نقش مهندسي شيمي در بيوتکنولوژي

پست شده به بخش مهندسي شيمي, بيو تکنولوژي در ساعت 8:54 ق.ظ توسط مدير سايت

بسته به تعريفي كه از بيوتكنولوژي داريم، بيوتكنولوژي مي تواند به عنوان يكي از قديمي ترين تكنولوژي هاي صنعتي يا يكي از  جديدترين تكنولوژي ها مورد توجه قرار گيرد. با وجود اين براي مهندسي شيمي مسالة اصلي مقياس عملياتي مي باشد. در بيوتكنولوژي جديد، اغلب محصولات داراي ارزش بالا بوده و به حجم كمي از آنها نياز است؛ البته صنايع بيولوژيك با حجم توليد زياد نيز همچنان داراي اهميت مي باشد. اما تفاوت هاي كليدي بين فريندهاي بيولوژيك و فرآيندهاي شيميايي وجود دارد كه بايستي نقش مهندسي شيمي را با توجه به اين تفاوت ها مورد بازبيني قرار داد. در اين مقاله كه از مجله  The Chemical Engineering Journal, 50 B9-B16 انتخاب و ترجمه شده است، فرآيندهاي بيوتكنولوژي متداول با فرآيندهاي شيميايي مشابه مقايسه شده و نقش مهندسي شيمي در طراحي و توسعه فرآيند مورد نظر مورد بررسي قرار گرفته است: 

همان طور كه صنايع شيميايي تا مدت زيادي فقط توسط شيميست‌ها (و نه مهندسان شيمي) مورد بررسي قرار مي گرفت، فرآيندهاي زيستي نيز هنوز توسط ميكروبيولوژيست‌هاي صنعتي مورد بررسي قرار مي گيرد. بنابراين بسياري از حوزه هاي بيولوژيكي وجود دارد كه در آنها مي توان به وسيلة كاربرد مفاهيم سادة مهندسي، فرايندهاي بيولوژيكي را توسعه داد.

روند تحول مفهوم بيوتكنولوژي از نظر مهندسان شيمي

اگر چه بيوتكنولوژي يك تكنولوژي نوين محسوب مي شود، اما مي توان به عنوان يكي از قديميترين تكنولوژي‌هاي صنعتي نيز از آن ياد كرد. براي مهندسان بيوشيمي، استفادة صحيح از ميكروارگانيزم ها براي توليد آبجو، مشروب و پنير، از قديم مطرح بوده است. همچنين تصفية بيولوژيكي پسمانده ها و پساب ها نيز مطرح بوده است كه جزو بيوتكنولوژي محسوب مي شود.

حتي خود كلمه بيوتكنولوژي نيز آنطور كه تصور مي شود جديد نيست. اين كلمه در ابتدا در يك كتاب و در سال 1919 توسط يك مجاري بنام Erkey مطرح شد. در اين كتاب همة خطوط كاري توليد محصولات توسط ميكروارگانيزمها توضيح داده شده است. اين موضوع بطور مشخص براي كشاورزي مطرح شد، اما در حدود همان زمان بود كه chaim wiezman (از دانشگاه منچستر) يك فرايند صنعتي را براي توليد انبوه استون توسعه داده بود كه اين عمل توسط فرمانتاسيون صورت مي گرفت. اين فرآيند با تعريفي كه به وسيلة Erkey ارائه شده بود منطبق بود.

با پيشرفت بيوتكنولوژي مفهوم آن نيز تغيير پيدا كرد تا اينكه مترادف با تكنولوژي تخمير شد. اين تعريف از بيوتكنولوژي در يك مقالة چاپ شده در مجلة جديد بيوتكنولوژي و مهندسي زيستي توسط Elmer Gaden Jr. در سال 1962 مطرح شد. تعريف اساساً مشابهي نيز هنگامي‌كه اتحادية بيوتكنولوژي اروپا تاسيس شد مورد استفاده قرار گرفت. اما درست 1 سال بعد، اين كلمه (بيوتكنولوژي) مجدداً داخل يك نشرية مهندسي ژنتيك تعريف شد تا توسعة علمي و اقتصادي در زمينة ژنتيك را تشريح نمايد. تعريف اخير تعريفي است كه مورد توجه كميسيون علائم تجاري آمريكا قرار گرفت و به‌دليل تفاوت زياد با تعريف قبلي به صورت يك علامت تجاري (Trade Mark) مورد استفادة آن مجله مهندسي ژنتيك قرار گرفت.

