Biotechnologia przemysłowa
Biotechnologii przemysłowej , również biała biotechnologia zwany obszar jest biotechnologia , która wykorzystuje metody biotechnologiczne w produkcji przemysłowej. Termin „biała biotechnologia” odróżnia biotechnologię przemysłową od biotechnologii „zielonej” i „czerwonej”, które dotyczą roślin i urządzeń medycznych, ale oba obszary pokrywają się.
Biotechnologia przemysłowa przenosi biologiczną i biochemiczną wiedzę oraz procesy poprzez inżynierię bioprocesową do zastosowań technicznych. Na przykład stosuje się bakterie, takie jak Escherichia coli i Corynebacterium glutamicum , drożdże i enzymy .
definicja
Biotechnologia odnosi się do zastosowania wiedzy i procesów z biologii i biochemii w procesach technicznych, podczas gdy czerwona biotechnologia i zielona biotechnologia dotyczą zastosowań w sektorze medycznym i farmaceutycznym lub rolniczym i roślinnym. Ponadto, istnieje również sporadycznie wspomina niebieskim biotechnologii i szarym biotechnologii w stosunku do stworzenia od morza lub procesy biotechnologiczne traktowania wody pitnej , oczyszczanie ścieków , poprawy stanu zanieczyszczonych gleb i do przetwarzania odpadów.
Termin „biotechnologia przemysłowa” jest definiowany inaczej:
- Na przykład europejskie stowarzyszenie przemysłowe EuropaBio zajmuje się biotechnologiczną produkcją specjalistycznych i wysokowartościowych chemikaliów , żywności i dodatków do żywności , prekursorów rolniczych i farmaceutycznych oraz licznych materiałów pomocniczych dla przemysłu przetwórczego na potrzeby biotechnologii przemysłowej.
- Fraunhofer-Gesellschaft określa biotechnologii przemysłowe jako „przemysłowego wytwarzania organicznych chemikaliów bazowych i drobnych, a także jako składniki czynne w zoptymalizowanych pomocą enzymów , komórek lub drobnoustrojów”.
- OECD rozróżnia dwa główne obszary:
- Zastąpienie paliw kopalnych skończonych z odnawialnych surowców , to znaczy biomasę
- Zastąpienie konwencjonalnych procesów przemysłowych procesami biologicznymi, które zmniejszają zapotrzebowanie na energię i zużycie surowców, a także zmniejszają liczbę etapów procesu, a tym samym obniżają koszty i jednocześnie stwarzają korzyści ekologiczne.
historia
Termin biotechnologia przemysłowa jest stosunkowo nowy, ale niektóre metody związane z tą biotechnologią były używane przez ludzkość od tysiącleci. Stało się to na długo przed odkryciem mikroorganizmów lub nawet zrozumieniem podstawowych procesów. W wielu kulturach , na przykład
- fermentacja słodkich pokarmów do alkoholu ( etanol fermentacji ) z pomocą drożdży ,
- fermentacji kwasu mlekowego z użyciem Lactobacillus - szczepy lub
- produkcja kwasu octowego za pomocą Acetobacter - gatunki
stosowany.
W 1856 roku Louis Pasteur odkrył mikroorganizmy w skażonych beczkach po winie, które nazwał od ich kształtu greckim słowem oznaczającym pałeczki Bacterion . Odkryte bakterie kwasu mlekowego wytwarzane z cukru w procesie fermentacji kwasu mlekowego , podczas gdy w kadziach winiarskich drożdże do fermentacji cukrów powinny być alkoholem. Dzięki tym odkryciom Pasteur położył podwaliny pod zrozumienie fermentacji i fermentacji oraz ustanowił nowoczesną mikrobiologię .
W 2012 roku 61 z 565 firm biotechnologicznych w Niemczech (około 11%) pracowało głównie w dziedzinie biotechnologii przemysłowej. Wiele firm z branży chemicznej stosuje swoje metody, ale nie zostały one odnotowane w tym badaniu, więc znaczenie będzie prawdopodobnie znacznie większe.
