SEMINARSKI RAD

Industrijska biotehnologija

Ivana Horvat,

5273/BT

26. svibanj 2008.

Modul: Odabrana poglavlja zelene kemijeAk. god. 2007./2008.Koordinator modula: dr. sc. M. Jukić, doc.

"Biotechnology is the integration of natural sciences and engineering sciences in order to achieve the application

of organisms, cells, parts thereof and molecular

analogues for products and services."

(EFB, 1989.)

→→ integracija prirodnih i inženjerskih znanosti s ciljem primjene

organizama, stanica, dijelova stanica i molekulskih analogona u

proizvodnji i uslugama

Biotehnologija?

• stara

(vino, pivo, fermentirani mliječni proizvodi, ocat; organske

kiseline, otapala, kvasac, obrada otpadnih voda; antibiotici, enzimi,

bioplin)

• nova

(terapeutski proteini, monoklonska protutijela, GMO, biočipovi,

biosenzori)

Biotehnologija?

•• biopharma biopharma -- crvena biotehnologijacrvena biotehnologija

•• agriagri--biotech biotech -- zelena biotehnologijazelena biotehnologija

•• industrial biotech industrial biotech -- bijela biotehnologijabijela biotehnologija

•• environmental biotech environmental biotech -- plava biotehnologijaplava biotehnologija

Biotehnologija?

• primjena biotehnoloških

postupaka u medicini

• novi lijekovi (dizajniranje mikroorganizama, manipulacije

genoma), visokovrijedni farmaceutski proteini,

dijagnostika (DNA-čipovi,

biosenzori)

Crvena biotehnologija

•• primjena u poljoprivrediprimjena u poljoprivredi

•• suvremeni uzgoj biljaka: suvremeni uzgoj biljaka:

genetigenetiččko inko inžženjerstvo od enjerstvo od

posebnog znaposebnog značčaja aja --

transgenitransgeniččne biljke, GMOne biljke, GMO

•• ekoloekološški prihvatljivija ki prihvatljivija

alternativa tradicionalnoj alternativa tradicionalnoj

poljoprivredi?poljoprivredi?

•• primjer: Bt kukuruzprimjer: Bt kukuruz

Zelena biotehnologija

•• primjena procesa i organizama u primjena procesa i organizama u morskoj biologijimorskoj biologiji

•• proizvodnja novih lijekovaproizvodnja novih lijekova

•• geni morskih organizama za geni morskih organizama za proizvodnju biljaka razistentnih proizvodnju biljaka razistentnih na okolina okoliššne uvjetene uvjete

•• environmental biotechnology:environmental biotechnology:

bitehnolobitehnološški procesi u zaki procesi u zašštiti titi okoliokolišša (saniranje zemljia (saniranje zemljiššta, ta, obrada otpadnih voda, obrada otpadnih voda, proproččiiššććavanje ispuavanje ispuššnih nih plinova, obrada otpada) plinova, obrada otpada) --prema nekim izvorima prema nekim izvorima siva/bijela biotehnologijasiva/bijela biotehnologija

Plava biotehnologija

• industrijska

• zelena kemija izvedena biotehnološkim postupcima

• zelena kemija, industrijska biotehnologija i bijela

biotehnologija kao sinonimi

Bijela biotehnologija

• koristi biološke sustave za proizvodnju korisnih kemikalija • bazirana na biokatalizi (uporaba enzima i stanica kao

katalizatora) i fermentaciji (direktna uporaba mikroorganizama) u kombinaciji sa dostignućima molekularne genetike i metaboličkog inženjerstva

• doprinosi zelenoj kemiji i donosi značajne ekološke prednosti: rabi obnovljive sirovine poput šećera i biljnih ulja u proizvodnji finih i organskih kemikalija, farmaceutika, biobojila, otapala, bioplastika, vitamina, aditiva, biopesticida, biogoriva (bioetanol i biodiesel)

– smanjuje se emisija stakleničkih plinova

– potiče se razvoj poljoprivrednog sektora– prednosti nad klasičnom kemijskom tehnologijom -

učinkovitije reakcije, bolja produktivnost i čistoća proizvoda, manja potrošnja energije i smanjuje se količina kemijskog otpada

→snažan prodor industrijske biotehnologije u sve sektore kemijske industrije

5%

95%

biotehnološkiprocesi

ostali

Procesi u kemijskoj industriji

↑ 20 % do 2010.