رفته رفته با ارائه نتايج و محصولات مهندسي ژنتيك، تمايز بين اين دو تعريف از بين رفت و بنابراين زماني كه كلمة بيوتكنولوژي مورد استفاده قرار مي گيرد روشن نيست كه آيا علم دست كاري ژنتيكي مورد نظر است يا استثمار صنعتي سيستم هاي زنده مد نظر است. بنابراين از نظر اقتصادي براي مهندسي شيمي صورت كليدي در فرآيندهاي بيوتكنولوژي صنعتي، استفاده از ارگانيزم‌هاي زنده براي توليد محصولات مناسب مي باشد. با اين وجود تفاوت عمده اي بين بسياري از محصولات بيوتكنولوژي جديد و محصولات بيوتكنولوژي قديمي وجود دارد. 

تفاوت بيوتكنولوژي جديد و قديم براي مهندسي شيمي: در بيوتكنولوژي جديد اغلب محصولات، داراي ارزش بالا مي باشند كه به مقادير كمي از آنها نياز است (معمولاً براي اهداف تشخيصي يا پزشكي)؛ در حالي كه در بيوتكنولوژي قديمي عموماً محصولات داراي ارزش كم تا متوسط توليد مي شوند و مقادير آنها طوري است كه به تجهيزات فرآيندي با مقياس بزرگ نياز است.

محصولات بيوتكنولوژي قديمي، با فرآيندهاي با مقياس نسبتاً بزرگ، نقش نسبتاً قديمي را براي مهندسي شيمي بوجود مي‌آورند. آنها با مسائل مشابهي نظير مكانيك سيالات، انتقال جرم و حرارت و فرآيندهاي واكنش و جداسازي روبرو هستند كه اين مسائل در متن مهندسي شيمي قرار دارد. البته تفاوت اساسي، در سيستم هاي زنده اي است كه به كار مي رود. بنابراين يك مهندس شيمي كه در اين زمينه مشغول فعاليت است، تنها بايد دانشي از فرآيندهاي زيستي را توأم با دانش خود كند. اين موضوع مختص مهندس بيوشيمي است.

در مقابل، مسائلي كه با فرآيندهاي بسيار كوچك بيوتكنولوژي همراه است، در حوزه هاي قديمي مهندسي شيمي قرار نمي گيرند و بسياري از آنها داراي فرآيندهاي منحصر به فرد هستند. در غالب اين موارد، بدليل كوچك بودن مقياس مورد استفاده، بازدهي يك مسأله مهم نيست و لذا نقش مهندسي شيمي در اين موارد خيلي مشخص نيست. تقريباً اغلب اين فرآيندها به بيوتكنولوژيست مربوط مي‌شود تا مهندس بيوشيمي. 

دلايل توسعة آيندة فرآيندهاي بيوتكنولوژي:

هيچ شكي نيست كه صنعت بيوتكنولوژي رو به رشد خواهد بود (اگر چه راهي طولاني براي آن وجود دارد) تا تسلط پيش بيني شدة آن بر صنايع شيميايي رايج تحقق يابد.

يكي از دلائل اصلي براي اطمينان از اين توسعة مداوم، آن است كه فرآيندهاي بيوتكنولوژي برمبناي منابع تجديد پذير استوار هستند. در نتيجه اين مورد زماني اهميت پيدا خواهد كرد كه مواد خام تجديدنا پذير معمولي رو به اضمحلال هستند. بنابراين همة محصولات از مواد هيدروكربني تجديد پذير توليد خواهند شد؛ به خصوص آنهايي كه پساب‌هاي صنايع غذايي و كشاورزي را تشكيل مي دهند (به عنوان مثال انبوهي از زايدات غذايي). اين پسمانده ها، سوبستراهاي (منبع غذايي) ايده آلي براي فرآيندهاي بيولوژيكي مهيا مي كنند. اقتصادي بودن تبديل اين پسمانده ها به وسيلة روش هاي بيوتكنولوژي بيشتر از فرآيندهاي شيميايي بوده است.

علاوه بر اين اخيراً ملاحظات سياست جهاني بر آن بوده است كه تا جائي كه ممكن است محصولات از طبيعت (natural-production) توليد شوند و اين بطور ضمني دلالت بر اين دارد كه توليد از روش بيولوژيكي تقريباً در هر جايي كه شدني و مناسب باشد ترجيح داده شود.