Dzięki postępowi w rozwoju metod i zastosowań biotechnologicznych, w ostatnich latach na znaczeniu zyskała biotechnologia przemysłowa. Przede wszystkim oczekuje się potencjału w tych obszarach:
- Optymalizacja procesów produkcyjnych, na przykład dla podstawowych chemikaliów i wysokowartościowych chemikaliów
- Zmniejszenie zależności od surowców, na przykład poprzez wykorzystanie surowców odnawialnych
- Zmniejszenie kosztów energii i utylizacji, na przykład poprzez zastąpienie procesów chemicznych
- Rozwój nowych produktów i rozwiązań systemowych o dużym potencjale wartości dodanej, na przykład poprzez wykorzystanie biologicznych szlaków metabolicznych z metodami inżynierii genetycznej
Metody
W biotechnologii przemysłowej, podobnie jak w innych biotechnologiach, wykorzystuje się różne możliwości biokonwersji , np. Wytwarzanie określonych produktów przemiany materii, czy to z katabolizmu, czy anabolizmu .
Można na przykład wybrać organizm wykorzystywany w zastosowaniach biotechnologicznych, ponieważ ma już zdolność do odpowiedniej biokonwersji. Dzięki hodowli , mutacji i selekcji przy użyciu konwencjonalnych metod niegenetycznych można zwiększyć plon. Zanim dostępne były metody inżynierii genetycznej, enzymy używane w zastosowaniach biotechnologicznych do biokonwersji były zwykle pozyskiwane z pewnych organizmów lub narządów , takich jak podpuszczka z żołądków cielęcych.
Wraz z rozwojem metod inżynierii genetycznej, biotechnologia przemysłowa znacznie rozszerzyła możliwości. Organizmy, które zostały już wykorzystane, można zoptymalizować , na przykład poprzez ukierunkowaną ewolucję lub inżynierię metaboliczną , tak aby zapewniały większe plony. Inną opcją jest udostępnienie wcześniej niemożliwych biokonwersji do użytku przemysłowego. Na przykład jedną z przeszkód był fakt, że wiele organizmów nie nadawało się do zastosowania w biotechnologii przemysłowej, na przykład dlatego, że nie można ich było hodować lub hodować zbyt słabo w bioreaktorach . Korzystając z metod inżynierii genetycznej, może być możliwe przeniesienie wymaganego genu lub kilku do gatunku, który jest łatwy w uprawie . Ostatecznym interesującym produktem może być na przykład związek chemiczny utworzony przez enzym kodowany przez ten gen. Ale sam enzym może być również pożądanym produktem. Dobrze znanym przykładem jest produkcja hormonu peptydowego insuliny przez bakterie, które zastąpiły produkcję insuliny z trzustki świni . Jeśli stosowane są metody inżynierii genetycznej, podczas opracowywania i produkcji należy przestrzegać środków bezpieczeństwa, które są określone w Niemczech w ustawie o inżynierii genetycznej i wyszczególnione w rozporządzeniu w sprawie bezpieczeństwa inżynierii genetycznej . Praca w laboratorium lub obszarze produkcyjnym odbywa się pod określonym poziomem bezpieczeństwa (S1 do S4).
Nowym podejściem jest analiza metagenomów , całości genów wszystkich gatunków, na przykład w biotopie . Zwykle dotychczas tylko geny lub enzymy można wykorzystać w biotechnologii, które pochodzą z organizmów, które można hodować w warunkach laboratoryjnych . Oczekuje się, że dzięki nowszym metodom biologii molekularnej uda się zidentyfikować określone geny lub enzymy, które mogą być interesujące w zastosowaniach biotechnologicznych.
obszary zastosowań
Możliwości zastosowania przemysłowych metod biotechnologicznych są bardzo zróżnicowane. Poniżej podano wybrane przykłady.
