نقش مهندسی شیمی در بیوتکنولوژی

[P O U R I A]

بسته به تعریفی که از بیوتکنولوژی داریم، بیوتکنولوژی می­تواند به­عنوان یکی از قدیمی­ترین تکنولوژیهای صنعتی یا یکی از جدیدترین تکنولوژی­ها مورد توجه قرار گیرد. با وجود این برای مهندسی شیمی مسالة اصلی مقیاس عملیاتی می­باشد. در بیوتکنولوژی جدید، اغلب محصولات دارای ارزش بالا بوده و به حجم کمی از آنها نیاز است؛ البته صنایع بیولوژیک با حجم تولید زیاد نیز همچنان دارای اهمیت می­باشد. اما تفاوت­های کلیدی بین فریندهای بیولوژیک و فرآیندهای شیمیایی وجود دارد که بایستی نقش مهندسی شیمی را با توجه به این تفاوت­ها مورد بازبینی قرار داد. در این مقاله که از مجله The Chemical Engineering Journal, 50 B9-B16 انتخاب و ترجمه شده است، فرآیندهای بیوتکنولوژی متداول با فرآیندهای شیمیایی مشابه مقایسه شده و نقش مهندسی شیمی در طراحی و توسعه فرآیند مورد نظر مورد بررسی قرار گرفته است:
همان­طور که صنایع شیمیایی تا مدت زیادی فقط توسط شیمیست‌ها (و نه مهندسان شیمی) مورد بررسی قرار می­گرفت، فرآیندهای زیستی نیز هنوز توسط میکروبیولوژیست‌های صنعتی مورد بررسی قرار می­گیرد. بنابراین بسیاری از حوزه­های بیولوژیکی وجود دارد که در آنها می­توان به­وسیلة کاربرد مفاهیم سادة مهندسی، فرایندهای بیولوژیکی را توسعه داد.

