بسته به تعریفی كه از بیوتكنولوژی داریم، بیوتكنولوژی می­تواند به­عنوان یكی از قدیمی­ترین تكنولوژی­های صنعتی یا یكی از جدیدترین تكنولوژی­ها مورد توجه قرار گیرد. با وجود این برای مهندسی شیمی مسالة اصلی مقیاس عملیاتی می­باشد. در بیوتكنولوژی جدید، اغلب محصولات دارای ارزش بالا بوده و به حجم كمی از آنها نیاز است؛ البته صنایع بیولوژیك با حجم تولید زیاد نیز همچنان دارای اهمیت می­باشد.

 

 

لطفا ادامه مقاله را در ادامه مطلب بخوانید

بسته به تعریفی كه از بیوتكنولوژی داریم، بیوتكنولوژی می­تواند به­عنوان یكی از قدیمی­ترین تكنولوژی­های صنعتی یا یكی از جدیدترین تكنولوژی­ها مورد توجه قرار گیرد. با وجود این برای مهندسی شیمی مسالة اصلی مقیاس عملیاتی می­باشد. در بیوتكنولوژی جدید، اغلب محصولات دارای ارزش بالا بوده و به حجم كمی از آنها نیاز است؛ البته صنایع بیولوژیك با حجم تولید زیاد نیز همچنان دارای اهمیت می­باشد. اما تفاوت­های كلیدی بین فریندهای بیولوژیك و فرآیندهای شیمیایی وجود دارد كه بایستی نقش مهندسی شیمی را با توجه به این تفاوت­ها مورد بازبینی قرار داد. در این مقاله كه از مجله The Chemical Engineering Journal, ۵۰ B۹-B۱۶ انتخاب و ترجمه شده است، فرآیندهای بیوتكنولوژی متداول با فرآیندهای شیمیایی مشابه مقایسه شده و نقش مهندسی شیمی در طراحی و توسعه فرآیند مورد نظر مورد بررسی قرار گرفته است:
همان­طور كه صنایع شیمیایی تا مدت زیادی فقط توسط شیمیست‌ها (و نه مهندسان شیمی) مورد بررسی قرار می­گرفت، فرآیندهای زیستی نیز هنوز توسط میكروبیولوژیست‌های صنعتی مورد بررسی قرار می­گیرد. بنابراین بسیاری از حوزه­های بیولوژیكی وجود دارد كه در آنها می­توان به­وسیلة كاربرد مفاهیم سادة مهندسی، فرایندهای بیولوژیكی را توسعه داد.

روند تحول مفهوم بیوتكنولوژی از نظر مهندسان شیمی



اگر چه بیوتكنولوژی یك تكنولوژی نوین محسوب می­شود، اما می­توان به­عنوان یكی از قدیمیترین تكنولوژی‌های صنعتی نیز از آن یاد كرد. برای مهندسان بیوشیمی، استفادة صحیح از میكروارگانیزم­ها برای تولید آبجو، مشروب و پنیر، از قدیم مطرح بوده است. همچنین تصفیة بیولوژیكی پسمانده­ها و پساب­ها نیز مطرح بوده است كه جزو بیوتكنولوژی محسوب می­شود.

حتی خود كلمه "بیوتكنولوژی" نیز آنطور كه تصور می­شود جدید نیست. این كلمه در ابتدا در یك كتاب و در سال 1919 توسط یك مجاری بنام Erkey مطرح شد. در این كتاب همة خطوط كاری تولید محصولات توسط میكروارگانیزمها توضیح داده شده است. این موضوع بطور مشخص برای كشاورزی مطرح شد، اما در حدود همان زمان بود كه chaim wiezman (از دانشگاه منچستر) یك فرایند صنعتی را برای تولید انبوه استون توسعه داده بود كه این عمل توسط فرمانتاسیون صورت می­گرفت. این فرآیند با تعریفی كه به­وسیلة Erkey ارائه شده بود منطبق بود.

