Bevezetés

Ma a világon a vegyi anyagok több mint 90%-át a kőolajipar által szolgáltatott fosszilis alapanyagok átalakítása útján nyerjük. Ez az arány az USA-ban 98%. Előrejelzések szerint 2025-ben az USA olajszükségletének már mintegy 70%-át behozatalból kell majd fedezni. Ehhez járul még, hogy a fosszilis energia-, illetve nyersanyagkészletek belátható időn belül jelentősen csökkennek, sőt ki is merülhetnek. Mindezek alapján teljesen érthető, hogy az elmúlt tíz évben nagyon felgyorsultak az alternatív alapanyagforrások iránti kutatások, mind az USA-ban, mind a világ más részein.

Mielőtt a szén-, illetve kőolaj alapú vegyipar kialakult volna, egy sor kémiai tömegterméket és szerves vegyületet mezőgazdasági biomasszából, mikroorganizmusok közreműködésével megvalósított fermentációkkal állították elő. E technológiák a már évezredek óta használt élelmiszeripari fermentációkból (sör-, bor-, ecet-, sajtgyártás) fejlődtek ki, és a 19. században már tudományos megalapozást is nyertek.

Ma e technológiák újrafelfedezésének vagyunk tanúi: egyre több figyelem fordul a kémiai alapanyagok előállításakor a mikroorganizmusok tevékenységét kihasználó bioalapú ipari eljárások felé. Elterjedőben van az ún. biorefinery koncepció (NREL, 2005), melynek alapján megújuló alapanyagokból (gabona, fa, olajos magvak) kiindulva kémiai alapanyagok tucatjai, majd ezekből vegyipari termékek százai állíthatók elő.

A biotechnológiák jellemzői

A 21. századot sokan a biotechnológia századának tekintik, és úgy vélik, hogy ma már a biotársadalom kialakulásának lehetünk tanúi. A biotársadalom mint fogalom azt jelenti, hogy az élet valamennyi területét átszövi a biotechnológia: a felhasznált nyersanyagok, alapanyagok és energia, valamit az alkalmazott technológiák jelentős része is valamiképpen kapcsolódik a biotechnológiákhoz. A biotechnológiákat manapság három fő csoportba sorolják: az elsőbe az ún. vörös biotechnológia tartozik, ami az emberi és állati egészséggel összefüggő biotechnológiai termékekre és szolgáltatásokra utal. A második a zöld biotechnológia, amely a mezőgazdasági és élelmiszergazdasági biotechnológiai felhasználásokat jelenti, és végül a fehér biotechnológia az ipar (beleértve az energiaipart is) biotechnológiája.

E területek közül ebben a tanulmányban csupán a fehér biotechnológiát érintjük, azon belül is csupán a kémiai ipari vonulattal foglalkozunk, a bioenergiáról nem lesz szó. Mielőtt azonban a tényleges témakörre rátérnénk, tekintsük át röviden a biotechnológiák jellemzőit és nyersanyagait.

A bioiparok, így a jövő kémiai iparainak is alapvető nyersanyaga a biomassza, ez az évenként megújuló, a napfény kimeríthetetlen energiáját befogó és fotoszintézissel kémiai energiává alakító növényi anyag. A biomassza évente sokmillió tonnányi mennyiségben áll rendelkezésre akár elsődleges növényi termék, keményítő vagy növényi olaj, vagy másodlagos, lignocellulóz tartalmú mezőgazdasági termékek formájában.

A cukor-, illetve növényolaj alapú vegyi anyagok előállításának rendkívül kedvezőek a társadalmi hatásai. Ezek közül néhányat az alábbiakban lehet összefoglalni:

• a mezőgazdaság és erdőgazdaság számára ma még kiaknázatlan termelési lehetőségeket teremt,

• környezeti, illetve klimatikus hatása kedvező, hiszen nem termel plusz szén-dioxidot,

• csökkenti az olajtól való függőséget, ezáltal nagyobb politikai és gazdasági biztonságot nyújt,

• kedvező tulajdonságú, nagy hozzáadott értéket képviselő termékeket állít elő és

• feltehetően ez esetben a génmanipuláltságot is elnézőbben fogadja a közvélemény, mint az élelmiszercélú mezőgazdasági terményeknél.

Fontos hangsúlyozni, hogy a kémiai alapanyagokat előállító, a környezetvédelemmel foglalkozó és a humán vagy egyéb gyógyszereket gyártó cégek (vagyis az összes, vörös, fehér és zöld terméket előállító vállalkozás) ugyanazt a biotechnológiát (rekombináns technikát, genomikát, proteomikát stb., ill. biomérnöki alapokat) alkalmazza; mára viszonylag egységes biotechnológiai tudományos háttér és mérnöki alkalmazási módszertan alakult ki.

A biotechnológiai eljárások alapvetően kétfélék lehetnek: (i) de novo fermentációk és (ii) bioátalakítások (biotranszformációk) (1. ábra).

A biotechnológiai eljárások főbb jellemzői az alábbiakban foglalhatók össze:

Egyetlen fermentációs lépésben komplex, szintetikusan csak több lépésben előállítható molekulák termelhetők.

