea efectului de sera.
Dezvoltarea
tehnologica si obtinerea energiei trebuie realizate astfel încît
sa nu compromita sansele generatiilor viitoare de a
trai într-un mediu c 343h75d urat. Pentru aceasta, este necesar ca de la
exploatarea zacamintelor fosile sa se treaca la utilizarea
de resurse naturale reînnoibile si
surse de energie nepoluante, împreuna cu reciclarea cît mai avansata
a deseurilor. Estimarile actuale arata ca exploatarea
resurselor petroliere va creste pîna în jur de 2014 dupa care va
scadea, iar resursele de carbuni se vor termina în jur de 2200. Pe
lînga reducerea resurselor, o alta problema a folosirii
combustibilor fosili este impactul asupra mediului prin efectul de sera
produs. Conform acordului de la
Biotehnologiile vor constitui baza unor tehnologii mai curate în special în urmatoarele domenii:
obtinerea de compusi chimici de tonaj mare si de sinteza fina
realizarea de procese industriale mai curate
obtinerea de energie
tratarea apelor reziduale si bioremedierea
monitorizarea mediului
agricultura
Dintre acestea, primele doua vor fi discutate în cadrul acestui capitol.
A. Produse chimice prin procedee biotehnologice
Plantele au avantajul ca utilizeaza bioxid de carbon din atmosfera ca material pentru constructia celulelor si lumina solara ca sursa de energie, deci constituie resurse reînnoibile. Este interesant de reamintit faptul ca, din punct de vedere istoric, o serie de compusi chimici erau obtinuti din plante cu mult înainte de dezvoltarea industriei petrochimice. Exemple de asemenea compusi sunt adezivi, cerneluri, coloranti, alcool etilic, compusi odoranti, compusi cu actiune farmaceutica. De asemenea o serie de plante au fost sau sunt pe cale de a fi utilizate pentru producere de fibre: cînepa, in, bambus, dar si urzici, porumb sau diferite ierburi.
La ora actuala, peste 70 de milioane tone de produse chimice se obtin anual pe baza de plante. Cum toate plantele contin zaharuri, amidon, celuloza si trigliceride, rezulta ca toti acesti compusi vor putea constitui baza pentru a obtine o mare varietate de compusi chimici, înlocuind astfel petrolul si gazele naturale ca materii prime. Astfel, zaharoza, amidonul si celuloza sunt materii prime pentru obtinerea etanolului, butanolului, glicerinei si acetonei, dar si a acidului citric si acidului acetic, iar uleiurile prin hidroliza dau acizi grasi si glicerina, toti acesti compusi constituind la rîndul lor punctul de plecare pentru sinteza unui mare numar de produse chimice valoroase. Aceste sinteze au loc în majoritatea cazurilor cu ajutorul microorganismelor.
Asa cum s-a aratat microorganismele produc o serie de metaboliti dintre care multe au valoare comerciala ridicata. Acestia pot fi atît metaboliti primari cît si secumdari. si asemenea metode fermentative au fost cunoscute de multa vreme, de exemplu prin anii 1920 se produceau pe baza de soia adezivi, cerneluri de tipar, materiale plastice, care însa dupa aceea au fost înlocuite cu produse similare fabricate pe baza de derivati petrolieri. Exista însa si acum o serie de produse care se obtin în mod curent prin procese fermentative, ca de exemplu etanolul, acidul citric, acidul lactic. În ce priveste compusii organici de sinteza fina, majoritatea antibioticelor se produc prin fermentatie, dar exista si o serie de alte medicamente obtinute în mod similar.
Cîteva exemple reprezentative de compusi organici de baza obtinuti pe cale fermentativa microbiana sunt:
Etanolul - se obtine prin fermantatia zaharurilor cu drojdii, proces cunoscut de peste 3000 de ani. Poate constitui o materie prima de baza în industria chimica, practic orice compus chimic putîndu-se obtine pornindu-se de la etanol. O utilizare foarte importanta în ultima perioada a devenit cea de carburant pentru motoare cu ardere interna (bioetanol).