دليل ديگر براي گسترش مداوم بيوتكنولوژي، حوزة روبه رشد محصولات باارزشي است كه از روش‌هاي بيولوژيكي قديمي و يا دست ورزي ژنتيكي توليد مي شود. محدودة كاملي از محصولات ممكن كه از روش بيوتكنولوژي قابل توليد هستند شناخته شده است. به عنوان مثال، هم اكنون رشد سلول‌هاي بافت انساني در كشت انبوه و در تجهيزات فرمانتاسيون ساده به طور روتين انجام مي شود. محصولات ممكن اين بافت‌ها هم اكنون تحت بررسي است.  

مقايسة حوزه هاي مختلف فرايندهاي بيوتكنولوژيكي

جدول 1، حوزه هاي تقريبي فرآيندهاي بيوتكنولوژيكي را نشان مي دهد. علاوه بر محصولات حاصل از صنايع بيولوژيكي سنتي نظير مشروبات الكلي، غذاهاي تخميري، آنزيم‌ها، آنتي بيوتيك‌ها و تصفيه پساب‌ها محصولات ديگري نيز وجود دارند. بسياري از محصولات با ارزش بالا كه در جدول 1 آمده است به‌ويژه آنهايي كه مواد شيميايي مورد نياز در آنها مقادير بسيار كمي هستند، اغلب در حد چند كيلوگرم در سال مي باشند و تقريباً براي توسعة آنها جنبه اقتصادي توليد، يك عامل محدودكننده نمي باشد.

جايگزين هاي محصولات طبيعي از جمله پروتئين تك ياخته (SCP)، در صورت موفقيت، متقابلاً بايد با محصولات پروتئيني كشاورزي معمولي رقابت كنند. در عوض زماني كه دسترسي به نفت آسان است، جايگزين‌هاي توليد سنتزي محصولات شيميايي نظير اسيدهاي آلي و حلال‌ها درصورتي امكان پذير است كه از نظر اقتصادي پيشرفتي صورت گرفته باشد. در اين مورد بايد احتمالاً منتظر از بين رفتن اين مادة خام بود.

همچنين جايگزين‌هاي محصولات پتروشيمي نظير الكل‌هاي سوختي كه در مقياس وسيع توليد مي شوند بايد در مقياس خيلي بيشتري نسبت به آنچه كه فعلاً براي فرايندهاي بيولوژيكي قابل اجرا است توليد شوند تا اينكه اقتصادي و مقرون به صرفه باشند (به غير از تصفية پسمانده ها).

آخرين گروه در جدول 1 بيشترين چالش را براي مهندس بيوشيمي ايجاد نموده است و در دهه هاي قرن اخير هنوز صنعت بيوتكنولوژي در اين مورد قابل مقايسه با صنعت شيميايي بوده است. در اين حوزه عموماً بيوتكنولوژيست‌ها به جاي مهندسان وارد عمل مي شوند و به شدت برتكنيك‌هاي Black-art (كه تخصص بيوتكنولوژيست هاست) تكيه مي شود. اين تكنيك ها شايد براي محصولات با ارزش بالا و مقياس پايين كه راه ديگري براي توليد به روش بيوتكنولوژيكي ندارند كافي باشد اما براي مواردي كه در آنها فرايندهايي با مقياس بزرگ بكار مي رود، ناكافي مي باشد؛ چرا كه مسائل اقتصادي تعيين كننده بوده و از لحاظ مهندسي تأثير هزينه مي تواند به معناي تفاوت بين شكست و پيروزي باشد. 

متاسفانه بسياري از مهندسان بيوشيمي با توسعة بيوتكنولوژي به سمت بيوتكنولوژيست شدن حركت كرده اند كه در آن تحقيقات تكنولوژيكي بر محور توليد متمركز شده و زمينه هاي وسيع مهندسي فرايند را رها كرده اند. البته درحالي كه جايگاه مهمي براي بيوتكنولوژيست‌ها در توسعه صنعت وجود دارد، روشن است كه نقش مهندسي شيمي در بيوتكنولوژي بايد همان نقش مهندسي بيوشيمي باشد، نه بيوتكنولوژيست. 