با پیشرفت بیوتكنولوژی مفهوم آن نیز تغییر پیدا كرد تا اینكه مترادف با "تكنولوژی تخمیر" شد. این تعریف از بیوتكنولوژی در یك مقالة چاپ شده در مجلة جدید "بیوتكنولوژی و مهندسی زیستی" توسط Elmer Gaden Jr. در سال 1962 مطرح شد. تعریف اساساً مشابهی نیز هنگامی‌كه اتحادیة بیوتكنولوژی اروپا تاسیس شد مورد استفاده قرار گرفت. اما درست 1 سال بعد، این كلمه (بیوتكنولوژی) مجدداً داخل یك نشریة مهندسی ژنتیك تعریف شد تا "توسعة علمی و اقتصادی در زمینة ژنتیك" را تشریح نماید. تعریف اخیر تعریفی است كه مورد توجه كمیسیون علائم تجاری آمریكا قرار گرفت و به‌دلیل تفاوت زیاد با تعریف قبلی به­صورت یك علامت تجاری (Trade Mark) مورد استفادة آن مجله مهندسی ژنتیك قرار گرفت.

رفته­رفته با ارائه نتایج و محصولات مهندسی ژنتیك، تمایز بین این دو تعریف از بین رفت و بنابراین زمانی كه كلمة بیوتكنولوژی مورد استفاده قرار می­گیرد روشن نیست كه آیا علم "دست­كاری ژنتیكی" مورد نظر است یا "استثمار صنعتی سیستم­های زنده" مد نظر است. بنابراین از نظر اقتصادی برای مهندسی شیمی صورت كلیدی در فرآیندهای بیوتكنولوژی صنعتی، "استفاده از ارگانیزم‌های زنده برای تولید محصولات مناسب" می­باشد. با این وجود تفاوت عمده­ای بین بسیاری از محصولات بیوتكنولوژی جدید و محصولات بیوتكنولوژی قدیمی وجود دارد.

تفاوت بیوتكنولوژی جدید و قدیم برای مهندسی شیمی: در بیوتكنولوژی جدید اغلب محصولات، دارای ارزش بالا می­باشند كه به مقادیر كمی از آنها نیاز است (معمولاً برای اهداف تشخیصی یا پزشكی)؛ در حالی كه در بیوتكنولوژی قدیمی عموماً محصولات دارای ارزش كم تا متوسط تولید می­شوند و مقادیر آنها طوری است كه به تجهیزات فرآیندی با مقیاس بزرگ نیاز است.
محصولات بیوتكنولوژی قدیمی، با فرآیندهای با مقیاس نسبتاً بزرگ، نقش نسبتاً قدیمی را برای مهندسی شیمی بوجود می‌آورند. آنها با مسائل مشابهی نظیر مكانیك سیالات، انتقال جرم و حرارت و فرآیندهای واكنش و جداسازی روبرو هستند كه این مسائل در متن مهندسی شیمی قرار دارد. البته تفاوت اساسی، در سیستم­های زنده­ای است كه به­كار می­رود. بنابراین یك مهندس شیمی كه در این زمینه مشغول فعالیت است، تنها باید دانشی از فرآیندهای زیستی را توأم با دانش خود كند. این موضوع مختص مهندس بیوشیمی است.

در مقابل، مسائلی كه با فرآیندهای بسیار كوچك بیوتكنولوژی همراه است، در حوزه­های قدیمی مهندسی شیمی قرار نمی­گیرند و بسیاری از آنها دارای فرآیندهای منحصر به­فرد هستند. در غالب این موارد، بدلیل كوچك بودن مقیاس مورد استفاده، "بازدهی" یك مسأله مهم نیست و لذا نقش مهندسی شیمی در این موارد خیلی مشخص نیست. تقریباً اغلب این فرآیندها به بیوتكنولوژیست مربوط می‌شود تا مهندس بیوشیمی.

دلایل توسعة آیندة فرآیندهای بیوتكنولوژی:


هیچ شكی نیست كه صنعت بیوتكنولوژی رو به رشد خواهد بود (اگر چه راهی طولانی برای آن وجود دارد) تا تسلط پیش­بینی شدة آن بر صنایع شیمیایی رایج تحقق یابد.