Glicerina - reprezinta un produs secundar al fermentatiei alcoolice, dar rezulta în cantitati mari si ca produs secundar la hidroliza grasimilor si la fabricarea biodieselului (care nu sunt procese microbiene). Pentru a obtine cantitati mari de glicerina, calea metabolica glicolitica trebuie modificata pentru a se produce cantitati mari de glicerina si nu de alcol etilic. Acest lucru se poate realiza prin mai multe metode, cea mai cunoscuta fiind adaugarea de hidrogen sulfurat în mediul de fermentatie. Acesta se leaga de acetaldehida, ultimul intermediar din calea metabolica a biosintezei etanolului si împiedica formarea acestuia. Ramîne în consecinta libera o anumita cantitate de NADH2 (o coenzima) care va reactiona cu dihidroxiaceton fosfatul cu formare de glicerin-3-fosfat si în continuare glicerina. Se obtine astfel în mediul de fermentatie o concentratie de glicerina de pîna la 3%. În 1995, 85% din cantitatea de glicerina a fost produsa în lume prin metode biotehnologice.
Acetona si butanolul - au fost produse prin fermentatie începînd din anul 1914, fiind printre primele chimicale sintetizate la scara industriala pe cale biotehnologica. Butanolul a fost un produs foarte important pentru ca reprezenta materia prima pentru obtinerea butadienei, din care se obtine cauciucul sintetic. Acetona era importanta în primul rînd ca solvent pentru nitroceluloza, în procesul de fabricare al unor explozivi. Fabricarea industriala a acestor produse s-a bazat pe utilizarea unor bacterii din specia Clostridium acetobutylicum capabile sa transforme o serie de zaharuri (fructoza, glucoza, arabinoza, amidon, zaharoza, xiloza, maltoza, manoza) în butanol si acetona prin fermentatie aeroba. Concentratia de substrat nutritiv pe care s-a realizat cultura a fost în jur de 6-6,5%, iar randamentul maxim de solventi formati a fost de 37%, în raport butanol/acetona/etanol de 6/3/1. Exploatarea industriala a acestui proces a fost foarte intensa în timpul primului razboi mondial si a continuat pîna prin anii 1950, dupa care s-a oprit din cauza ca varianta petrochimica de sinteza era mai ieftina. La ora actuala însa metoda fermentativa este din nou în centrul atentiei, din urmatoarele motive:
- foloseste materii prime regenerabile, care vor fi accesibile si dupa epuizarea rezervelor de petrol
- prin inginerie genetica au fost create noi varietati de microorganisme care pot creste pe reziduuri de amidon si zer, iar mai nou chiar si pe celuloza
- cantitatea mare de ape reziduale care se formeaza în acest proces nu mai reprezinta un dezavantaj, întrucît acestea se pot trata anaerob, cu formare de biogaz
- procesul de fermentatie poate avea loc la 60°C, ceea ce înseamna ca solventii produsi pot fi izolati din mediul de fermentatie prin evaporare pe masura ce se formeaza.
1,3-Propandiolul - reprezinta o materie prima importanta pentru ontinerea poliesterilor si poliuretanilor, dar are si utilizari de solvent si lubrifiant. Obtinerea pe cale biotehnologica a 1,3-propandiolului dintr-o sursa de materii prime reînnoibila, glucoza, a trezit un interes deosebit în ultimii ani. Desi polimerii pe baza de 1,3-propandiol au proprietati unice, lipsa unui procedeu chimic avantajos de sinteza a acestui compus a împiedicat pîna acum dezvoltarea sa extensiva. La ora actuala se pare ca aceasta problema va fi rezolvata, deoarece s-a obtinut o tulpina de Escherichia coli recombinata la care s-a reusit cuplarea a doua cai metabolice: una pentru conversia glucozei la glicerina si a doua pentru conversia glicerinei la 1,3-propandiol. Pentru aceasta metabolismul microorganismului gazda a trebuit fundamental modificat, întrucât în mod normal acesta produce doar dihidroxiacetona ca metabolit al glucozei. A fost necesara importarea unor gene din drojdie pentru a realiza transformarea dihidroxiacetonei în glicerina si dintr-o bacterie, Klebsiella pneumoniae, pentru transformarea glicerinei în 1,3-propandiol. În acest mod, productivitatea biocatalizatorului a crescut de peste 500 de ori, iar celula de E. coli s-a transformat într-o mica uzina de fabricat 1,3-propandiol.
Acidul lactic - se fabrica industrial prin fermentatie cu diferite microorganisme, procedeu cunoscut înca din secolul XIX. Substraturile care pot fi utilizate sunt glucoza, zaharoza (din melasa), maltoza dar si lactoza, pe baza unui procedeu nou care valorifica lactoza ramasa în zerul de la fabricarea brînzeturilor folosind pentru fermentatie Lactobacillus delbrueckii. Acidul lactic este folosit ca materie prima pentru lacuri si dinerse mase plastice.