تفاوت اصلي فرايندهاي زيستي با فرايندهاي شيميايي:

اگر چه برخي فرايندهاي بيوتكنولوژيكي اساساً مشابه با فرايندهاي شيميايي هستند و داراي سه مرحله اصلي يعني آماده سازي مواد خام، واكنش و بازيافت محصول مي باشند، اما تفاوت‌هاي بسيار مهمي نيز دارند. مهمترين اين تفاوت‌ها اغلب در تعداد نامحدود محصولاتي مي باشد كه ممكن است از يك مادة خام به‌دست آيد؛ به‌دليل آنكه اين ماده خام صرفاً يك منبع غذايي (سوبسترا) براي رشد ميكروارگانيزم‌ها است.

معمولاً محصولات مورد نظر، فقط زائدات فرايند رشد ميكروبي هستند. در نتيجه واكنش از پيش تعيين‌شده اي بر مبناي يك گروه به‌خصوص از واكنش دهنده ها وجود ندارد. قانون حاكم اين است كه محصول، تابع ميكروارگانيزم‌هايي است كه براي انجام واكنش انتخاب مي‌شوند. حتي اين نيز ويژگي مورد نظر را تضمين نمي كند؛ زيرا همان ميكروارگانيزم‌ها كه در يك سوبسترا رشد مي كنند، ممكن است به عنوان مثال اتانول، اسيد لاكتيك، آنزيم به‌خصوص يا يك آنتي بيوتيك توليد كنند. فقط كنترل دقيق شرايط فيزيكي يا انتخاب و زمان‌بندي برخي شرايط اطمينان خواهد داد كه محصول مطلوب همان محصولي است كه توليد مي شود. جزء كليدي مخلوط واكنش (ميكروارگانيزم)، هم كاتاليزور واكنش است و هم محصول واكنش؛ كه در شروع واكنش به سادگي و به ميزان زيادي فراهم مي شود.

براي اطمينان از صحيح بودن ميكروارگانيزم انتخاب شده و يا محصولي كه توليد مي شود، بايد سوبسترا حاوي مقدار كمي از ميكروارگانيزم انتخاب شده در محيط كشت باشد و بنابراين از رقابت ساير ميكروارگانيزم‌ها ممانعت مي گردد. مهمتر از اين، اشكال ديگر زندگي ميكروبي نيز مي باشد كه بايد از سوبسترا حذف شوند. زيرا رقابت مستقيمي را با

ميكروارگانيزم‌هاي مورد نظر خواهند داشت و گاهي با احتمال و موفقيت بيشتري تكثير مي يابند. با استفاده از استريليزاسيون سوبسترا، جداسازي آنها از رقابت كننده‌ها امكان پذير است كه اين مورد بايد در سرتاسر واكنش دنبال شود.

از آنجا كه عمدة محصولات بيوتكنولوژي جديد، داراي ارزش فوق العاده زياد و حجم كم مواد بيوشيميايي است، بنابراين فرآيندهاي بازيافت (جداسازي) براي اين محصولات ممكن است به دليل مقادير كم مورد استفاده، نسبتاً هزينه‌بر و با صرف انرژي زياد صورت گيرد. همچنين براي به حداقل رساندن اتلاف محصول با ارزش فراوان، بايد بازدهي بالايي را در نظر گرفت. اين مورد با فرايندهاي بيولوژيكي قديمي‌تر صنايع غذايي و نوشيدني، آنتي بيوتيك ها و محصولات دارويي با ارزش متوسط و تصفية فاضلاب در تضاد مي باشد. 

تفاوت فرايندي واكنش هاي شيميايي و بيولوژيكي از نظر شرايط واكنش:

اغلب واكنش هاي بيولوژيكي به طور قابل توجهي آهسته تر از واكنش‌هاي شيميايي انجام مي شوند. برخلاف صنايع شيميايي كه در آنها فرايندهاي مداوم ترجيح دارد، عموماً اين واكنش‌هاي بيولوژيكي به صورت عمليات ناپيوسته (batch) صورت مي گيرند. اغلب واكنش‌هاي بيولوژيكي توسط غلظت‌هاي پايين محصول ممانعت مي شوند و اين خود دليل ديگري براي ارجح بودن عمليات ناپيوسته (batch) مي باشد. همچنين برخلاف اغلب واكنش‌هاي شيميايي، سرعت واكنش‌هاي بيولوژيكي نمي تواند با افزايش دما و فشار افزايش يابد و اغلب بايد در تحت شرايط نسبتاً ملايم و نزديك به دماي محيط انجام شوند. محصولات مورد نظر نيز با گرما ناپايدار هستند و براي جلوگيري از تخريب آنها بايد انجام واكنش در تحت شرايط نسبتاً ملايم صورت گيرد. با وجود اين تفاوت‌ها در فرايندهاي بيولوژيكي و فرايندهاي شيميايي معمولي، بسياري از حوزه ها وجود دارند كه يك مهندس بيوشيمي براي طراحي و اجراي عمليات فرايندهاي بيولوژيكي مي تواند نقش داشته باشد. 