یكی از دلائل اصلی برای اطمینان از این توسعة مداوم، آن است كه فرآیندهای بیوتكنولوژی برمبنای منابع تجدید­پذیر استوار هستند. در نتیجه این مورد زمانی اهمیت پیدا خواهد كرد كه مواد خام تجدیدنا­پذیر معمولی رو به اضمحلال هستند. بنابراین همة محصولات از مواد هیدروكربنی تجدید­پذیر تولید خواهند شد؛ به­خصوص آنهایی كه پساب‌های صنایع غذایی و كشاورزی را تشكیل می­دهند (به­عنوان مثال انبوهی از زایدات غذایی). این پسمانده­ها، سوبستراهای (منبع غذایی) ایده­آلی برای فرآیندهای بیولوژیكی مهیا می­كنند. اقتصادی بودن تبدیل این پسمانده­ها به­وسیلة روش­های بیوتكنولوژی بیشتر از فرآیندهای شیمیایی بوده است.

علاوه بر ­این اخیراً ملاحظات سیاست جهانی بر آن بوده است كه تا جائی كه ممكن است محصولات از طبیعت (natural-production) تولید شوند و این بطور ضمنی دلالت بر این دارد كه تولید از روش بیولوژیكی تقریباً در هر جایی كه شدنی و مناسب باشد ترجیح داده شود.

دلیل دیگر برای گسترش مداوم بیوتكنولوژی، حوزة روبه­رشد محصولات باارزشی است كه از روش‌های بیولوژیكی قدیمی و یا دست­ورزی ژنتیكی تولید می­شود. محدودة كاملی از محصولات ممكن كه از روش بیوتكنولوژی قابل تولید هستند شناخته شده است. به­عنوان مثال، هم­اكنون رشد سلول‌های بافت انسانی در كشت انبوه و در تجهیزات فرمانتاسیون ساده به­طور روتین انجام می­شود. محصولات ممكن این بافت‌ها هم­اكنون تحت بررسی است.

مقایسة حوزه­های مختلف فرایندهای بیوتكنولوژیكی


جدول 1، حوزه­های تقریبی فرآیندهای بیوتكنولوژیكی را نشان می­دهد. علاوه بر محصولات حاصل از صنایع بیولوژیكی سنتی نظیر مشروبات الكلی، غذاهای تخمیری، آنزیم‌ها، آنتی بیوتیك‌ها و تصفیه پساب‌ها محصولات دیگری نیز وجود دارند. بسیاری از محصولات با ارزش بالا كه در جدول 1 آمده است به‌ویژه آنهایی كه مواد شیمیایی مورد نیاز در آنها مقادیر بسیار كمی هستند، اغلب در حد چند كیلوگرم در سال می­باشند و تقریباً برای توسعة آنها جنبه اقتصادی تولید، یك عامل محدودكننده نمی­باشد.

جایگزین­های محصولات طبیعی از جمله پروتئین تك­یاخته (SCP)، در صورت موفقیت، متقابلاً باید با محصولات پروتئینی كشاورزی معمولی رقابت كنند. در عوض زمانی كه دسترسی به نفت آسان است، جایگزین‌های تولید سنتزی محصولات شیمیایی نظیر اسیدهای آلی و حلال‌ها درصورتی امكان­پذیر است كه 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 الكل‌های سوختی كه در مقیاس وسیع تولید می­شوند باید در مقیاس خیلی بیشتری نسبت به آنچه كه فعلاً برای فرایندهای بیولوژیكی قابل اجرا است تولید شوند تا اینكه 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 بیوتكنولوژی در این مورد قابل مقایسه با صنعت شیمیایی بوده است. در این حوزه عموماً بیوتكنولوژیست‌ها به جای مهندسان وارد عمل می­شوند و به شدت برتكنیك‌های Black-art (كه تخصص بیوتكنولوژیست­هاست) تكیه می­شود. این تكنیك­ها شاید برای محصولات با ارزش بالا و مقیاس پایین كه راه دیگری برای تولید به روش بیوتكنولوژیكی ندارند كافی باشد اما برای مواردی كه در آنها فرایندهایی با مقیاس بزرگ بكار می­رود، ناكافی می­باشد؛ چرا كه مسائل اقتصادی تعیین­كننده بوده و از لحاظ مهندسی تأثیر هزینه می­تواند به معنای تفاوت بین شكست و پیروزی باشد.





