بسته به تعریفی که از بیوتکنولوژی داریم، بیوتکنولوژی میتواند به عنوان 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.
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.