Acidul citric - se obtine din
culturi de Aspergillus
Polimeri de origine microbiana
Un mare numar de microorganisme sunt capabile sa produca o mare diversitate de polizaharide. Aceste se regasesc fie în interiorul unor capsule sau ca strat subtire de acoperire, fie sunt eliberate direct în mediu. Polizaharidele sunt foarte mult utilizate în indistrie ca adezivi, gume, agenti de gelifiere, stabilizatori sau agenti de legare. Un mare numar de polizaharide sunt extrase din plante sau alge, de exemplu: amidon, alginat, agar, carrageenan. Dintre polizaharidele de origine microbiana singurul fabricat la ora actuala la nivel industrial este xantanul, dar exista si o serie de alti asemenea produsi care vor înlocui în perioada urmatoare polimerii obtinuti pe baza de materii prime petrochimice.
Xantanul - este produs de microorganismul Xanthomonas campestris si are un schelet de baza format din molecule de glucoza de care sunt legate catene laterale de D-manoza si acid D-glucuronic. Se produce la un nivel de peste 20.000 tone annual si este utilizat mai ales în industria alimentara.
Un potential foarte mare dintre polimerii produsi de microorganisme îl au cei care nu sunt de natura polizaharidica. Acestia vor putea înlocui masele plastice produse prin procese chimice la un nivel de 150 milioane tone anual, pe primul loc situîndu-se polistirenul expandat. Problema principala a polimerilor actuali este rezistenta lor la biodegradare, ceea ce face ca reziduurile de mase plastice sa se acumuleze în sol, lacuri si rîuri în cantitate de 25 de milioane tone anual. Reciclarea lor este limitata ar incinerarea duce la producerea de gaze toxice. Problema va putea fi rezolvata prin înlocuirea lor cu mase plastice biodegradabile, care vor putea fi metabolizate de microorganisme. La ora actuala exista o serie de asemenea compusi în faza de cercetare, de exemplu polihidroxialcanoati, polilactide, poliesteri alifatici, etc.
Polihidroxialcanoatii - sunt de diverse tipuri, cei mai cunoscuti fiind polihidroxibutiratii, produsi de un foarte mare numar de specii bacteriene, printre care Bacillus megaterium (in care au fost descoperiti în 1926). Acesti polimeri se acumuleaza intracelular, ajungînd la un continut de pîna la 90% din greutatea in substanta uscata a celulei, in conditii de insuficienta dintr-un nutrient esential si prezentei în exces a sursei de carbon. Ei sunt înmagazinati sub forma de granule in interiorul celulelor si au rolul de rezerva de carbon a microorganismului respectiv. Polihidroxialcanoatii pot fi produsi pe seama unei game largi de substraturi cum ar fi resurse regenerabile ( zaharoza, amidon, celuloza, trigliceride), produse secundare (melasa, zer, glicerina) sau chimicale (acid propionic, acid 4-hidroxibutiric). Cei mai importanti polihidroxialcanoati sunt polihidroxibutiratii, polimeri ai acidului 3-hidroxibutiric, care însa au dezavantajul ca sunt casanti si au stabilitate termica scazuta, de aceea se încearca obtinerea unor copolimeri care sa aiba proprietati mai bune. Astfel, prin adaugare de acid propionic la mediul de cultura s-a obtinut un copolimer poli(3-hidroxibutirat-co-3-hidroxivalerat) cu flexibilitate mult mai mare, care a fost produs la nivel industrial sub denumirea comerciala Biopol si a fost folosit pentru fabricarea de filme, folii pentru hîrtie, flacoane, pungi, etc.
B. Procese industriale curate realizate cu ajutorul biotehnologiilor
Pentru a face actualele procese din industria chimica mai curate, trebuie îndeplinite urmatoarele obiecive:
consum mai redus de energie
consum mai redus de materii prime, iar acestia sa nu contina compusi toxici pentru mediu si sa fie reînnoibile
reducerea sau eliminarea deseurilor, incluzînd reciclarea energiei si a materialelor.
Cîteva exemple în care se poate demonstra rolul biotehnologiilor pentru atingerea acestor obiective sunt:
Decontaminarea unor materii prime
Desulfurizarea petrolului - arderea produselor petroliere si carbunilor determina evacuarea în atmosfera a oxizilor de sulf, care reprezinta principala sursa de ploi acide. Petrolul brut contine între 0,05-5% compusi cu sulf, în functie de provenineta, cea mai mare parte dintre acestia reprezentînd-o dibenzotiofenul sau derivati subsituiti ai acestuia. Desulfurizarea se poate face prin mai multe metode, ca de exemplu prin tratament cu hidrogen la presiuni si temperaturi ridicate. Desulfurizarea biologica este posibila si ea se desfasoara în conditii mult mai avantajoase. Exista o serie de microorganisme din genurile Rhodococcus, Agrobacterium, Klebsiella, Nocardia, etc., care pot degrada dibenzotiofenul. Prin biodesulfurizare se poate ajunge la un grad de desulfurizare de pîna la 60% în petrolul brut si 80-90% în anumite fractiuni petroliere.