روند تحول مفهوم بیوتکنولوژی از نظر مهندسان شیمی
اگر چه بیوتکنولوژی یک تکنولوژی نوین محسوب می­شود، اما می­توان به­عنوان یکی از قدیمیترین تکنولوژی‌های صنعتی نیز از آن یاد کرد. برای مهندسان بیوشیمی، استفادة صحیح از میکروارگانیزم­ها برای تولید آبجو، مشروب و پنیر، از قدیم مطرح بوده است. همچنین تصفیة بیولوژیکی پسمانده­ها و پساب­ها نیز مطرح بوده است که جزو بیوتکنولوژی محسوب می­شود.
حتی خود کلمه "بیوتکنولوژی" نیز آنطور که تصور می­شود جدید نیست. این کلمه در ابتدا در یک کتاب و در سال 1919 توسط یک مجاری بنام Erkey مطرح شد. در این کتاب همة خطوط کاری تولید محصولات توسط میکروارگانیزمها توضیح داده شده است. این موضوع بطور مشخص برای کشاورزی مطرح شد، اما در حدود همان زمان بود که Chaim Weizmann (از دانشگاه منچستر) یک فرایند صنعتی را برای تولید انبوه استون توسعه داده بود که این عمل توسط فرمانتاسیون صورت می­گرفت. این فرآیند با تعریفی که به­وسیلة Erkey ارائه شده بود منطبق بود.
با پیشرفت بیوتکنولوژی مفهوم آن نیز تغییر پیدا کرد تا اینکه مترادف با "تکنولوژی تخمیر" شد. این تعریف از بیوتکنولوژی در یک مقالة چاپ شده در مجلة جدید "بیوتکنولوژی و مهندسی زیستی" توسط Elmer Gaden Jr. در سال 1962 مطرح شد. تعریف اساساً مشابهی نیز هنگامی‌که اتحادیة بیوتکنولوژی اروپا تاسیس شد مورد استفاده قرار گرفت. اما درست 1 سال بعد، این کلمه (بیوتکنولوژی) مجدداً داخل یک نشریة مهندسی ژنتیک تعریف شد تا "توسعة علمی و اقتصادی در زمینة ژنتیک" را تشریح نماید. تعریف اخیر تعریفی است که مورد توجه کمیسیون علائم تجاری آمریکا قرار گرفت و به‌دلیل تفاوت زیاد با تعریف قبلی به­صورت یک علامت تجاری (Trade Mark) مورد استفادة آن مجله مهندسی ژنتیک قرار گرفت.
رفته­رفته با ارائه نتایج و محصولات مهندسی ژنتیک، تمایز بین این دو تعریف از بین رفت و بنابراین زمانی که کلمة بیوتکنولوژی مورد استفاده قرار می­گیرد روشن نیست که آیا علم "دست­کاری ژنتیکی" مورد نظر است یا "استثمار صنعتی سیستم­های زنده" مد نظر است. بنابراین از نظر اقتصادی برای مهندسی شیمی صورت کلیدی در فرآیندهای بیوتکنولوژی صنعتی، "استفاده از ارگانیزم‌های زنده برای تولید محصولات مناسب" می­باشد. با این وجود تفاوت عمده­ای بین بسیاری از محصولات بیوتکنولوژی جدید و محصولات بیوتکنولوژی قدیمی وجود دارد.
تفاوت بیوتکنولوژی جدید و قدیم برای مهندسی شیمی: در بیوتکنولوژی جدید اغلب محصولات، دارای ارزش بالا می­باشند که به مقادیر کمی از آنها نیاز است (معمولاً برای اهداف تشخیصی یا پزشکی)؛ در حالی که در بیوتکنولوژی قدیمی عموماً محصولات دارای ارزش کم تا متوسط تولید می­شوند و مقادیر آنها طوری است که به تجهیزات فرآیندی با مقیاس بزرگ نیاز است.
محصولات بیوتکنولوژی قدیمی، با فرآیندهای با مقیاس نسبتاً بزرگ، نقش نسبتاً قدیمی را برای مهندسی شیمی بوجود می‌آورند. آنها با مسائل مشابهی نظیر مکانیک سیالات، انتقال جرم و حرارت و فرآیندهای واکنش و جداسازی روبرو هستند که این مسائل در متن مهندسی شیمی قرار دارد. البته تفاوت اساسی، در سیستم­های زنده­ای است که به­کار می­رود. بنابراین یک مهندس شیمی که در این زمینه مشغول فعالیت است، تنها باید دانشی از فرآیندهای زیستی را توأم با دانش خود کند. این موضوع مختص مهندس بیوشیمی است.
در مقابل، مسائلی که با فرآیندهای بسیار کوچک بیوتکنولوژی همراه است، در حوزه­های قدیمی مهندسی شیمی قرار نمی­گیرند و بسیاری از آنها دارای فرآیندهای منحصر به­فرد هستند. در غالب این موارد، بدلیل کوچک بودن مقیاس مورد استفاده، "بازدهی" یک مسأله مهم نیست و لذا نقش مهندسی شیمی در این موارد خیلی مشخص نیست. تقریباً اغلب این فرآیندها به بیوتکنولوژیست مربوط می‌شود تا مهندس بیوشیمی.

دلایل توسعة آیندة فرآیندهای بیوتکنولوژی:
هیچ شکی نیست که صنعت بیوتکنولوژی رو به رشد خواهد بود (اگر چه راهی طولانی برای آن وجود دارد) تا تسلط پیش­بینی شدة آن بر صنایع شیمیایی رایج تحقق یابد.
یکی از دلائل اصلی برای اطمینان از این توسعة مداوم، آن است که فرآیندهای بیوتکنولوژی برمبنای منابع تجدید­پذیر استوار هستند. در نتیجه این مورد زمانی اهمیت پیدا خواهد کرد که مواد خام تجدیدنا­پذیر معمولی رو به اضمحلال هستند. بنابراین همة محصولات از مواد هیدروکربنی تجدید­پذیر تولید خواهند شد؛ به­خصوص آنهایی که پساب‌های صنایع غذایی و کشاورزی را تشکیل می­دهند (به­عنوان مثال انبوهی از زایدات غذایی). این پسمانده­ها، سوبستراهای (منبع غذایی) ایده­آلی برای فرآیندهای بیولوژیکی مهیا می­کنند. اقتصادی بودن تبدیل این پسمانده­ها به­وسیلة روش­های بیوتکنولوژی بیشتر از فرآیندهای شیمیایی بوده است.
علاوه بر ­این اخیراً ملاحظات سیاست جهانی بر آن بوده است که تا جائی که ممکن است محصولات از طبیعت (natural-production) تولید شوند و این بطور ضمنی دلالت بر این دارد که تولید از روش بیولوژیکی تقریباً در هر جایی که شدنی و مناسب باشد ترجیح داده شود.
دلیل دیگر برای گسترش مداوم بیوتکنولوژی، حوزة روبه­رشد محصولات باارزشی است که از روش‌های بیولوژیکی قدیمی و یا دست­ورزی ژنتیکی تولید می­شود. محدودة کاملی از محصولات ممکن که از روش بیوتکنولوژی قابل تولید هستند شناخته شده است. به­عنوان مثال، هم­اکنون رشد سلول‌های بافت انسانی در کشت انبوه و در تجهیزات فرمانتاسیون ساده به­طور روتین انجام می­شود. محصولات ممکن این بافت‌ها هم­اکنون تحت بررسی است.

