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 īn aceasta definitie au fost incluse si tehnologiile care folosesc materii prime reīnnoibile (īn primul rīnd de origine agricola) care permit economisirea resurselor fosile si nu duc la cresterea efectului de sera.
Dezvoltarea
tehnologica si obtinerea energiei trebuie realizate astfel īncīt
sa nu compromita sansele generatiilor viitoare de a
trai īntr-un mediu c 343h75d urat. Pentru aceasta, este necesar ca de la
exploatarea zacamintelor fosile sa se treaca la utilizarea
de resurse naturale reīnnoibile si
surse de energie nepoluante, īmpreuna cu reciclarea cīt mai avansata
a deseurilor. Estimarile actuale arata ca exploatarea
resurselor petroliere va creste pīna īn jur de 2014 dupa care va
scadea, iar resursele de carbuni se vor termina īn jur de 2200. Pe
līnga 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 īn special īn 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 īn 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 reīnnoibile. Este interesant de reamintit faptul ca, din punct de vedere istoric, o serie de compusi chimici erau obtinuti din plante cu mult īnainte 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: cīnepa, 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, īnlocuind 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 rīndul lor punctul de plecare pentru sinteza unui mare numar de produse chimice valoroase. Aceste sinteze au loc īn 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 atīt metaboliti primari cīt 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 īnsa dupa aceea au fost īnlocuite cu produse similare fabricate pe baza de derivati petrolieri. Exista īnsa si acum o serie de produse care se obtin īn mod curent prin procese fermentative, ca de exemplu etanolul, acidul citric, acidul lactic. Īn ce priveste compusii organici de sinteza fina, majoritatea antibioticelor se produc prin fermentatie, dar exista si o serie de alte medicamente obtinute īn mod similar.
Cīteva 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 īn industria chimica, practic orice compus chimic putīndu-se obtine pornindu-se de la etanol. O utilizare foarte importanta īn ultima perioada a devenit cea de carburant pentru motoare cu ardere interna (bioetanol).
Glicerina - reprezinta un produs secundar al fermentatiei alcoolice, dar rezulta īn 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 īn mediul de fermentatie. Acesta se leaga de acetaldehida, ultimul intermediar din calea metabolica a biosintezei etanolului si īmpiedica formarea acestuia. Ramīne īn consecinta libera o anumita cantitate de NADH2 (o coenzima) care va reactiona cu dihidroxiaceton fosfatul cu formare de glicerin-3-fosfat si īn continuare glicerina. Se obtine astfel īn mediul de fermentatie o concentratie de glicerina de pīna la 3%. Īn 1995, 85% din cantitatea de glicerina a fost produsa īn lume prin metode biotehnologice.
Acetona si butanolul - au fost produse prin fermentatie īncepīnd 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 īn primul rīnd ca solvent pentru nitroceluloza, īn 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) īn butanol si acetona prin fermentatie aeroba. Concentratia de substrat nutritiv pe care s-a realizat cultura a fost īn jur de 6-6,5%, iar randamentul maxim de solventi formati a fost de 37%, īn raport butanol/acetona/etanol de 6/3/1. Exploatarea industriala a acestui proces a fost foarte intensa īn timpul primului razboi mondial si a continuat pīna prin anii 1950, dupa care s-a oprit din cauza ca varianta petrochimica de sinteza era mai ieftina. La ora actuala īnsa metoda fermentativa este din nou īn 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 īn acest proces nu mai reprezinta un dezavantaj, īntrucīt acestea se pot trata anaerob, cu formare de biogaz
- procesul de fermentatie poate avea loc la 60°C, ceea ce īnseamna 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 reīnnoibila, glucoza, a trezit un interes deosebit īn ultimii ani. Desi polimerii pe baza de 1,3-propandiol au proprietati unice, lipsa unui procedeu chimic avantajos de sinteza a acestui compus a īmpiedicat pīna 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, īntrucāt īn mod normal acesta produce doar dihidroxiacetona ca metabolit al glucozei. A fost necesara importarea unor gene din drojdie pentru a realiza transformarea dihidroxiacetonei īn glicerina si dintr-o bacterie, Klebsiella pneumoniae, pentru transformarea glicerinei īn 1,3-propandiol. Īn acest mod, productivitatea biocatalizatorului a crescut de peste 500 de ori, iar celula de E. coli s-a transformat īntr-o mica uzina de fabricat 1,3-propandiol.