• oko 95 % proizvedenih organskih kemikalija u Europi iz fosilnih izvora

• mnoge važne industrije

temelje dio svoje proizvodnje na obnovljivim sirovinama– proizvodi tekstilne industrije

– sapun, detergenti (iz biljnih ulja)

– konstrukcijski materijali u građevinskoj industriji (iz drva i prirodnih vlakana)

• fosilne sirovine nisu uvijek primjenjive– proizvodnja antibiotika fermentacijom šećera

– veliki broj lijekova dobiva se izolacijom iz živih organizama

• organizacijski nalikuju

naftnim rafinerijama

• veliki tvornički kompleksi u

kojima se poljoprivredne sirovine obrađuju i

prevode u konačne proizvode

• rabe fizikalne, kemijske i

biotehnološke procese

• iz samo jedne sirovine

mogu se dobiti različiti proizvodi primjenom

različitih mikroorganizama

Biorafinerije

*proizvodnja biogoriva, toplinske

energije, električne energije i

biomaterijala iz biomase u

biorafineriji i ponovna uporaba

otpadnih biomaterijala kao sirovina

• proizvodi koji se industrijski proizvode samo iz kukuruza:

– glukoza →→ sirovina u proizvodnji hrane

– limunska kiselina →→ dodatak hrani

– bioetanol →→ gorivo

– bioplastika (polilaktat) →→ materijal za pakiranje, tekstilno vlakno

– škrobni karboksilat →→ sastojak praškova za pranje

– lizin →→ dodatak stočnoj hrani

– antibiotici

– vitamini

– biobojila →→ prehrambena industrija

– ksantanski biopolimer →→ zgušnjivač

Bioprocesi u industrijskoj biotehnologiji

• fermentacijski procesi– pretvorbe šećera u korisne proizvode pomoću mikroorganizama– široki spektar proizvoda - od jeftinih organskih do vrlo skupih finih kemikalija

→bioetanol, L-glutaminska kis., limunska kis., L-lizin, mliječna kis., vitamin C, glukonska kis., antibiotici, ksantan, L-hidroksifenilalanin, dekstran, vitamin B12; svjetska proizvodnja u tonama

godišnje i svjetska tržišna cijena u eurima po kg

• zahvaljujući tehnologiji rekombinantne DNA moguće je modificirati ili potpuno promijeniti genetički materijal mikroorganizama (metaboličko inženjerstvo)

• geni iz viših organizama (biljke i životinje) i drugih mikroorganizama (kvasci, bakterije, virusi, alge) mogu se ubaciti i eksprimirati u industrijskim mikroorganizmima

• tako je moguće proizvesti nove proteine ili kreirati nove metaboličke puteve da bi se proizvele visokoučinkovite kemijske supstance fermentacijskim procesima

• enzimski procesi

enzimi

- biokatalizatori, katalitički aktivni proteini koji su

evoluirali i usavršavani milijardama godina

- vrlo specifični i učinkoviti katalizatori, kreiraju kemiju

života, a ne trebaju ekstremne temperature, visoke tlakove ili korozivne uvjete koji su često potrebni u

procesima kemijske sinteze

- izvanredna mašinerija živućeg svijeta i zbog svojih svojstva sve više se primjenjuju u industriji u

biokatalitičkim reakcijama

- važni u raznim industrijskim sektorima

- uglavnom se rabe mikrobni enzimi

- nove tehnologije (ciljana mutageneza i tzv. gene

shuffling) - kreiranje novih enzima

- ključni enzimi u tradicionalnoj primjeni enzimskih procesa:- α-amilaza (hidroliza škroba)

- glukoza izomeraza (prevođenje

glukoze u fruktozu)

- proteaze i lipaze (detergenti)

- u proizvodnji stočne hrane - fitaza iz

plijesni Aspergillus niger otpušta fosfat

iz fitične kiseline, manja potreba za

dodavanjem fosfata u hranu, znatne

ekološke prednosti

• primjena enzima sve više prodire u kemijsku industriju

• ubrzan je razvoj uporabe enzima u vrlo specifičnim organokemijskim reakcijama: reakcije u jednom koraku, visokoučinkovite, specifične i brze

→biokataliza, tj. procesi biokonverzije ili biotransformacije

- odvijaju se u uvjetima normalne temperature i tlaka, nema opasnih intermedijera niti otpadnih nusprodukata, rabe se 'zelena' otapala (voda, etanol, scCO2,...)