مقایسة حوزه­های مختلف فرایندهای بیوتکنولوژیکی
جدول 1، حوزه­های تقریبی فرآیندهای بیوتکنولوژیکی را نشان می­دهد. علاوه بر محصولات حاصل از صنایع بیولوژیکی سنتی نظیر مشروبات الکلی، غذاهای تخمیری، آنزیم‌ها، آنتی بیوتیک‌ها و تصفیه پساب‌ها محصولات دیگری نیز وجود دارند. بسیاری از محصولات با ارزش بالا که در جدول 1 آمده است به‌ویژه آنهایی که مواد شیمیایی مورد نیاز در آنها مقادیر بسیار کمی هستند، اغلب در حد چند کیلوگرم در سال می­باشند و تقریباً برای توسعة آنها جنبه اقتصادی تولید، یک عامل محدودکننده نمی­باشد.
جایگزین­های محصولات طبیعی از جمله پروتئین تک­یاخته (SCP)، در صورت موفقیت، متقابلاً باید با محصولات پروتئینی کشاورزی معمولی رقابت کنند. در عوض زمانی که دسترسی به نفت آسان است، جایگزین‌های تولید سنتزی محصولات شیمیایی نظیر اسیدهای آلی و حلال‌ها درصورتی امکان­پذیر است که از نظر اقتصادی پیشرفتی صورت گرفته باشد. در این مورد باید احتمالاً منتظر از بین­ رفتن این مادة خام بود.
همچنین جایگزین‌های محصولات پتروشیمی نظیر الکل‌های سوختی که در مقیاس وسیع تولید می­شوند باید در مقیاس خیلی بیشتری نسبت به آنچه که فعلاً برای فرایندهای بیولوژیکی قابل اجرا است تولید شوند تا اینکه اقتصادی و مقرون به صرفه باشند (به غیر از تصفیة پسمانده­ها).
آخرین گروه در جدول 1 بیشترین چالش را برای مهندس بیوشیمی ایجاد نموده است و در دهه­های قرن اخیر هنوز صنعت بیوتکنولوژی در این مورد قابل مقایسه با صنعت شیمیایی بوده است. در این حوزه عموماً بیوتکنولوژیست‌ها به جای مهندسان وارد عمل می­شوند و به شدت برتکنیک‌های Black-art (که تخصص بیوتکنولوژیست­هاست) تکیه می­شود. این تکنیک­ها شاید برای محصولات با ارزش بالا و مقیاس پایین که راه دیگری برای تولید به روش بیوتکنولوژیکی ندارند کافی باشد اما برای مواردی که در آنها فرایندهایی با مقیاس بزرگ بکار می­رود، ناکافی می­باشد؛ چرا که مسائل اقتصادی تعیین­کننده بوده و از لحاظ مهندسی تأثیر هزینه می­تواند به معنای تفاوت بین شکست و پیروزی باشد.

متاسفانه بسیاری از مهندسان بیوشیمی با توسعة بیوتکنولوژی به سمت بیوتکنولوژیست­شدن حرکت کرده­اند که در آن تحقیقات تکنولوژیکی بر محور تولید متمرکز شده و زمینه­های وسیع مهندسی فرایند را رها کرده­اند. البته درحالی که جایگاه مهمی برای بیوتکنولوژیست‌ها در توسعه صنعت وجود دارد، روشن است که نقش مهندسی شیمی در بیوتکنولوژی باید همان نقش مهندسی بیوشیمی باشد، نه بیوتکنولوژیست.