Az előállítások nagymértékben specifikusak, pl. tiszta optikai izomerek állíthatók elő.

A reakciók enyhe, ún. fiziológiás körülmények között, rendszerint vizes oldatokban zajlanak le. Ugyanakkor egyes enzimekkel különleges reakciókörülmények (szerves oldószerek használata, nagyon magas hőmérséklet) is megvalósíthatók.

Nagy hozam, kisebb energiaigény jellemzi ezeket az eljárásokat.

Biotechnológiai eredetű platformok

Általánosságban elmondható, hogy a biotechnológiai alapú vegyipar alapvetően a mikroorganizmusok ún. elsődleges anyagcseretermékeinek de novo szintézisére épül, és ebben a legegyszerűbb két anyagcserefolyamat, a glikolízis és a citrátkör játszanak főszerepet.

A legismertebb példát, az etanolt átugorva (mivel az manapság elsősorban mint energiahordozó kerül szóba) legyen másik, két szénatomot tartalmazó példánk az ecetsav, mint a glikolízis több ezer év óta ismert és előállított egyik lehetséges anyagcsereterméke. Ez az egyszerű szerkezetű szerves sav egész sor további vegyület, illetve kémiai termék alapanyaga lehet (2. ábra).

A három szénatomot tartalmazó alapvegyületek közül a tejsav példáját nem lehet megkerülni, hiszen ez az egyik már jelenleg is hatalmas vegyipari jelentőségű anyagcseretermék. A tejsav platformnak olyan jelentős elemei vannak, mint az akrilsav (polimer alapanyag), a tejsav-észterek (például az etil- és butil-laktát), amelyeket zöld oldószerekként tartanak számon. Legjelentősebbnek azonban a dimer laktid tűnik, amelyből politejsav (PLA) állítható elő. A módszer már egy 1932-es DuPont-szabadalomból ismert. Az igazi termelési technológiát azonban egy amerikai kukoricatermeltető és feldolgozó vállalat, a Cargill fejlesztette ki, a Dow Chemical céggel közösen. A technológiára alapozott 140 000 t/év kapacitású PLA-üzemet a Nebraska állambeli Blairben építették meg, 1997-ben.

A PLA-nak rendkívül kedvező tulajdonságai vannak: többek között felhasználás után összeolvasztható és újrahasznosítható vagy komposztálható, azaz biológiailag teljes mértékben lebontható. Lényegesen kedvezőbb feltételek mellett állítható elő, mint egy sor, manapság használatos polimer: például előállításának fosszilis energiaigénye 30–50%-kal kisebb, mint a polisztirolé, illetve a PET-é. Fermentációja során nem képződik szén-dioxid, azaz a fotoszintézissel a légkörből kivont CO₂ mindaddig nem kerül oda vissza, amíg a tejsav le nem bomlik. Mindezek miatt

a PLA nagy lehetőségekkel kecsegtető polimer: hasznosítható termoplasztikus csomagolóanyagként, textilipari szálas anyagként, és mivel biokompatibilis, implantátumként, illetve célzott hatóanyag bejuttatására szolgáló hordozóanyagként is.

A három szénatomos glicerin kétféleképpen is képbe kerül, ha a fehér biotechnológia lehetőségeit vizsgáljuk. Egyrészt a glicerin maga fermentációs úton, cukorból állítható elő. E módszer azonban napjainkra, amikor a bioenergia egyik letéteményese a biodízel, lényegében jelentőségét veszítette. A biodízel előállításakor, a növényi trigliceridek átészterezésekor ugyanis nagy mennyiségű glicerin képződik. A problémát nem a glicerin előállítása, hanem inkább az jelenti, hogy ez a glicerinfelesleg milyen hasznos termékekké alakítható át.

Ismeretes, hogy az 1,3-propándiol (1,3PD) tereftálsavval alkotott kopolimerje a poli-trimetilén-tereftalát igen ígéretes műanyag, amelyet a Shell Corterra®, míg a DuPont Sorona® márkanéven nagy mennyiségben gyárt. E cégek az 1,3PD-t részben szintetikus úton, részben pedig már biotechnológiai módszerekkel, glükózból kiinduló de novo fermentációval állítják elő. A BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszékén egy olyan eljárás kifejlesztésén dolgozunk, amely az 1,3PD-t enzimes úton, glicerinből állítja elő, miközben az alapanyagként használt glicerin egy időben két különböző termékké diszproporcionálódik: az 1,3PD mellett ekvimoláris mennyiségű dihidroxi-aceton is képződik (3. ábra).

3. ábra • Az 1,3-propán-diol enzimes előállítása

A négy szénatomos alapanyagok közül a borostyánkősavat és az aszparaginsavat kell kiemelni. Előbbi anaerob baktériumokkal végzett fermentációkor a citrátkör egyes enzimeinek a megszokottól ellentétes irányban történő működése során keletkezik vegyes termékként, vagy több termékes fermentációban esetleg egyedüli termékként. A borostyánkősav előállítása kapcsán nagy szerepe jósolható a modern biotechnikáknak és a bioinformatika „omikáinak”, azaz a proteomikának, metabolomikának, valamint a metabolit mérnökségnek; e fermentáción ugyanis mind a végtiter, mind a produktivitás szempontjából még sokat lehet javítani.

