بخشی از مقاله
چکیده
با توجهبه بحران انرژِی موجود در جهان و بحث آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی، امروزه توجه خاصی به منابع جدید انرژی از جمله انرژی خورشید، انرژی باد، انرژی گرمایی زمین، انرژی هسته ای و دیگر فرمهای تجدیدپذیر انرژی معطوف شده است. استفاده از اتانل به عنوان سوخت و تولید سوخت های زیستی یکی از همین فرمهای تولید و استفاده از انرژی تجدید پذیر و پاک است دیدگاه استراتژیک دنیای امروز نسبت به سلولز در تولید سوخت پاک است. تبدیل میکروبی توده زیستی سلولزی به سوختهای زیستی راه حل امید بخشی است که می تواند هزینه فرآیندهای مربوط به تبدیل توده زیستی به سوخت را به شدت کاهش دهد. در این راستا مهندسی متابولیک میکرو ارگانیزم های تولید کننده اتانل در دو دهه اخیر به شدت مورد توجه واقع شده است.
کلمات کلیدی:توسعهی پایدار، سوختهای زیستی، مهندسی متابولیک
با توجه به بحران انرژِی موجود در جهان و بحث آلودگی ناشی از سوختهای فسیلی، امروزه توجه خاصی به منابع جدید انرژی از جمله انرژی خورشید، انرژی باد، انرژی گرمایی زمین، انرژی هستهای و دیگر فرمهای تجدیدپذیر انرژی معطوف شده است. استفاده از اتانل به عنوان سوخت و تولید سوختهای زیستی یکی از همین فرمهای تولید و استفاده از انرژی تجدیدپذیر و پاک است سلولز به عنوان محصول اولیه فتوسنتز - حدود 100 میلیارد تن وزن خشک در سال - و فراوان ترین ماده آلی قابل تجزیه در واقع یک منبع انرژی تجدیدپذیر محسوب میشود - . - Rastogi et al., 2009
از آنجا که منابع عظیمی از ضایعات لیگنوسلولزی می تواند به عنوان ماده اولیه جهت تولید این سوخت سازگار با محیط زیست و ارزان به کار گرفته شود و تعداد زیادی از کشورهای پیشرفته در زمینه تولید این محصول پیشرو هستند , طراحی و مهندسی یک سیستم با کارآیی قابل قبول جهت تولید بیواتانل در داخل کشور جذاب و کاربردی می نماید. اولین گام در این راستا توجه تبدیل توده ی زیستی با استفاده از آنزیمهای مناسب میباشد. اهمیت کاربرد آنزیمها در صنعت توسط محققین زیادی مورد تائید قرار گرفته است. نکته حائز اهمیت در این رابطه تولید آنزیمها با هزینههای معقول میباشد.
از طرفی دفع ضایعات منجر به مشکلات عدیده زیست محیطی میشود در حالی که از آنها می توان به منظور تهیه انرژی، غذا و سایر مواد مفید استفاده نمود. به عنوان مثال هیدرولیز کاغذ و تبدیل آن به قند و سپس الکل. به طور کلی منابع استحصال آنزیم ها شامل گیاهان، قارچ ها، جانوران و میکروارگانیسمها میباشند. تا دهه شصت میلادی، حدود 70 درصد از آنزیمها از بافتهای گیاهی و جانوری استحصال میشد، در حالی که پس از بیست سال این وضعیت به نفع منابع میکروبی تغییر نمود، - . - Lambert & Meers., 1983 بیشتر آنزیمهای گیاهی و جانوری پروتئاز میباشند که بصورت تجاری تهیه میشوند. در حال حاضرآنزیمهای میکروبی 90 درصد از کل بازار تجارت آنزیم را به خود اختصاص داده است. دلیل آن این است که میکروارگانیسمها دارای سیستمهای سلولی کارآمدی برای تولید آنزیم میباشند.
آن ها از نظر متابولیکی پیچیده بوده و بطور کامل تطابقپذیر میباشند. همچنین تکثیر آنها آسان و احتیاجات غذایی آنها ساده است، - . - Blanch and Clark, 1997 این مشخصهها منجر به آن شد که تولید آنزیمهای میکروبی قابل اعتماد، ساده و ارزان باشند. به دلیل زمینه های متنوع کاربرد آنزیمها در صنایع مختلف از جمله استفاده از آنزیمهایی با منشاء جانوری در صنایع غذایی و چرم و آنزیم هایی با منشاء گیاهی در صنایع غذایی، دارویی و تولید کشت مخمر و آنزیم های با منشا میکروبی که در کلیه صنایع کاربرد دارد، صنعت تولید آنزیم رشد چشمگیری داشته بنحوی که در سال 2005 حجم تجارت جهانی آن بالغ بر 2 میلیارد دلار رسید.