متاسفانه بسیاری از مهندسان بیوشیمی با توسعة بیوتكنولوژی به سمت بیوتكنولوژیست­شدن حركت كرده­اند كه در آن تحقیقات تكنولوژیكی بر محور تولید متمركز شده و زمینه­های وسیع مهندسی فرایند را رها كرده­اند. البته درحالی كه جایگاه مهمی برای بیوتكنولوژیست‌ها در توسعه صنعت وجود دارد، روشن است كه نقش مهندسی شیمی در بیوتكنولوژی باید همان نقش مهندسی بیوشیمی باشد، نه بیوتكنولوژیست.

تفاوت اصلی فرایندهای زیستی با فرایندهای شیمیایی:


اگر چه برخی فرایندهای بیوتكنولوژیكی اساساً مشابه با فرایندهای شیمیایی هستند و دارای سه مرحله اصلی یعنی آماده­سازی مواد خام، واكنش و بازیافت محصول می­باشند، اما تفاوت‌های بسیار مهمی نیز دارند. مهمترین این تفاوت‌ها اغلب در تعداد نامحدود محصولاتی می­باشد كه ممكن است از یك مادة خام به‌دست آید؛ به‌دلیل آنكه این ماده خام صرفاً یك منبع غذایی (سوبسترا) برای رشد میكروارگانیزم‌ها است.

معمولاً محصولات مورد نظر، فقط زائدات فرایند رشد میكروبی هستند. در نتیجه واكنش از پیش تعیین‌شده­ای بر مبنای یك گروه به‌خصوص از واكنش­دهنده­ها وجود ندارد. قانون حاكم این است كه محصول، تابع میكروارگانیزم‌هایی است كه برای انجام واكنش انتخاب می‌شوند. حتی این نیز ویژگی مورد نظر را تضمین نمی­كند؛ زیرا همان میكروارگانیزم‌ها كه در یك سوبسترا رشد می­كنند، ممكن است به­عنوان مثال اتانول، اسید لاكتیك، آنزیم به‌خصوص یا یك آنتی­بیوتیك تولید كنند. فقط كنترل دقیق شرایط فیزیكی یا انتخاب و زمان‌بندی برخی شرایط اطمینان خواهد داد كه محصول مطلوب همان محصولی است كه تولید می­شود. جزء كلیدی مخلوط واكنش (میكروارگانیزم)، هم كاتالیزور واكنش است و هم محصول واكنش؛ كه در شروع واكنش به سادگی و به میزان زیادی فراهم می­شود.

برای اطمینان از صحیح بودن میكروارگانیزم انتخاب شده و یا محصولی كه تولید می­شود، باید سوبسترا حاوی مقدار كمی از میكروارگانیزم انتخاب شده در محیط كشت باشد و بنابراین از رقابت سایر میكروارگانیزم‌ها ممانعت می­گردد. مهمتر از این، اشكال دیگر زندگی میكروبی نیز می­باشد كه باید از سوبسترا حذف شوند. زیرا رقابت مستقیمی را با میكروارگانیزم‌های مورد نظر خواهند داشت و گاهی با احتمال و موفقیت بیشتری تكثیر می­یابند. با استفاده از استریلیزاسیون سوبسترا، جداسازی آنها از رقابت­كننده‌ها امكان­پذیر است كه این مورد باید در سرتاسر واكنش دنبال شود.

از آنجا كه عمدة محصولات بیوتكنولوژی جدید، دارای ارزش فوق­العاده زیاد و حجم كم مواد بیوشیمیایی است، بنابراین فرآیندهای بازیافت (جداسازی) برای این محصولات ممكن است به­دلیل مقادیر كم 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 بیولوژیكی قدیمی‌تر صنایع غذایی و نوشیدنی، آنتی­بیوتیك­ها و محصولات دارویی با ارزش متوسط و تصفیة فاضلاب در تضاد می­باشد.

