Biotechnologische toepassingen in de industrie

De voorloper van biotechnologie is moderne biologie. Het heeft grote vooruitgang geboekt op het gebied van technieken voor het manipuleren van complexe organismen en heeft de kennis verbeterd met betrekking tot veel traditionele processen, die biologische middelen op een ongecontroleerde en weloverwogen manier gebruikten. 

Het zou echter onjuist zijn te zeggen dat de moderne fermentatiebiotechnologie in de industrie de bijgewerkte versie is van de oude fermentatieprocessen in de wijn- of kaassector of dat deze verband houdt met de ontdekkingen van de 19e-eeuwse microbiologie. 

In werkelijkheid is de huidige biotechnologie het resultaat van de toepassing van voor specifieke doeleinden geselecteerde en gemanipuleerde micro-organismen.

Als voorbeeld noemen we twee industriële aspecten van moderne fermentatiebiotechnologie: eerst biomassa verkrijgen uit actief slib, vervolgens selectie en grootschalige vermeerdering van specifieke Clostridium-stammen voor de productie van aceton en butanol. 

Deze twee processen, bijna een eeuw geleden in Manchester gemaakt, zijn typische voorbeelden van biotechnologie in brede zin en vertegenwoordigen de twee gebieden van de biotechnologie-industrie

Het begin van biotechnologie

Biotechnologie is in veel opzichten een oude wetenschap. Dus, zonder de principes van fermentatie of genetica te kennen of te begrijpen, heeft de mensheid sinds de oudheid bepaalde biotechnologische processen gebruikt voor de productie van kaas, brood, wijn, voor selectief fokken van dieren, selectieve teelt van planten, enz.
Betreffende de term “biotechnologie” , werd het bedacht door Karl Ereky in 1919 om de interactie tussen biologie en technologie te beschrijven.

Biotechnologie is echter niet alleen biologie en technologie, het is een multidisciplinaire inspanning die de mensheid al meer dan 5000 jaar levert. Met het begin van de plantenteelt, veeteelt, bier- of wijnbereiding en kaasproductie was het de toepassing van de principes van biotechnologie in brede zin die we implementeerden. 

In feite is de eerste fase van biotechnologische ontwikkeling het gebruik van fermentatietechnieken.

Pas later in de jaren zeventig begonnen we ze toe te passen op de spectaculaire resultaten van opkomende technieken in de moleculaire biologie. De term “biotechnologie” verscheen relatief recent in de gemeenschappelijke taal.

Hier zijn de belangrijkste gebieden van biotechnologieprocessen in het verleden:

1. alcoholische dranken (prehistorisch)
2. bier maken (3.000 voor Christus)
3. brood maken (3.000 voor Christus)
4. uitwerking van azijn (14e eeuw)
5. beschrijving van gistcellen door Leeuwenhoek (1689)
6. ontdekking van de fermentatie-eigenschappen van gisten door Erxleben (1818).

Ook de traditionele toepassingen van biotechnologie zijn talrijk. Een eenvoudig voorbeeld is composteren, waardoor de vruchtbaarheid van de aarde toeneemt door de afbraak van organisch materiaal door bodemmicro-organismen. 

Andere veel voorkomende toepassingen zijn de productie en het gebruik van vaccins. De voedingsindustrie biedt ook veel voorbeelden van biotechnologieprocessen met de productie van wijnen, bier, kaas, yoghurt, brood, etc.

Moderne biotechnologie

De huidige interesse van biotechnologie ligt in het potentieel dat wordt geïmpliceerd door de combinatie van processen en biologische methoden (oud en modern) en technieken van chemische engineering en elektronica. 

De grafische weergave van moderne biotechnologie zou een boom zijn met wortels in de biologische wetenschappen (microbiologie, genetica, moleculaire biologie, biochemie) en de takken, chemische engineering van processen in de breedste zin van het woord.

De geboorte van moderne biotechnologie wordt geassocieerd met de ontwikkeling van productieprocessen voor penicilline op industriële schaal. Tijdens de Tweede Wereldoorlog was er veel vraag naar antibiotica, wat een stimulans was voor de gezamenlijke inspanningen van ingenieurs in de chemie en microbiologen, die hebben geprobeerd massaal penicilline te produceren met behulp van fermentatiemethoden. 

Vervolgens heeft de moderne biotechnologie-industrie zichzelf een doel gesteld om enzymen te gebruiken. De enzymen zijn de actieve ingrediënten in micro-organismen en de echte makers van bioreacties .

In tegenstelling tot micro-organismen kunnen enzymen bijna analoog aan een chemisch molecuul worden gemanipuleerd, ze hebben niet zoveel nevenreacties en vermenigvuldigen zich niet, waardoor biomassaproblemen worden vermeden. 

Deze laatste factor kan echter ongemakkelijk worden omdat enzymen meestal co-enzymen of mediatoren nodig hebben om te werken en eenmaal gedeactiveerd, zijn ze nutteloos in bioreacties . De eerste toepassingen van enzymen in de biotechnologie-industrie waren de productie van zoetstoffen (zoals het verkrijgen van fructosesiroop uit tarwe) en het gebruik van lipasen en proteasen in detergentia om moeilijke vlekken te verwijderen.