Proizvodi industrijske biotehnologije

• kemikalije, farmaceutici, dodaci hrani, bojila, vitamini, pesticidi, bioplastika, otapala, organske kemikalije, biogoriva

• proizvodnja finih kemikalija i farmaceutika je već dobro poznata, a povećava se proizvodnja biogoriva i bioplastike

• polimerni materijali iz fosilnih izvora enzimskom tehnologijom, a s druge strane potpuno biorazgradiva plastika iz obnovljivih sirovina, npr. PLA iz kukuruza

• biotehnološki proces može se ubaciti kao

jedan korak u putu kemijske sinteze, ali

moguće je zamijeniti i

čitav niz koraka samo jednom fermentacijom

• sinteza riboflavina

(vitamin B2): proizvodnja u 8 koraka

zamijenjena je samo jednim fermentacijskim

korakom što je umanjilo

trošak procesa za 40 %

•• ekoloekološški napredak nije dovoljan ki napredak nije dovoljan motiv za uvođenje nove motiv za uvođenje nove tehnologije, on mora biti u vezi s tehnologije, on mora biti u vezi s ekonomskim prednostimaekonomskim prednostima

•• industrijska biotehnologija industrijska biotehnologija kombinira i ekonomski i ekolokombinira i ekonomski i ekološški ki napredak napredak -- povepoveććana uana uččinkovitost, inkovitost, manji tromanji trošškovi proizvodnje, znatno kovi proizvodnje, znatno smanjen negativan utjecaj na smanjen negativan utjecaj na okoliokolišš

→→ vrlo kompetitivna tehnologija vrlo kompetitivna tehnologija

Ekonomske i ekoloEkonomske i ekološške prednostike prednosti

• E faktor: pokazatelj učinkovitosti

procesa s obzirom na kg

proizvedenog

otpada po kg dobivenog

proizvoda

• organske kemikalije - između 1 i 5

• fine kemikalije - 5 do 50

• neki farmaceutski proizvodi - 100

• 100 puta poboljšan E faktor

proizvodnje 7-ACA prijelazom na

biotehnološke procese

(31 kg otpada→0,3 kg otpada)

!

→→industrijska biotehnologija industrijska biotehnologija usredotousredotoččuje se na razvoj uje se na razvoj ččistih istih bioprocesa koji vode redukciji bioprocesa koji vode redukciji emisije stakleniemisije stakleniččkih plinova, kih plinova, smanjenju potrosmanjenju potroššnje energije i vode nje energije i vode

→→slijedislijedi principe zelene kemije: principe zelene kemije:

koristi obnovljive sirovine, smanjuje koristi obnovljive sirovine, smanjuje potropotroššnju energije i kolinju energije i količčinu inu otpadnih nusproizvoda, provodi otpadnih nusproizvoda, provodi selektivnu biokatalizu, razvija selektivnu biokatalizu, razvija procese dobivanja biorazgradivih procese dobivanja biorazgradivih proizvodaproizvoda

→→pridonosi odrpridonosi održživom razvojuivom razvoju

Literatura

• advantage-austria.net/hr/zentral/focus/technology/biotechnologie_generell.hr

• en.wikipedia.org/wiki/Biotechnology• journal.chemistrycentral.com/content/1/1/17 (Munishwar N Gupta and

Smita Raghava, Relevance of chemistry to white biotechnology)

• linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167779999013992 (Lawrence P. Wackett, Environmental biotechnology)

• microbiology.suite101.com/article.cfm/biotechnology (Judy Arbique, Biotechnology: Science and Engineering Work Together)

• www.europabio.org/documents/150104/bacas_report_en.pdf (BACAS, Industrial biotechnology and sustaiable chemistry)

• www.fona.de/de/5565 (Industrial Biotechnology and Green Chemistry from a Life Cycle Perspective)

• www.nature.com/nature/journal/v450/n7171/full/450810a.html (Martyn Poliakoff and Pete Licence, Sustainable technology: Green chemistry)

• predavanja: uvodno iz modula Biotehnologija 3 (S. Novak) i 4. izTehnologije vitamina i hormona (J. Vorkapić-Furač)