Zastępowanie paliw kopalnych
Bioetanol , biogaz i bio wodór można uzyskać z biomasy .
- Bioetanol: z surowców zawierających cukier i skrobię, takich jak buraki cukrowe , kukurydza , ziarno lub niektóre odpady organiczne, etanol można wytwarzać w drodze fermentacji. Celulozę polisacharydową , która wcześniej była trudna do wykorzystania, można również wykorzystać enzymatycznie i wykorzystać do produkcji tak zwanego etanolu celulozowego .
- Biogaz: Biogaz jest wytwarzany w biogazowniach poprzez beztlenową degradację biomasy, w tym fermentację metanową .
- Biowodór: Wodór można uzyskać z materiału organicznego w drodze mikrobiologicznych procesów fermentacyjnych lub w zmodyfikowanych procesach fotosyntezy z algami w fotobioreaktorach .
Antybiotyki
Antybiotyki są stosowane w leczeniu chorób zakaźnych i są jednymi z najczęściej przepisywanych leków. Dobrze znanym przykładem antybiotyku o szerokim spektrum działania jest cefalosporyna . Podobnie jak penicylina należy do antybiotyków β-laktamowych i pochodzi z głównego materiału wyjściowego, kwasu 7-aminocefalosporanowego. W przypadku produkcji w procesie biotechnologicznym, temperatura pokojowa, woda jako rozpuszczalnik i nie są potrzebne duże ilości substancji toksycznych lub metali ciężkich . Ścieków może zasadniczo być następnie traktowane biologicznie.
Dodatki do żywności
Coraz częściej podejmuje się próby zwiększenia wartości odżywczej niektórych produktów spożywczych, zwanych żywnością funkcjonalną , poprzez dodanie pewnych związków, które w innym przypadku są nieobecne lub występują tylko w niewielkich ilościach.
Witaminy
Witaminy są potrzebne organizmowi do pełnienia funkcji życiowych i należy je przyjmować z pożywieniem lub, w przypadku niedożywienia, w postaci suplementów diety . Na przykład w latach 90. XX wieku nadal wytwarzano witaminę B2 w procesie chemicznym w ośmiostopniowym procesie syntezy . Obecnie stosuje się proces biotechnologiczny z jednostopniową fermentacją . Umożliwiło to 40%, 60% kosztów surowców, 30% CO 2 emisji i 95% odpadów jest zapisany lub uniknąć, 2008 .
aminokwasy
Obecnie kilka aminokwasów jest produkowanych na skalę przemysłową przy użyciu procesów biotechnologicznych. L - lizyna jest bardzo ważna . Jest niezbędnym aminokwasem dla wielu zwierząt gospodarskich i występuje w niskich stężeniach w zwykłej paszy, takiej jak mąka sojowa . Każdego roku około 1,5 miliona ton jest stosowane jako dodatek do pasz w produkcji drobiu i tuczu trzody chlewnej . W produkcji fermentacyjnej z wykorzystaniem bakterii głównym surowcem jest cukier.
Pod koniec lat 80-tych firma Shōwa Denkō wyprodukowała aminokwas tryptofan przy pomocy transgenicznych bakterii , które jednocześnie w niezamierzony sposób wyprodukowały niepożądaną toksynę, która zabiła 37 osób (tzw. Zespół eozynofilia-mialgia ).
Enzymy
Zastosowanie enzymów wytwarzanych biotechnologicznie w medycynie jest różnorodne: Enzymy są stosowane w terapii i diagnostyce. Jedynie dzięki postępowi w badaniach biotechnologicznych w ostatnich dziesięcioleciach potencjał ekonomiczny enzymów terapeutycznych mógł się rozwinąć. Dzięki procesom biotechnologii przemysłowej enzymy mogą być produkowane niedrogo, z dużą wydajnością i selektywnością. Tzw. Enzymy terapeutyczne stosuje się bezpośrednio jako leki (np. Lipazy , lizozym , trombina i inne).