با توجه به اینکه یکی از دلایل گران قیمت بودن آنزیمها ، انحصاری بودن تولید آنها توسط برخی از کشورها. همچنین هزینههای مربوط به واردات آنها میباشد، تولید آنزیم مورد نیاز با هزینه مناسب و با استفاده از منابع در دسترس و ارزان میتواند گامی بسوی کاهش واردات باشد و منجر به بازده مناسب و سودمندی در صنایع مختلف گردد. . - Sukumaran et al., 2009 - تولید اتانل از منابع تجدید شونده راه نجات بخشی است که با خطر تجدید نا پذیری مواجه نمی شود. از طرفی هم میزان توده زیستی خشک در دسترس صنایع تولید کننده بیو انرژی حدود 1/3 بیلیون تن در سال است که می تواند %30 سوخت مورد نیاز حمل و نقل را تامین کند و عمده این سوختها در آمریکا و برزیل تولید می شود اما پیش بینی می شود این رقم تا سال 2025 به 36 بیلیون بشکه بیو اتانل برسد - . - Sun and Cheng, 2002 منبع عمده برای تولید اتانل سوختی در دنیا تخمیر گلوکز حاصل از نشاسته است ولی به علت کمبود مواد غذایی، تکنولوژیهای تولید اتانل از مواد سلولزی و ضایعات کشاورزی و تولید نسل دوم سوختهای زیستی1 به سرعت رو به گسترش است - . - Li et al., 2009
تخمیر محصولات هیدرولیز حاصل از توده زیستی توسط تکنولوژی سوخت های زیستی نسل دوم فرآیند مطلوبی است که به علت نبود میکروارگانیزم ایده آلی که قادر باشد تمامی قند های موجود در توده زیستی را تخمیر کند پیشرفت چندانی ندلشته. تولید سوخت های زیستی علاوه بر کاربردی بودن, باعث تکمیل چرخه کربن شده و باعث کاهش گازهای گلخانه ای می شود از اینرو ضرورت مهندسی متابولیک برای ایجاد سویه های مناسب هومواتانلوژنیک روشن می شود.
تبدیل میکروبی توده زیستی سلولزی یک استراتژی امید بخش است که می تواند هزینه فرآیندهای مربوط به تبدیل توده زیستی را کاهش دهد. بعد از سلولز گزیلان فراوانترین پلیمر گیاهی است از اینرو در بسیاری از تحقیقات، تبدیل میکروبی سلولز و همی سلولز مورد بررسی قرار می گیرد. سویه های رایج تولید کننده اتانل علاوه بر محدودیت مزوفیل بودن, نمی توانند همه قند های موجود در توده زیستی را تخمیر کنند و در اکثر فرآیند های مهندسی متابولیک این سویه ها هدف افزودن این قابلیتها می باشد. این دسته از باکتریها اغلب در تولید سوخت های نسل اول و با استفاده از منابع نشاسته ای به کار برده می شوند. اما ترموفیل ها در تولید سوختهای زیستی دارای چندین مزیت هستند از جمله بالا بودن دمای رشد و در نتیجه صرفه جویی در مصرف انرژی مورد نیاز برای سرد کردن سوبسترای پیش تیمار شده به علاوه تخلیص اتانل نیز در این دما تسهیل شده و همچنین اکثر سویه های ترموفیل مورد استفاده در این راستا کربوهیدراتهای پلیمری از جمله لیگنوسلولز را نیز هیدرولیز می کنند - - Margeot et al., 2009
در گلوگاه توسعه فرآیندی مقرون به صرفه برای تولید اتانل از سلولز, سرعت کم هیدرولیز آنزیمی لیگنوسلولز و قیمت نسبتا بالای تولید آنزیم و همچنین بازده کم تولید الکل وجود دارد. عواملی که بر هیدرولیز سلولز موثرند عبارتند از اسیدیته, قدرت یونی , دما , جذب بر سطح سلولز و عوامل شیمیایی مثل منبع نیتروژن , کربن و فسفر و ترکیبات فنلی.از طرفی تولید آنزیم نیز تحت کنترل شیمیایی و ژنتیکی است و روشهای مهندسی ژنتیک و شیمی موفقیت کمی در تولید آنزیم بیشتر و بهتر داشته اند و گاهی نیز از ترکیب چند میکرو ارگانیزم جهت ساکاریفیه کردن توده زیستی سلولزی استفاده شده است. از اینرو فرآیند 1CBP وارد عرصه شده تا با ادغام مراحل ساکاریفیه کردن و تخمیر هزینه ها را کاهش دهد. یکی از مزایای فرآیند تخمیر و ساکاریفیه کردن ادغام شده یا 2SSF پایین نگه داشتن سطح گلوکز و در نتیجه ممانعت از مهار سلولاز است. پس در واقع هدف اصلی ادغام هیدرولیز توده زیستی و تخمیر هیدرولیزات در یک راکتور کاهش هزینه هاست و در این مسیر دو دسته کلی از تغییرات ضروری به نظر می رسند:
