Papel de la biotecnologia industrial

UNA FUTURA PERSPECTIVA SOBRE EL PAPEL DE LA BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS

John M. Woodley a Michael Breuer b ,Daniel Mink c

Centro de Ingeniería de Procesos y Tecnología, Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica de la Universidad Técnica de Dinamarca, DK-2800 Lyngby, Dinamarca b BASF SE químicos puros y biocatálisis Investigación GVF / E - A030, D-67056 Ludwigshafen, Alemania c DSM Chemtech Center, 6160 MD Geleen, Países Bajos

RESUMEN

El desarrollo de la tecnología del ADN recombinante, la necesidad de materias primas renovables y un perfil verde, sostenible para futuros procesos químicos han sido los principales conductores de la aplicación de la biotecnología industrial. El uso de la biotecnología industrial para la producción de productos químicos está bien establecida en la industria farmacéutica, pero se mueve hacia abajo la cadena de valor hacia productos químicos a granel. Los ingenieros químicos tendrán un papel esencial en el desarrollo de nuevos procesos en los que la necesidad es para los nuevos métodos de diseño para la implementación efectiva, tanto como las nuevas tecnologías. Lo más interesante es que el diseño de estos procesos se basa en un enfoque integrado de biocatalizador e ingeniería de procesos.

Palabras Clave: La biotecnología industrial; Biocatálisis; Ingeniería de proteínas; Diseño de procesos

1. INTRODUCCIÓN:

Este año la Federación Europea de Ingeniería Química (EFCE) celebra sesenta años de contribuciones a la industria química y las universidades (técnicas) que apoyan esa industria. Los últimos sesenta años se ha producido enormes avances en la industria química y la disciplina de la ingeniería química, como se refleja en los demás artículos de este número especial, y Europa ha tenido un papel importante que desempeñar en estos desarrollos. Por extraña coincidencia este año también marca el sexagésimo aniversario del descubrimiento de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN) (la doble hélice) por Watson y Crick en Cambridge (Reino Unido). Es este descubrimiento (para el que fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel en 1962, junto con Maurice Wilkins) que, más que ningún otro, ha llevado al desarrollo de una nueva rama de la ingeniería química. Hoy en día, la biotecnología industrial es una importante industria global y los ingenieros químicos no sólo han contribuido a este asombroso desarrollo, pero será cada vez más involucrado en el futuro también. Curiosamente bioprocesamiento es un área de innovación que conduce no sólo a la mejora de los procesos de los productos existentes, sino también una amplia gama de productos completamente nuevos. Desde el descubrimiento de la estructura del ADN, tomó otros veinte años para que los biólogos moleculares para desarrollar el conjunto de herramientas que hoy se refiere a la tecnología de ADN recombinante como. Estas herramientas permiten el acceso a nuevos huéspedes de expresión, la sobreexpresión de genes, la sobreproducción de proteínas y manipulación vía, así como el diseño de proteínas con nuevas propiedades (Tabla 1).Es este desarrollo que ha sido un gran conductor de este tipo para la biotecnología industrial permitiendo nuevas rutas a los productos químicos a través de biocatalizadores más baratos y hechos a medida (ya sea en el crecimiento celular, descansando aislado formato enzima celular o). Un segundo conductor es la necesidad de sustituir los recursos fósiles y con el tiempo paso a materias primas renovables. Un creciente reconocimiento de que tenemos recursos de materias primas alimenticias a base de fósiles, metales y otros reactivos limitado significa que una nueva ola de procesos se está desarrollando en base a azúcar y los aceites vegetales, así como los aceites usados ​​y grasas. Tales materias primas alimenticias están muy bien adaptadas a los métodos de procesamiento de base biológica, ya que las moléculas están ya altamente funcionalizados. El tercer conductor es la necesidad de procesos verdes (limpio), donde los residuos mínimo se produce así como el uso eficiente se hace de la energía utilizada en la producción del producto.

Los tres pilotos (es decir, la tecnología ADNr, cambio de materias primas y de impacto ambiental) contribuyen en última instancia, a la economía general del proceso, y por lo tanto el producto. Obviamente, por lo general será la solución más económica a un problema dado sintética que será implementado. De hecho una ruta con pocos pasos y de bajo impacto ambiental tiene la mayor posibilidad de éxito, no importa que la tecnología empleada. En este breve artículo, la motivación para el desarrollo de la biotecnología industrial para la producción de productos químicos se discutirá junto con una descripción de la función específica que debe desempeñar ingenieros químicos.[pic 1]

1. TIPOS DE BIOPROCESOS

Por supuesto, hay muchas formas de clasificar la gama de procesos químicos y bioquímicos de uso potencial en la industria de fabricación de hoy para producir la enorme diversidad de productos disponibles y útiles para la sociedad. Sin embargo, una clasificación instructiva es analizar la naturaleza de la alimentación stock, catalizador de la reacción y el producto. Fig. 1 ilustra la gama de procesos conceptuales convencionales y nuevos posibles. Procesos convencionales utilizan materias primas alimenticias a base de fósiles y catalizadores químicos para producir productos químicos. Fig. 1 también muestra que los productos químicos se pueden hacer con catalizadores químicos, pero el uso de nuevas rutas desde materias primas alimenticias renovables. Esta es un área cada vez más importante de la tecnología, aunque más allá del alcance de este artículo. Sin embargo, con un catalizador biológico (ya sea usando biocatálisis o fermentación) las opciones se incrementan. Por ejemplo, la alimentación de valores puede ser a base de fósiles, pero puede ser alternativamente renovable. Así mismo, el producto puede ser un producto químico o, alternativamente, una biomolecula más grande (una enzima, proteína, anticuerpo o péptido). Estos llamados «productos biológicos» (incluidos biofarmacéutica, biológicos y productos biosimilares) tienen un mercado importante, pero el alcance de este documento será exclusivamente de productos químicos. Curiosamente, el proceso para producir algunos productos se pueden clasificar en más de un concepto. Por ejemplo biodiesel (el alquil éster de ácido graso  resultante de la tras esterificación de aceite vegetal) se considera un producto químico de base biológica. La materia prima de alimentación stock para la fabricación de biodiesel puede provenir de recursos altamente renovables (como el aceite de los residuos o algas), hasta llegar a los aceites vegetales refinados (en competición a veces con alimentos - renovable pero no sostenible). Además, el catalizador de la reacción puede ser enzimática, química (alcalina) o una combinación. Incluso el alcohol co-sustrato (metanol o etanol) podría, en el caso del etanol ser de una fuente renovable (es decir, bio-etanol a través de la fermentación de azúcar o lignocelulosa) (Severson et al., 2013) .Este ejemplo ilustra bien la complejidad de la clasificación de tales sistemas. Sin embargo, es instructivo para hacer algún tipo de clasificación. En el futuro será cada vez más importante con el fin de entender los controladores para el cambio de los sistemas convencionales. Muchos de estos controladores para el cambio será establecer la agenda para la próxima generación de procesos de fabricación. En este trabajo el alcance es solamente acerca de los conceptos 3 y 4 (Fig. 1).

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