W przemyśle spożywczym w wielu procesach produkcyjnych wykorzystuje się ponad 40 enzymów. Enzymy modyfikują skrobię (skrobię modyfikowaną ), optymalizują tłuszcze i białka, stabilizują ubitą piankę i kremy oraz łączą części mięsa w celu uformowania mięsa . Enzymy zapewniają jędrność płatków kukurydzianych, stabilność gotowego ciasta w wyniku zamrażania i rozmrażania, jednolitą jakość rożków lodowych oraz zapobiegają przywieraniu makaronu po ugotowaniu. Enzymy konserwują majonez i produkty jajeczne, kontrolują dojrzewanie sfermentowanej żywności i napojów, umożliwiają uzyskanie bardziej intensywnych smaków, rozkładają kwasy tłuszczowe z masła, sera lub śmietanki, tworzą przyprawy lub pieczenie z białek.
Enzymy w detergentach i środkach czyszczących
Detergenty zawierają określone enzymy, np. Lipazy , proteazy , amylazy , które pomagają usuwać zabrudzenia tłuszczami , białkami (np. Krwią, żółtkami jaj) i skrobią , rozkładając je na składniki rozpuszczalne w wodzie. Uzyskany ulepszony efekt prania pozwala na zmniejszenie temperatury i czasu prania oraz zużycie wody, detergentu i energii w porównaniu z detergentami niezawierającymi enzymów.
Po pierwsze, enzymy zostały wyprodukowane biotechnologicznie przy użyciu niezmodyfikowanych genetycznie mikroorganizmów, które zostały zoptymalizowane poprzez selekcję. Inżynieria genetyczna jest stosowana od lat 80. XX wieku w celu osiągnięcia wyższych plonów i uczynienia użytecznych dalszych enzymów.
Hormony
Podaż hormonów jest konieczne w medycynie różnych chorób, na przykład, wzrostu lub objawów menopauzy i w terapii nowotworów .
Interesującym lekiem jest na przykład działanie przeciwbólowe i przeciwzapalne steroidowego hormonu kortyzonu . Złożona synteza chemiczna w 37 etapach została zastąpiona bardziej ekonomiczną produkcją biotechnologiczną w 11 etapach. Między innymi, metaboliczną wydajność tych grzybów Rhizopus arrhizus został użyty. Za pomocą dalszych procesów biotechnologicznych udało się również zastąpić materiał wyjściowy do syntezy kortyzonu - diosgeninę , którą pozyskiwano z korzenia meksykańskiego ignamu .
Przemysł włókienniczy
Nadtlenek wodoru (H 2 O 2 ) jest stosowany w przemyśle tekstylnym do wybielania tekstyliów . Nadtlenek wodoru jest silnym utleniaczem, który po wybieleniu musi zostać całkowicie usunięty z materiału tekstylnego. W procesie konwencjonalnym nadtlenek wodoru usuwa się przez spłukiwanie go gorącą wodą (80–95 ° C) przez dwie godziny. Jednak pomimo dużego zużycia wody i energii środek wybielający można całkowicie usunąć tylko poprzez późniejszą obróbkę różnymi chemikaliami. W procesie biotechnologicznym opracowano enzymatyczny proces usuwania wybielacza. Enzym katalazy stosuje się do dalszej obróbki tekstyliów . Enzym ten przekształca nadtlenek wodoru w wodę i tlen w ciągu kilku minut w temperaturze 30–40 ° C. Zamiast dwóch cykli płukania wystarczy przeprowadzić tylko jeden etap płukania ciepłą wodą, aby usunąć wybielacz.
Biopestycydy
Światowy rynek bio - pestycydy , takie jak na środek zwalczania chwastów z drobnoustroje lub ich produkty rośnie silnie.