مهندسی سلولهای سلولیتیک به منظور بهبود محصولات تخمیری و مهندسی سلولهای غیر سلولیتیک با راندمان خوب محصولات جهت سلولیتیک بودن. یک رویکرد دیگر نیز استفاده از کشت مخلوط باکتریهای سلولیتیک و تخمیر کننده است ولی مشکل موجود در این مورد سخت شدن حفظ تناسب بهینه های رشد و فعالیت آنهاست. رویکرد قابل توجه دیگر یافتن ترموفیل های تولید کننده سلولاز و الکل است. با استفاده از ترموفیل ها هزینه های تولید الکل کمتر می شود چون در دمای بالا سرعت انتقال جرم و حلالیت سوبسترا بیشتر است, سلولاز های مقاوم به حرارت, پایداری بیشتری را تامین کرده و سرعت را افزایش و نیاز به آنزیم را کاهش می دهند. از طرفی در دمای بالا شانس آلودگی کمتر شده و با کاهش ویسکوزیته امکان افزایش مقدار سوبسترا را ایجاد می کند .
مهندسی متابولیک میکرو ارگانیزم های تولید کننده اتانل در دو دهه اخیر مورد توجه واقع شده و بیشترین تمرکز بر ایجاد سویههای تخمیر کننده قندهایی غیر از گلوکز است و از باکتریهای روده ای , Zymomonas mobilis, Klebsiella oxytoca و مخمر ها استفاده شده است. در دسته ای دیگر از مطالعات از باسیلوس سوبتیلیس مهندسی شده برای تولید اتانل استفاده شد که یکی از خواص جالب این باکتری قابلیت ترشحی بالای آن و در نتیجه افزایش شانس ترشح سلولازهای نوترکیب در آن می باشد.یکی از منابع خوب تولید سلولاز های مختلف برای بیان در این ارگانیزم ها و یل برای هیدرولیز ادغام شده قارچ Hypocrea jecorina است. از جمله ترموفیل های مهندسی متابولیک شده می توان به Geobacillus thermoglucosidasius, Thermoanaerobacter mathranii, Clostridium acetobutylicumو Thermoanaerobacterium thermosaccharilyticum اشاره کرد. از معایب کلستریدیوم ها حساسیت به الکل و عدم تجزیه طیفی از پنتوز هاست . ترموانئاروباکتریوم ها از این لحاظ برتر هستند و اما ژئوباسیلوس علاوه بر دارا بودن صفات ایده آل از این مزیت نیز بهره می برند که برخی گونه های آن مثل G.Kaustophilus تعیین توالی شده است.
پایین و الکل بالا, pHبه طور کلی می توان گفت خصوصیات لازم برای تخمیر توده زیستی لیگنو سلولزی توانایی رشد در نیاز های تغذیه ای حداقل و ایمن بودن و همچنین قابلیت هیدرولیز قندهای 5 و 6 کربنه موجود در توده زیستی می باشد. بنابراین از جمله کاندید های فرایند تولید الکل لاکتیک اسید باکتریها هستند که تنها در فاز دوم تولید الکل کارایی 3 بودن این دسته از باکتریهاست ولی تا کنون بیشتر برای تولید الکل های کم کالری GRASدارند و یکی از فواید آنها ×مانند سوربیتول و مانیتول کاربرد داشته اند.
به طور کلی می توان گفت بیوتکنولوژی و مهندسی متابولیت افقهای بیکرانی در جهت تامین انرژیهای پاک و توسعهی پایدار پیش روی محققین قرار می دهد ولی نباید فراموش کرد این علم به خصوص در کشور ما در ابتدای مسیر قرار گرفته و همچنان نیازمند تحقیقات بنیادین و همکاریهای ارگانهای مختلف میباشد. فرآیندی است که طی آن تولید آنزیم، هیدرولیز سوبسترا و تخمیر همگی در یک فرمانتور انجام شود. -1 consolidated bioprocessing فرآیندی که هیدرولیز سوبسترا و تخمیر در یک فرمانتور انجام شود اما آنزیم -2 simultaneous saccharification and fermentation هیدرولیز کننده اولیه را می توان به صورت تجاری تهیه کرد. -3 Generally recognized as safe