Desulfurizarea carbunilor - carbunele contine sulf atît sub forma de combinatii anorganice (sulfuri si sulfati de fier) cît si organice (în majoritate compusi tiofenici). Cei anorganici sunt majoritari, putînd constitui pîna la 6% din greutatea carbunilor bituminosi. Exista diverse metode pentru eliminarea sulfurilor din carbunele utilizat pentru producerea energiei la centralele termice, ele fiind concentrate pe reducerea oxizilor de sulf din gazele de ardere, dar aceste solutii tehnologice sunt scumpe si nu pot fi aplicate peste tot. Sulful poate fi oxidat pe cale aeroba de anumite microorganisme chemolitotrofe ca Thiobacillus ferrooxidans sau Thiobacillus thioooxidans. Compusii organici cu sulf pot fi de asemenea degradati de microorganisme, aatat în cazul petrolului.
Procedee biocatalitice de fabricatie
Enzimele sau celulele întregi de microorganisme pot înlocui catalizatorii anorganici, contribuind la realizarea unor tehnologii mai curate, din urmatoarele motive:
conditiile desfasurarii reactiilor sunt mult mai blînde, necesitînd un consum mai redus de energie
reactiile sunt foarte specifice, cantitatea de produse secundare si deseuri rezultate fiind mai redusa
reactiile sunt în general mai rapide
în majoritatea cazurilor, procedeele biocatalitice utilizeaza materii prim reînnoibile
prin inginerie genetica se pot obtine enzime cu eficienta mult mai mare decît cele existente în natura
un mare numar de enzime pot functiona si în medii organice, nu numai în apa care reprezinta mediul lor natural
Dezavantajele sistemelor biocatalitice sunt si ele destul de importante si ele au impiedicat în multe cazuri aplicarea acestor procedee la nivel industrial:
de multe ori produsii sunt obtinuti în solutii diluate, pentru ca o concentratie mare de substrat sau produs poate inhiba enzima
costul enzimelor este ridicat
durata de utilizare a unui biocatalizator este în general mai redusa decît a unui catalizator chimic
enzimele fiind proteine, pot fi atacate si distruse de microorganisme de infectie.
Un exemplu la îndemîna de utilizare pe scara larga a enzimelor este industria detergentilor. Toti detergentii actuali contin trei tipuri de enzime: o amilaza, o lipaza si o proteaza, care au permis reducerea temperaturilor de spalare si îndepartarea eficienta a murdariilor.
Enzimele utilizate cel mai mult în lume la ora actuala sunt amilazele: a-amilaza si amiloglucozidaza, folosite pentru hidroliza amidonului la glocoza si alte zaharuri fermentescibile, care reprezinta materii prime pentru fabricarea alcoolului etilic de fermentatie. Glucoza obtinuta în acest mod este materie prima nu numai pentru alcool etilic ci si pentru izosirop, un îndulcitor fabricat la nivel de milioane de tone. Izosiropul este un amestec constituit în cea mai mare parte din fructoza si glucoza si se obtine prin izomerizarea partiala a glucozei la fructoza cu ajutorul unei enzime numite glucozizomeraza. Fructoza are avantajul fata de glucoza ca este de aproximativ doua ori mai dulce si are gust mai placut.
În industria chimica cea mai importanta utilizare a biocatalizei este hidroliza acrilonitrilului la acrilamida folosind enzima nitrilaza. Acrilamida este materia prima pentru fabricarea poliacrilamidei, unul dintre polimerii cei mai importanti pentru fabricarea de fire si fibre artificiale.
Degradarea si reciclarea deseurilor
Acest domeniu reprezinta una dintre cele mai importante aplicatii ale biotehnologiilor. Epurarea biologica a apelor reziduale constituie nu numai o etapa indispensabila pentru a evita poluarea mediului, dar ofera si posibilitatea ca deseurile industriale sau menajere sa fie transformate în produse utile, de exemplu biogaz si astfel sa fie valorificate. Aceste aspecte vor constitui subiectul unui capitol viitor.
|
