نقش مهندسی شیمی در بیوتکنولوژی

بسته به تعريفي كه از بيوتكنولوژي داريم، بيوتكنولوژي ميتواند بهعنوان يكي از قديميترين تكنولوژيهاي صنعتي يا يكي از جديدترين تكنولوژيها مورد توجه قرار گيرد. با وجود اين براي مهندسي شيمي مسالة اصلي مقياس عملياتي ميباشد. 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 ميباشد. اما تفاوتهاي كليدي بين فريندهاي بيولوژيك و فرآيندهاي شيميايي وجود دارد كه بايستي نقش مهندسي شيمي را با توجه به اين تفاوتها 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:
همانطور كه صنايع شيميايي تا مدت زيادي فقط توسط شيميست‌ها (و نه مهندسان شيمي) مورد بررسي قرار ميگرفت، فرآيندهاي زيستي نيز هنوز توسط ميكروبيولوژيست‌هاي صنعتي مورد بررسي قرار ميگيرد. بنابراين بسياري از حوزههاي بيولوژيكي وجود دارد كه در آنها ميتوان بهوسيلة كاربرد مفاهيم سادة مهندسي، فرايندهاي بيولوژيكي را توسعه داد.

روند تحول مفهوم بيوتكنولوژي از نظر مهندسان شيمي
اگر چه بيوتكنولوژي يك تكنولوژي نوين محسوب ميشود، اما ميتوان بهعنوان يكي از قديميترين تكنولوژي‌هاي صنعتي نيز از آن ياد كرد. براي مهندسان بيوشيمي، استفادة صحيح از ميكروارگانيزمها براي توليد آبجو، مشروب و پنير، از قديم مطرح بوده است. همچنين تصفية بيولوژيكي پسماندهها و پسابها نيز مطرح بوده است كه جزو بيوتكنولوژي محسوب ميشود.
حتي خود كلمه "بيوتكنولوژي" نيز آنطور كه تصور ميشود 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 ميگرفت. اين فرآيند با تعريفي كه بهوسيلة 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 بهصورت يك علامت تجاري (Trade Mark) مورد استفادة آن مجله مهندسي ژنتيك قرار گرفت.
رفتهرفته با ارائه نتايج و محصولات مهندسي ژنتيك، تمايز بين اين دو تعريف از بين رفت و بنابراين زماني كه كلمة بيوتكنولوژي مورد استفاده قرار ميگيرد روشن نيست كه آيا علم "دستكاري ژنتيكي" مورد نظر است يا "استثمار صنعتي سيستمهاي 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" ميباشد. با اين وجود تفاوت عمدهاي 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 ميباشند 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 ميشوند 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 سيستمهاي زندهاي است كه بهكار ميرود. 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 حوزههاي قديمي مهندسي شيمي قرار نميگيرند و بسياري از آنها داراي فرآيندهاي منحصر بهفرد 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 پيشبيني 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 تجديدپذير استوار هستند. در نتيجه اين مورد زماني اهميت پيدا خواهد كرد كه مواد خام تجديدناپذير معمولي رو به اضمحلال هستند. بنابراين همة محصولات از مواد هيدروكربني تجديدپذير توليد خواهند شد؛ بهخصوص آنهايي كه پساب‌هاي صنايع غذايي و كشاورزي را تشكيل ميدهند (بهعنوان مثال انبوهي از زايدات غذايي). اين پسماندهها، سوبستراهاي (منبع غذايي) ايدهآلي براي فرآيندهاي بيولوژيكي مهيا ميكنند. اقتصادي بودن تبديل اين پسماندهها بهوسيلة روشهاي 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 روبهرشد محصولات باارزشي است كه از روش‌هاي بيولوژيكي قديمي و يا دستورزي ژنتيكي توليد ميشود. محدودة كاملي از محصولات ممكن كه از روش بيوتكنولوژي قابل توليد هستند شناخته شده است. بهعنوان مثال، هماكنون رشد سلول‌هاي بافت انساني در كشت انبوه و در تجهيزات فرمانتاسيون ساده بهطور روتين انجام ميشود. محصولات ممكن اين بافت‌ها هماكنون تحت بررسي است.
مقايسة حوزههاي مختلف فرايندهاي بيوتكنولوژيكي
جدول 1، حوزههاي تقريبي فرآيندهاي بيوتكنولوژيكي را نشان ميدهد. 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 ميباشند و تقريباً براي توسعة آنها جنبه اقتصادي توليد، يك عامل محدودكننده نميباشد.
جايگزينهاي محصولات طبيعي از جمله پروتئين تكياخته (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 امكانپذير 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 ميشوند 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 پسماندهها).
آخرين گروه در جدول 1 بيشترين چالش را براي مهندس بيوشيمي ايجاد نموده است و در دهههاي 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 ميشوند و به شدت برتكنيك‌هاي Black-art (كه تخصص بيوتكنولوژيستهاست) تكيه ميشود. اين تكنيكها 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 ميرود، ناكافي ميباشد؛ چرا كه مسائل اقتصادي تعيينكننده بوده و از لحاظ مهندسي تأثير هزينه ميتواند به معناي تفاوت بين شكست و پيروزي باشد.