A borostyánkősav egy sor oldószernek, intermediernek, műanyagnak lehet alapanyaga. Ezek közé tartozik a polibutilén-tereftalát, ill. a különböző poliészterek, így a biológiailag lebontható Bionolle és más poliamidok.

Az ugyancsak sokféle termékké továbbalakítható aszparaginsav közvetlen, de novo fermentációja még nem ismert. Előállítási módszerként egy enzimes eljárás, a fumársav biotechnológiai átalakítása jöhet számításba:

Ez esetben is nagy szerepe lehet az anyagcsere-mérnöki leleménynek, főképp a közvetlen fermentáció kidolgozásában.

Az öt szénatomos alapanyagok közül a glutaminsav az egyik, nagyipari körülmények között legrégebben előállított fermentációs ipari termék. Japánban már a hatvanas évek elején több ezer tonnát állítottak elő, ma több tízezer tonna az évenkénti világtermelés. Pontosabban nem a szabad savat, hanem elsősorban annak egy nátriumatomot tartalmazó sóját állítják elő, mivel az ötödik alapízért, az umamiért ez a vegyület a felelős. Jóllehet a nátriumsó természetesen átalakítható szabad savvá, az anyagcseremérnöki fejlesztések ez esetben olyan fermentációs eljárás kialakítására irányulnak, ahol fő termékként maga a szabad sav képződik. A szabad sav azután egy sor vegyület, például a glutársav, a prolin, vagy az 1,5-pentán-diol kiindulási anyaga lehet.

Mind az öt szénatomos glutaminsav mind a szintén öt szénatomos itakonsav ugyancsak a központi anyagcsereút, a citromsav ciklus terméke. Bizonyos fonalas gombákban a citromsav → izocitromsav átalakulás köztiterméke, a cisz-akonitinsav átalakulhat a telítetlen kötést tartalmazó itakonsavvá. Az itakonsav amellett, hogy platformalkotó, azaz egy sor vegyület kiindulási anyaga, maga is széleskörű felhasználással rendelkezik. Keresztkötő ágens vinilvegyületekben, textilszálak gyártásánál, akril-polimereknél mint harmadik monomert használják. Az itakonsav-kopolimerekből átlátszó, plexi tulajdonságú és speciális lencsék alapanyagául használható műanyagok készíthetők, akrilsav és itakonsav kopolimerizációjával kelátképző gyanták hozhatók létre és így tovább.

A biotechnológiában tehát – akár a de novo eljárásokat, akár a bioátalakításokat tekintjük – nagy lehetőség rejlik amiatt, hogy egyes, hagyományosan petrolkémiai alapon gyártott alapanyagok felválthatók cukoralapú alapanyagokkal. Egy-egy ilyen alapvegyületből nagyszámú intermedier, illetve végtermék állítható elő.

A bioeljárások területén nagyon gyors fejlődés várható. Ennek következményeként a kémiai ipar jelentősen át fog alakulni, és a mai vegyipari technológiák meghatározó részét biotechnológiák fogják felváltani. A fentiekben említett eljárások zöme már ma is adott, csupán gazdasági kérdés, hogy mikor kerülnek bevezetésre.

A gyors fejlődést az teszi lehetővé, hogy a biotechnológiában hihetetlen sebességgel keletkeznek új tudományos eredmények. Genomikai és proteomikai technológiák új enzimekhez, biokatalizátorokhoz vezetnek, amelyeket alapanyagok, intermedierek és termékek előállítására lehet felhasználni. Rekombináns technológiával és a genetikai mérnökség eredményeinek felhasználásával új mikrobákat állítanak elő, illetve extremofileket és más új exotikus mikrobákat vonnak be az ipari és környezetvédelmi eljárásokba. Ezáltal biomasszából kiindulva kémiai alapanyagok, polimerek, enzimek, üzemanyagok állíthatók elő (Frost, 2005).

A várható fejlődési ütemet jelzi, hogy egy kormányzati bizottsági jelentés szerint az USA-ban a biomassza mai, kb. 5%-os részesedését a vegyi anyagok előállításában 2010-re 12, 2020-ra 18, míg 2030-ra 25%-ra kívánatos növelni (Gavrilescu – Chisti, 2005)
 

Kulcsszavak: biotársadalom, fehér biotechnológia, cukoralapú technológiák, platformalkotó vegyületek
 

IRODALOM

Frost, John W. (2005): Redefining Chemical Manufacture. Replacing Petroleum with Plant-derived Feedstocks. Industrial Biotechnology. 1, 23-24.

Gavrilescu, Matia – Chisti, Yusuf (2005): Biotechnology—A Sustainable Alternative for Chemical Industry. Biotechnology Advances. 23, 471–499. 

NREL – National Renewable Energy Laboratory (2005): What is a Biorefinery? http://www.nrel.gov/biomass