 

[P O U R I A]

تفاوت اصلی فرایندهای زیستی با فرایندهای شیمیایی:
اگر چه برخی فرایندهای بیوتکنولوژیکی اساساً مشابه با فرایندهای شیمیایی هستند و دارای سه مرحله اصلی یعنی آماده­سازی مواد خام، واکنش و بازیافت محصول می­باشند، اما تفاوت‌های بسیار مهمی نیز دارند. مهمترین این تفاوت‌ها اغلب در تعداد نامحدود محصولاتی می­باشد که ممکن است از یک مادة خام به‌دست آید؛ به‌دلیل آنکه این ماده خام صرفاً یک منبع غذایی (سوبسترا) برای رشد میکروارگانیزم‌ها است.
معمولاً محصولات مورد نظر، فقط زائدات فرایند رشد میکروبی هستند. در نتیجه واکنش از پیش تعیین‌شده­ای بر مبنای یک گروه به‌خصوص از واکنش­دهنده­ها وجود ندارد. قانون حاکم این است که محصول، تابع میکروارگانیزم‌هایی است که برای انجام واکنش انتخاب می‌شوند. حتی این نیز ویژگی مورد نظر را تضمین نمی­کند؛ زیرا همان میکروارگانیزم‌ها که در یک سوبسترا رشد می­کنند، ممکن است به­عنوان مثال اتانول، اسید لاکتیک، آنزیم به‌خصوص یا یک آنتی­بیوتیک تولید کنند. فقط کنترل دقیق شرایط فیزیکی یا انتخاب و زمان‌بندی برخی شرایط اطمینان خواهد داد که محصول مطلوب همان محصولی است که تولید می­شود. جزء کلیدی مخلوط واکنش (میکروارگانیزم)، هم کاتالیزور واکنش است و هم محصول واکنش؛ که در شروع واکنش به سادگی و به میزان زیادی فراهم می­شود.
برای اطمینان از صحیح بودن میکروارگانیزم انتخاب شده و یا محصولی که تولید می­شود، باید سوبسترا حاوی مقدار کمی از میکروارگانیزم انتخاب شده در محیط کشت باشد و بنابراین از رقابت سایر میکروارگانیزم‌ها ممانعت می­گردد. مهمتر از این، اشکال دیگر زندگی میکروبی نیز می­باشد که باید از سوبسترا حذف شوند. زیرا رقابت مستقیمی را با میکروارگانیزم‌های مورد نظر خواهند داشت و گاهی با احتمال و موفقیت بیشتری تکثیر می­یابند. با استفاده از استریلیزاسیون سوبسترا، جداسازی آنها از رقابت­کننده‌ها امکان­پذیر است که این مورد باید در سرتاسر واکنش دنبال شود.
از آنجا که عمدة محصولات بیوتکنولوژی جدید، دارای ارزش فوق­العاده زیاد و حجم کم مواد بیوشیمیایی است، بنابراین فرآیندهای بازیافت (جداسازی) برای این محصولات ممکن است به­دلیل مقادیر کم مورد استفاده، نسبتاً هزینه‌بر و با صرف انرژی زیاد صورت گیرد. همچنین برای به حداقل رساندن اتلاف محصول با ارزش فراوان، باید بازدهی بالایی را در نظر گرفت. این مورد با فرایندهای بیولوژیکی قدیمی‌تر صنایع غذایی و نوشیدنی، آنتی­بیوتیک­ها و محصولات دارویی با ارزش متوسط و تصفیة فاضلاب در تضاد می­باشد.
تفاوت فرایندی واکنش­های شیمیایی و بیولوژیکی از نظر شرایط واکنش:
اغلب واکنش­های بیولوژیکی به­طور قابل توجهی آهسته­تر از واکنش‌های شیمیایی انجام می­شوند. برخلاف صنایع شیمیایی که در آنها فرایندهای مداوم ترجیح دارد، عموماً این واکنش‌های بیولوژیکی به صورت عملیات ناپیوسته (batch) صورت می­گیرند. اغلب واکنش‌های بیولوژیکی توسط غلظت‌های پایین محصول ممانعت می­شوند و این خود دلیل دیگری برای ارجح­بودن عملیات ناپیوسته (batch) می­باشد. همچنین برخلاف اغلب واکنش‌های شیمیایی، سرعت واکنش‌های بیولوژیکی نمی­تواند با افزایش دما و فشار افزایش یابد و اغلب باید در تحت شرایط نسبتاً ملایم و نزدیک به دمای محیط انجام شوند. محصولات مورد نظر نیز با گرما ناپایدار هستند و برای جلوگیری از تخریب آنها باید انجام واکنش در تحت شرایط نسبتاً ملایم صورت گیرد. با وجود این تفاوت‌ها در فرایندهای بیولوژیکی و فرایندهای شیمیایی معمولی، بسیاری از حوزه­ها وجود دارند که یک مهندس بیوشیمی برای طراحی و اجرای عملیات فرایندهای بیولوژیکی می­تواند نقش داشته باشد.