متاسفانه بسياري از مهندسان بيوشيمي با توسعة بيوتكنولوژي به سمت بيوتكنولوژيستشدن حركت كردهاند كه در آن تحقيقات تكنولوژيكي بر محور توليد متمركز شده و زمينههاي وسيع مهندسي فرايند را رها كردهاند. 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 آمادهسازي مواد خام، واكنش و بازيافت محصول ميباشند، اما تفاوت‌هاي بسيار مهمي نيز دارند. مهمترين اين تفاوت‌ها اغلب در تعداد نامحدود محصولاتي ميباشد 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 تعيين‌شدهاي بر مبناي يك گروه به‌خصوص از واكنشدهندهها 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 نميكند؛ زيرا همان ميكروارگانيزم‌ها كه در يك سوبسترا رشد ميكنند، ممكن است بهعنوان مثال اتانول، اسيد لاكتيك، آنزيم به‌خصوص يا يك آنتيبيوتيك توليد كنند. فقط كنترل دقيق شرايط فيزيكي يا انتخاب و زمان‌بندي برخي شرايط اطمينان خواهد داد كه محصول مطلوب همان محصولي است كه توليد ميشود. جزء كليدي مخلوط واكنش (ميكروارگانيزم)، هم كاتاليزور واكنش است و هم محصول واكنش؛ كه در شروع واكنش به سادگي و به ميزان زيادي فراهم ميشود.
براي اطمينان از صحيح بودن ميكروارگانيزم انتخاب شده و يا محصولي كه توليد ميشود، بايد سوبسترا حاوي مقدار كمي از ميكروارگانيزم انتخاب شده در محيط كشت باشد و بنابراين از رقابت ساير ميكروارگانيزم‌ها ممانعت ميگردد. مهمتر از اين، اشكال ديگر زندگي ميكروبي نيز ميباشد كه بايد از سوبسترا حذف شوند. زيرا رقابت مستقيمي را با ميكروارگانيزم‌هاي مورد نظر خواهند داشت و گاهي با احتمال و موفقيت بيشتري تكثير مييابند. با استفاده از استريليزاسيون سوبسترا، جداسازي آنها از رقابتكننده‌ها امكانپذير است كه اين مورد بايد در سرتاسر واكنش دنبال شود.
از آنجا كه عمدة محصولات بيوتكنولوژي جديد، داراي ارزش فوقالعاده زياد و حجم كم مواد بيوشيميايي است، بنابراين فرآيندهاي بازيافت (جداسازي) براي اين محصولات ممكن است بهدليل 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، آنتيبيوتيكها و محصولات دارويي با ارزش متوسط و تصفية فاضلاب در تضاد ميباشد.
تفاوت فرايندي واكنشهاي شيميايي و بيولوژيكي از نظر شرايط واكنش:
اغلب واكنشهاي بيولوژيكي بهطور قابل توجهي آهستهتر از واكنش‌هاي شيميايي انجام ميشوند. برخلاف صنايع شيميايي كه در آنها فرايندهاي مداوم ترجيح دارد، عموماً اين واكنش‌هاي بيولوژيكي به صورت عمليات ناپيوسته (batch) صورت ميگيرند. اغلب واكنش‌هاي بيولوژيكي توسط غلظت‌هاي پايين محصول ممانعت ميشوند و اين خود دليل ديگري براي ارجحبودن عمليات ناپيوسته (batch) ميباشد. همچنين برخلاف اغلب واكنش‌هاي شيميايي، سرعت واكنش‌هاي بيولوژيكي نميتواند 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 حوزهها وجود دارند كه يك مهندس بيوشيمي براي طراحي و اجراي عمليات فرايندهاي بيولوژيكي ميتواند نقش داشته باشد.
نتيجه:
مطالب بالا به برخي از شيوههايي متعددي كه در آنها مهندس فرايند يا شيمي در توسعه صنعتي بيوتكنولوژي ميتواند نقش داشته باشد اشاره نمود. چالش‌هاي فراواني براي مهندس شيمي در بيوتكنولوژي وجود دارد كه بسياري از آنها هنوز بوجود نيامده‌اند. حوزههايي وجود دارند كه در آن مهندس و بيوتكنولوژيست بايد با يكديگر همكاري كنند تا اولاً مشكلات را مشخص كنند و ثانياً راه حلها 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 روشها (به‌عنوان مثال، استفاده از تثبيت سلولي) فرآيند را بهبود داد. اما اين مورد نيز داراي محدوديت است زيرا برخي ميكروارگانيزم‌ها ممكن است شامل ويژگيهاي فيزيولوژيكي و فيزيكي ايدهآل براي تثبيت نباشند؛ بهخصوص 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 بزرگمقياس موفق بودهاند مقادير نسبتاً كمي را توليد كردهاند. اين فرايندها، فرايندهايي بودهاند كه به صورت غيراستريل كار كردهاند. در بخش استريليزاسيون و نگهداري، هزينهها (اعم از عملياتي يا سرمايهاي) قابل توجه هستند و هر فرايندي كه بتواند اين مراحل را نداشته باشد براي آن يك مزيت بحساب ميآيد. اين مورد ميتواند توسط دستورزي ژنتيكي صورت گيرد تا مزيت‌هاي مشابهي را به اين گونههاي ضعيفتر ببخشد.
همچنين فرايندهاي با مقياس بزرگ و با موفقيت بيشتر فرايندهايي هستند كه شرايط فرايندي پاييندستي 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 ميشوند. توسعه فرايندهاي جداسازي كمهزينه 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 پسماندهاي است كه از فرايندهاي تخميري حاصل ميشود. برخلاف فرايندهاي شيميايي معمولاً محصولات جانبي خيلي كمي از يك محصول تخميري صنعتي به‌وجود مي‌آيد. اغلب بهترين حالت آن است كه بيومس بيرمق 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

نقش مهندسی شیمی در بیوتکنولوژی

مطالب مشابه :

نقش مهندسی شیمی در بیوتکنولوژی

مهندسی معکوس چیست ؟

تبديل متان به فرآورده هاي با ارزش، به روش OCM

آشنایی با واحدهای پالایشگاهی

اتانول سوخت پاك آينده

نخ بخیه جراحی

ديگ بخار

مرگ استیو جابز بنیان گذار شرکت اپل

روشهاي اندازه گيري پارامتر هاي مخازن سوخت