تفاوت فرایندی واكنش­های شیمیایی و بیولوژیكی از نظر شرایط واكنش:



اغلب واكنش­های بیولوژیكی به­طور قابل توجهی آهسته­تر از واكنش‌های شیمیایی انجام می­شوند. برخلاف صنایع شیمیایی كه در آنها فرایندهای مداوم ترجیح دارد، عموماً این واكنش‌های بیولوژیكی به صورت عملیات ناپیوسته (batch) صورت می­گیرند. اغلب واكنش‌های بیولوژیكی توسط غلظت‌های پایین محصول ممانعت می­شوند و این خود دلیل دیگری برای ارجح­بودن عملیات ناپیوسته (batch) می­باشد. همچنین برخلاف اغلب واكنش‌های شیمیایی، سرعت واكنش‌های بیولوژیكی نمی­تواند با افزایش دما و فشار افزایش یابد و اغلب باید در تحت شرایط نسبتاً ملایم و نزدیك به دمای محیط انجام شوند. محصولات مورد نظر نیز با گرما ناپایدار هستند و برای جلوگیری از تخریب آنها باید انجام واكنش در تحت شرایط نسبتاً ملایم صورت گیرد. با وجود این تفاوت‌ها در فرایندهای بیولوژیكی و فرایندهای شیمیایی معمولی، بسیاری از حوزه­ها وجود دارند كه یك مهندس بیوشیمی برای طراحی و اجرای عملیات فرایندهای بیولوژیكی می­تواند نقش داشته باشد.

نتیجه:



مطالب بالا به برخی از شیوه­هایی متعددی كه در آنها مهندس فرایند یا شیمی در توسعه صنعتی بیوتكنولوژی می­تواند نقش داشته باشد اشاره نمود. چالش‌های فراوانی برای مهندس شیمی در بیوتكنولوژی وجود دارد كه بسیاری از آنها هنوز بوجود نیامده‌اند. حوزه­هایی وجود دارند كه در آن مهندس و بیوتكنولوژیست باید با یكدیگر همكاری كنند تا اولاً مشكلات را مشخص كنند و ثانیاً راه حل­ها را پیدا نمایند.

عموماً در مقایسه با فرایندهای شیمیایی، فرایندهای بیولوژیكی، در سرعت‌های حجمی و غلظت‌های تولیدی پایین صورت می‌گیرند. ممكن است بابكار بردن برخی از روش­ها (به‌عنوان مثال، استفاده از تثبیت سلولی) فرآیند را بهبود داد. اما این مورد نیز دارای محدودیت است زیرا برخی میكروارگانیزم‌ها ممكن است شامل ویژگی­های فیزیولوژیكی و فیزیكی ایده­آل برای تثبیت نباشند؛ به­خصوص در آنجا كه رشد و حیات برای تولید نقش اساسی دارد. ممكن است برخی روش‌ها نیز جهت بهبود سرعت بكار 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 كلی فرایند، مهندسی شوند.

اكثر فرایندهای تخمیری كه از لحاظ تجاری بزرگ­مقیاس موفق بوده­اند مقادیر نسبتاً كمی را تولید كرده­اند. این فرایندها، فرایندهایی بوده­اند كه به صورت غیراستریل كار كرده­اند. در بخش استریلیزاسیون و نگهداری، هزینه­ها (اعم از عملیاتی یا سرمایه­ای) قابل توجه هستند و هر فرایندی كه بتواند این مراحل را نداشته باشد برای آن یك مزیت بحساب می­آید. این مورد می­تواند توسط دست­ورزی ژنتیكی صورت گیرد تا مزیت‌های مشابهی را به این گونه­های ضعیف­تر ببخشد.

همچنین فرایندهای با مقیاس بزرگ و با موفقیت بیشتر فرایندهایی هستند كه شرایط فرایندی پایین­دستی نسبتاً ساده دارند. اگرچه اخیراً توجهات بسیاری بر روی Scale up فرایندهای جداسازی خاص شده است (بر مبنای تكنیك‌های قابل دسترس در آزمایشگاه تجزیه) اما تقریباً گران بوده و بنابراین به محصولات با ارزش بسیار بالا محدود می­شوند