نتیجه:
مطالب بالا به برخی از شیوه­هایی متعددی که در آنها مهندس فرایند یا شیمی در توسعه صنعتی بیوتکنولوژی می­تواند نقش داشته باشد اشاره نمود. چالش‌های فراوانی برای مهندس شیمی در بیوتکنولوژی وجود دارد که بسیاری از آنها هنوز بوجود نیامده‌اند. حوزه­هایی وجود دارند که در آن مهندس و بیوتکنولوژیست باید با یکدیگر همکاری کنند تا اولاً مشکلات را مشخص کنند و ثانیاً راه حل­ها را پیدا نمایند.
عموماً در مقایسه با فرایندهای شیمیایی، فرایندهای بیولوژیکی، در سرعت‌های حجمی و غلظت‌های تولیدی پایین صورت می‌گیرند. ممکن است بابکار بردن برخی از روش­ها (به‌عنوان مثال، استفاده از تثبیت سلولی) فرآیند را بهبود داد. اما این مورد نیز دارای محدودیت است زیرا برخی میکروارگانیزم‌ها ممکن است شامل ویژگی­های فیزیولوژیکی و فیزیکی ایده­آل برای تثبیت نباشند؛ به­خصوص در آنجا که رشد و حیات برای تولید نقش اساسی دارد. ممکن است برخی روش‌ها نیز جهت بهبود سرعت بکار روند؛ مثلاً سلول‌ها بتوانند برای چسبیدن به سطح، یا برای ارائه محصولات داخل سلولی یا خارج سلولی یا برای رهاسازی محصولات بعد از برانگیختن، مطابق با نیازهای کلی فرایند، مهندسی شوند.
اکثر فرایندهای تخمیری که از لحاظ تجاری بزرگ­مقیاس موفق بوده­اند مقادیر نسبتاً کمی را تولید کرده­اند. این فرایندها، فرایندهایی بوده­اند که به صورت غیراستریل کار کرده­اند. در بخش استریلیزاسیون و نگهداری، هزینه­ها (اعم از عملیاتی یا سرمایه­ای) قابل توجه هستند و هر فرایندی که بتواند این مراحل را نداشته باشد برای آن یک مزیت بحساب می­آید. این مورد می­تواند توسط دست­ورزی ژنتیکی صورت گیرد تا مزیت‌های مشابهی را به این گونه­های ضعیف­تر ببخشد.
همچنین فرایندهای با مقیاس بزرگ و با موفقیت بیشتر فرایندهایی هستند که شرایط فرایندی پایین­دستی نسبتاً ساده دارند. اگرچه اخیراً توجهات بسیاری بر روی Scale up فرایندهای جداسازی خاص شده است (بر مبنای تکنیک‌های قابل دسترس در آزمایشگاه تجزیه) اما تقریباً گران بوده و بنابراین به محصولات با ارزش بسیار بالا محدود می­شوند. توسعه فرایندهای جداسازی کم­هزینه یا از نظر دیگر تخمیرهایی که نیاز به فرایندهای پایین‌دستی کمتری دارند، هنوز برای مهندسی شیمی و بیوتکنولوژیست به طور یکسان به‌صورت یک چالش باقی مانده است.
نهایتاً شاید بیشترین مساله برای مهندسی شیمی در بیوتکنولوژی مواجهه با پسمانده­ای است که از فرایندهای تخمیری حاصل می­شود. برخلاف فرایندهای شیمیایی معمولاً محصولات جانبی خیلی کمی از یک محصول تخمیری صنعتی به‌وجود می‌آید. اغلب بهترین حالت آن است که بیومس بی­رمق را به صورت یک منبع غذایی حیوانی به‌فروش برسانند.
اگر بیوتکنولوژی بخواهد با صنایع شیمیایی (بجز در مواردی که محصولات با ارزش بالا تولید می‌شود) رقابت کند مشکلاتی خواهد داشت که باید تحلیل و بررسی شود.
منبع : شبکه تحلیل گران تکنولوژی ایران