Acidul lactic - se fabrica industrial prin fermentatie cu diferite microorganisme, procedeu cunoscut īnca 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 īn zerul de la fabricarea brīnzeturilor 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 īn interiorul unor capsule sau ca strat subtire de acoperire, fie sunt eliberate direct īn mediu. Polizaharidele sunt foarte mult utilizate īn 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 īnlocui īn 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 īn industria alimentara.
Un potential foarte mare dintre polimerii produsi de microorganisme īl au cei care nu sunt de natura polizaharidica. Acestia vor putea īnlocui masele plastice produse prin procese chimice la un nivel de 150 milioane tone anual, pe primul loc situīndu-se polistirenul expandat. Problema principala a polimerilor actuali este rezistenta lor la biodegradare, ceea ce face ca reziduurile de mase plastice sa se acumuleze īn sol, lacuri si rīuri īn 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 īnlocuirea lor cu mase plastice biodegradabile, care vor putea fi metabolizate de microorganisme. La ora actuala exista o serie de asemenea compusi īn 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 īn 1926). Acesti polimeri se acumuleaza intracelular, ajungīnd la un continut de pīna la 90% din greutatea in substanta uscata a celulei, in conditii de insuficienta dintr-un nutrient esential si prezentei īn exces a sursei de carbon. Ei sunt īnmagazinati 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 īnsa au dezavantajul ca sunt casanti si au stabilitate termica scazuta, de aceea se īncearca 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 hīrtie, flacoane, pungi, etc.
B. Procese industriale curate realizate cu ajutorul biotehnologiilor
Pentru a face actualele procese din industria chimica mai curate, trebuie īndeplinite 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 reīnnoibile
reducerea sau eliminarea deseurilor, incluzīnd reciclarea energiei si a materialelor.
Cīteva exemple īn care se poate demonstra rolul biotehnologiilor pentru atingerea acestor obiective sunt:
Decontaminarea unor materii prime
Desulfurizarea petrolului - arderea produselor petroliere si carbunilor determina evacuarea īn atmosfera a oxizilor de sulf, care reprezinta principala sursa de ploi acide. Petrolul brut contine īntre 0,05-5% compusi cu sulf, īn functie de provenineta, cea mai mare parte dintre acestia reprezentīnd-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 īn 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 pīna la 60% īn petrolul brut si 80-90% īn anumite fractiuni petroliere.
Desulfurizarea carbunilor - carbunele contine sulf atīt sub forma de combinatii anorganice (sulfuri si sulfati de fier) cīt si organice (īn majoritate compusi tiofenici). Cei anorganici sunt majoritari, putīnd constitui pīna 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 īn cazul petrolului.
Procedee biocatalitice de fabricatie
Enzimele sau celulele īntregi de microorganisme pot īnlocui catalizatorii anorganici, contribuind la realizarea unor tehnologii mai curate, din urmatoarele motive:
conditiile desfasurarii reactiilor sunt mult mai blīnde, necesitīnd un consum mai redus de energie
reactiile sunt foarte specifice, cantitatea de produse secundare si deseuri rezultate fiind mai redusa
reactiile sunt īn general mai rapide
īn majoritatea cazurilor, procedeele biocatalitice utilizeaza materii prim reīnnoibile
prin inginerie genetica se pot obtine enzime cu eficienta mult mai mare decīt cele existente īn natura
un mare numar de enzime pot functiona si īn medii organice, nu numai īn apa care reprezinta mediul lor natural
Dezavantajele sistemelor biocatalitice sunt si ele destul de importante si ele au impiedicat īn multe cazuri aplicarea acestor procedee la nivel industrial:
de multe ori produsii sunt obtinuti īn 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 īn general mai redusa decīt a unui catalizator chimic
enzimele fiind proteine, pot fi atacate si distruse de microorganisme de infectie.
Un exemplu la īndemīna 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 īndepartarea eficienta a murdariilor.
Enzimele utilizate cel mai mult īn 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 īn acest mod este materie prima nu numai pentru alcool etilic ci si pentru izosirop, un īndulcitor fabricat la nivel de milioane de tone. Izosiropul este un amestec constituit īn 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.
Īn 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 īn produse utile, de exemplu biogaz si astfel sa fie valorificate. Aceste aspecte vor constitui subiectul unui capitol viitor.
|