Przykładem biopestycydów jest produkcja toksyny z bakterii glebowej Bacillus thuringiensis . Tak zwana toksyna Bt , białko , jest również trująca dla niektórych owadów. Białko to jest warzone jak piwo i można je rozpylać - nawet w uprawach ekologicznych. W niektórych organizmach zmodyfikowanych genetycznie , na przykład w kukurydzy Bt , toksyna jest wytwarzana w komórkach roślinnych po zintegrowaniu genu kodującego białko.
Biotworzywa
Biotechnologiczna produkcja monomerów do produkcji tworzyw sztucznych i polimerów to kolejna dziedzina procesów biotechnologicznych. Od wielu lat trwają intensywne badania nad rozwojem m.in. polimerów biodegradowalnych . Na rynku pojawiają się pierwsze aplikacje. Jednak opracowywane są również nieulegające biodegradacji tworzywa sztuczne na bazie biologicznej . Te procesy biotechnologiczne zastępują procesy petrochemiczne w produkcji niektórych polimerów lub opracowują nowe polimery o nowych właściwościach. Dobrze znanymi przykładami są kwas polimlekowy (polilaktyd, PLA), poliamidy i polihydroksyalkaniany, takie jak polihydroksymaślan (PHB).
perspektywy
Biotechnologia przemysłowa to jedna z tzw. Kluczowych technologii. Można założyć, że dzięki ukierunkowanemu wykorzystaniu mikroorganizmów i ich biotechnologicznej poprawie wiele procesów przemysłowych można uczynić bardziej opłacalnymi (mniej etapów procesu, mniejsze zużycie materiałów i energii) oraz bardziej ekologicznymi (mniej i bardziej przyjaznymi dla środowiska pozostałościami i emisjami ). , a surowce odnawialne są wykorzystywane do zastosowań przemysłowych.
literatura
- Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań: Biała biotechnologia - możliwości dla nowych produktów i procesów przyjaznych dla środowiska. (Pełny tekst , PDF; 2,24 MB). 2007.
- Garabed Antranikian : Applied Microbiology. Wydanie 1. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7 .
- K. Köchy, A. Hümpel (red.): Biologia syntetyczna. Rozwój nowej biologii inżynierskiej? Dornburg, 2012, ISBN 978-3-940647-07-8 . ( Pobierz skróconą wersję w formacie PDF )
Zobacz też
linki internetowe
- Portal biotechnologiczny Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań zawierający definicję biotechnologii i białej biotechnologii
- Konkurs klastrów BioIndustrie 2021 Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań
- European Association for Bioindustries
- Instytut Inżynierii Bioprocesowej, TU Braunschweig
Indywidualne dowody
- ↑ Biotechnologia przemysłowa. Uwagi na temat strony informacyjnej na temat programu Biotechnologia przemysłowa z Uniwersytetu w Ansbach
- ↑ a b Badanie przeprowadzone przez platformę informacyjną biotechnologie.de ( Memento z 30 sierpnia 2013 r. W archiwum internetowym ) na zlecenie Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań (BMBF)
- ↑ a b c Garabed Antranikian: Applied Microbiology. Wydanie 1. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7 .
- ↑ Komunikat prasowy Niemieckiego Stowarzyszenia Przemysłu Chemicznego (VCI) Biotechnologia - Technologia przyszłości otwiera nowe możliwości. Przemówienie z 18 września 2008 r., Strona 15
- ↑ Jeffrey M. Smith: Trojan Seeds. Riemann 2004, ISBN 3-570-50060-8 . Rozdział 4: O L-tryptofanie , genetycznie zmodyfikowanym przez Showa Denko , który spowodował zespół eozynofilia-bóle mięśni, na który zmarło 37 osób, a ponad 1500 zachorowało.
- ↑ Informacje od Henkel AG Oszczędność energii dzięki biotechnologicznie produkowanym enzymom. Źródło 1 stycznia 2010 r.
- ↑ Biopolimery / Biomateriały: Bio-poliamidy powstałe w wyniku fermentacji. na stronie internetowej Instytutu Inżynierii Bioprocesowej na Politechnice Braunschweig