Het gebruik van specifieke enzymen, vaak van genetisch gemanipuleerde micro-organismen, kondigt de tweede generatie industriële biotechnologie (of moderne biotechnologie) aan, die microbiologie, biochemie en procestechniek al duidelijk integreert.

De nieuwste generatie biotechnologie

Biotechnologie begint in de jaren zeventig als een moderne wetenschap te worden beschouwd dankzij de vooruitgang in de moleculaire biologie en genetica. 

Deze vooruitgang is de oorsprong van klonering en recombinant DNA-technieken die wetenschappers in staat hebben gesteld de cellulaire functies en hun componenten in levende wezens beter te begrijpen en die de ontwikkeling mogelijk hebben gemaakt van nieuwe methoden voor het isoleren van moedercellen en genen levende organismen om de producten te produceren van hun metabolisme in vitro, dan voorheen kon je het alleen krijgen met behulp van het levende organisme.

De moderne biotechnologie ontkent haar verleden niet, integendeel omdat ze haar in haar nieuwe methoden en technieken heeft geïntegreerd. Het omvat dus een breed scala aan producten en diensten die zijn gebaseerd op de spectaculaire huidige vooruitgang in genetische manipulatietechnieken. 

Het vermogen om de meest elementaire genetische informatie, DNA, te manipuleren, heeft geresulteerd in een exponentiële toename van het aantal recombinant DNA van technologiebedrijven. Veel geneesmiddelen worden al gemaakt met synthetische enzymen en micro-organismen; dit zijn producten die stoffen bevatten zoals insuline, interferon of activerende plasmiden en die in het verleden erg ingewikkeld of erg duur waren om te vervaardigen.

Het beperken van biotechnologie tot recombinante DNA-technieken is echter een vergissing: de moderne biotechnologie is meer dan dat, het gaat om de toepassing, op veel gebieden, organisaties die met deze technieken worden gemanipuleerd of geselecteerd om producten met een hoge toegevoegde waarde te verkrijgen. 

Bijgevolg zijn de technologieën die deel uitmaken van het moderne concept van biotechnologie:

1. recombinant DNA (genetische manipulatie),
2. de kweek van plantenweefsels,
3. kweek van zoogdiercellen,
4. biokatalysatoren,
5. behandeling en hergebruik van afvalproducten via biotechnologische methoden (bioremediatie),
6. fermentaties,
7. verkrijgen van biotechnologie van brandstof en organische grondstoffen als alternatief voor aardolie,
8. biotechnologische procestechniek.

We denken dat het belangrijk is om twee andere huidige toepassingen van biotechnologie te noemen die, naast het imago van de gezondheidssector, het gebruik van genetische manipulatie inhouden: bioremediatie en schonere technologieën.

Methoden voor de behandeling van giftige en organische afvalstoffen zijn over het algemeen duur en kunnen tot nieuwe milieuproblemen leiden.

Genetische manipulatie maakte het mogelijk onschadelijke micro-organismen en specifieke enzymen te verkrijgen voor de afbraak en het metabolisme van giftige restproducten. 

In het afval van de verwerkende sector wordt dit gebruik van gemanipuleerde of geselecteerde micro-organismen of de enzymen die ze produceren bioremediatie genoemd. 

Hier zijn enkele voorbeelden van bioremediatie-technieken: methaan en gas uit vast stedelijk afval, vertering van plantenafval via bacteriën, biologische zuiveraars, biomassa verkrijgen uit organische bijproducten, vertering van olievlekken via micro-organismen, enz.

Aan de andere kant passen verschillende industriële sectoren momenteel biotechnologische technieken toe om industriële technieken te vervangen die gevaarlijk zijn voor het milieu of deze veroorzaken. vervuilen. 

Het gebruik van micro-organismen of enzymen is een schonere techniek of minder vervuilend en meer biologisch afbreekbaar afval. Er is dus in situ vermindering van de schadelijke effecten van afval, evenals de hoeveelheid ervan, maar ook zeer vaak vermindering van waterkosten en energie.

Belangrijkste biotechnologische gebieden

Biotechnologie kan op twee verschillende manieren worden bekeken: vanuit een horizontaal perspectief, dat de gebruikte technieken onderscheidt (biotechnologie velden) of vanuit een verticaal oogpunt, dat zich richt op industriële toepassingssectoren.

De domeinen van de biotechnologie, hierboven geciteerd, maar die we nu in meer detail zullen onderzoeken, zijn de volgende:

1. recombinant DNA (genetische manipulatie),
2. het kweken van plantenweefsels,
3. het kweken van zoogdiercellen,
4. biokatalysatoren,
5 behandeling en hergebruik van afvalproducten via biotechnologische methoden (bioremediatie),
6. fermentaties,
7. verkrijgen van biotechnologie van brandstof en organische grondstoffen als alternatief voor aardolie,
8. biotechnologische procestechniek