نتيجه:

مطالب بالا به برخي از شيوه هايي متعددي كه در آنها مهندس فرايند يا شيمي در توسعه صنعتي بيوتكنولوژي مي تواند نقش داشته باشد اشاره نمود. چالش‌هاي فراواني براي مهندس شيمي در بيوتكنولوژي وجود دارد كه بسياري از آنها هنوز بوجود نيامده‌اند. حوزه هايي وجود دارند كه در آن مهندس و بيوتكنولوژيست بايد با يكديگر همكاري كنند تا اولاً مشكلات را مشخص كنند و ثانياً راه حل ها را پيدا نمايند.

عموماً در مقايسه با فرايندهاي شيميايي، فرايندهاي بيولوژيكي، در سرعت‌هاي حجمي و غلظت‌هاي توليدي پايين صورت مي‌گيرند. ممكن است بابكار بردن برخي از روش ها (به‌عنوان مثال، استفاده از تثبيت سلولي) فرآيند را بهبود داد. اما اين مورد نيز داراي محدوديت است زيرا برخي ميكروارگانيزم‌ها ممكن است شامل ويژگي هاي فيزيولوژيكي و فيزيكي ايده آل براي تثبيت نباشند؛ به خصوص در آنجا كه رشد و حيات براي توليد نقش اساسي دارد. ممكن است برخي روش‌ها نيز جهت بهبود سرعت بكار روند؛ مثلاً سلول‌ها بتوانند براي چسبيدن به سطح، يا براي ارائه محصولات داخل سلولي يا خارج سلولي يا براي رهاسازي محصولات بعد از برانگيختن، مطابق با نيازهاي كلي فرايند، مهندسي شوند.

اكثر فرايندهاي تخميري كه از لحاظ تجاري بزرگ مقياس موفق بوده اند مقادير نسبتاً كمي را توليد كرده اند. اين فرايندها، فرايندهايي بوده اند كه به صورت غيراستريل كار كرده اند. در بخش استريليزاسيون و نگهداري، هزينه ها (اعم از عملياتي يا سرمايه اي) قابل توجه هستند و هر فرايندي كه بتواند اين مراحل را نداشته باشد براي آن يك مزيت بحساب مي آيد. اين مورد مي تواند توسط دست ورزي ژنتيكي صورت گيرد تا مزيت‌هاي مشابهي را به اين گونه هاي ضعيف تر ببخشد.

همچنين فرايندهاي با مقياس بزرگ و با موفقيت بيشتر فرايندهايي هستند كه شرايط فرايندي پايين دستي نسبتاً ساده دارند. اگرچه اخيراً توجهات بسياري بر روي Scale up فرايندهاي جداسازي خاص شده است (بر مبناي تكنيك‌هاي قابل دسترس در آزمايشگاه تجزيه) اما تقريباً گران بوده و بنابراين به محصولات با ارزش بسيار بالا محدود مي شوند. توسعه فرايندهاي جداسازي كم هزينه يا از نظر ديگر تخميرهايي كه نياز به فرايندهاي پايين‌دستي كمتري دارند، هنوز براي مهندسي شيمي و بيوتكنولوژيست به طور يكسان به‌صورت يك چالش باقي مانده است.

نهايتاً شايد بيشترين مساله براي مهندسي شيمي در بيوتكنولوژي مواجهه با پسمانده اي است كه از فرايندهاي تخميري حاصل مي شود. برخلاف فرايندهاي شيميايي معمولاً محصولات جانبي خيلي كمي از يك محصول تخميري صنعتي به‌وجود مي‌آيد. اغلب بهترين حالت آن است كه بيومس بي رمق را به صورت يك منبع غذايي حيواني به‌فروش برسانند.

اگر بيوتكنولوژي بخواهد با صنايع شيميايي (بجز در مواردي كه محصولات با ارزش بالا توليد مي‌شود) رقابت كند مشكلاتي خواهد داشت كه بايد تحليل و بررسي شود. 

منبع :

شبکه تحليل گران تکنولوژي ايران

موضوع :    بيوتکنولوژي (بيوتکنولوژي صنعت و محيط زيست  - مباحث عمومي بيوتکنولوژي )