التكنولوجيا الحيوية هي تطبيق المبادئ الهندسية و العلمية على العوامل البيولوجية لتصنيع أو معالجة المواد. لها تطبيقات في صناعات متعددة.

الكائنات الحية هي المكون الأساسي للتكنولوجيا الحيوية لأنها تحتوي على مسارات التمثيل الغذائي و الإنزيمات الضرورية. تقوم هذه الكائنات بتحويل الركائز و المواد الخام لاستخدام المواد الكيميائية التي يمكن استخدامها في التطبيقات من خلال المسارات الأيضية.

يمكن إعادة تصميمه على المستوى الجيني باستخدام الهندسة الوراثية لتعظيم إنتاج المنتج المطلوب.يوضح الشكل 1 تصنيف التكنولوجيا الحيوية من حيث المواد الخام و الكائنات الحية المستخدمة و التقنيات المستخدمة و المنتجات و التطبيقات المختلفة.يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المواد الخام بما في ذلك المواد السليلوزية و الركائز القائمة على السكر والنفايات و المداخن الصناعية و الغاز التخليقي.

في حالات معينة مثل الأحماض الأمينية و البروتينات و منتجات الأدوية الأخرى؛ يتم استخدام مواد خام محددة للغاية و منقاة. في بعض الحالات، تُستخدم محرضات الجينات للحث على المسار الأيضي المحدد لإنتاج المسار المطلوب.

تطبيقات التكنولوجيا الحيوية في صناعات مختلفة تتراوح من مستحضرات التجميل إلى الكيماويات الزراعية حيث يتم استخدام القليل من المنتجات بشكل مباشر و يتم معالجة القليل منها للحصول على المركب المطلوب لأي تطبيق معين. قلة من المنتجات في الصناعات الغذائية و العقاقير و الكيماويات الزراعية تحتاج إلى موافقات تنظيمية لاستخدامها لأنها قد يكون لها تأثير على البيئة والسكان البشريين. تتمتع اللدائن الحيوية بجر أكبر في السنوات الأخيرة بسبب انخفاض السمية و انخفاض مستوى الكربون مقارنةً بنظيراتها القائمة على النفط الخام.

طرق و مسارات التكنولوجيا الحيوية

اعتمادًا على المواد الخام و التقنيات المتقدمة من حيث قدرة الكائنات الحية الدقيقة على معالجة المواد الخام، هناك مسارات متعددة لإنتاج المواد الكيميائية و المواد باستخدام طرق التكنولوجيا الحيوية.

لا يمكن استخدام القليل من المواد الخام بشكل مباشر للتخمير لأن الكائنات الحية الدقيقة قد لا تحتوي على الإنزيم المطلوب أو المسار الأيضي لمعالجتها. يمكن هندستها وراثيًا لاكتساب هذه القدرة، و مع ذلك، فإن المعالجة المسبقة هي خيار أفضل لمعالجة تلك المواد الخام.

يوضح الشكل 2 بعض المسارات المختلفة لتحقيق تصنيع المواد الكيميائية و المواد باستخدام التكنولوجيا الحيوية. يمكن أيضًا استخدام منهجيات التخمير المتعددة مثل التخمير السائل حيث يتم استخدام المخمر المملوء بالمغذيات بينما في حالة التخمير الصلبة، يتم استخدام المواد الخام ذات الشكل الصلب في الظروف البيئية التي يتم الحفاظ عليها من درجة الحرارة و الضغط. فيما يتعلق بمتطلبات الأكسجين، هناك نوعان من العمليات: الهوائية و اللاهوائية. 

بناءً على الكائن الدقيق و المخرجات المتوقعة، يتم تحديد هذه العمليات.علاوة على ذلك، فإن عددًا قليلاً من العمليات يستخدم الكائنات الحية الدقيقة مباشرةً في النظام، بينما يستخدم عدد قليل من العمليات الأخرى الإنزيمات المستخرجة من الكائنات الحية الدقيقة في هذه العملية. 

بناءً على عدد من الخطوات، يتم تحديد النظام. على سبيل المثال، إذا كانت هناك خطوات متعددة متضمنة لمعالجة المواد الخام لتصنيع مادة كيميائية، فإن الكائنات الحية الدقيقة الحية مفضلة لأن المسارات الأيضية متضمنة فيها. 

من ناحية أخرى، إذا تم تضمين أي خطوة مفردة معينة، فسيتم استخدام الإنزيمات المستخرجة. على سبيل المثال، يمكن إنتاج مادة الكيتوزان (مادة تستخدم في العديد من المنتجات الدوائية) باستخدام إنزيم الكيتين ديسيتيلاز الذي أزال مجموعة الأسيتيل من الكيتين.

الكيماويات و المواد المنتجة

في صناعة المواد الكيميائية و المواد، تُستخدم التكنولوجيا الحيوية لتصنيع عدد لا يحصى من المواد الكيميائية التي يمكن أن تكون لبنات بناء للمواد الكيميائية عالية الطلب أو يمكن استخدامها مباشرة في تطبيقات مختلفة.

يختلف تعقيد سلسلة القيمة للمنتجات بناءً على عدد الخطوات المتبعة للحصول على المنتجات النهائية المطلوبة. كما أنه يعتمد بشكل كبير على نوع المواد الخام المستخدمة. تتضمن سلسلة القيمة عمليات فيزيائية و كيميائية متعددة بعد أو قبل التخمير. على سبيل المثال، يمكن إنتاج حمض اللاكتيك مباشرة من تخمير السكريات باستخدام بكتيريا حمض اللاكتيك ثم بلمرة أخرى إلى حمض عديد اللبنيك (PLA) الذي يستخدم بكثرة في صناعة التعبئة و التغليف. 

يمكن أن يكون المسار الآخر هو تغويز النفايات لإنتاج الغاز التخليقي ثم التخمير باستخدام الميكروبات لإنتاج مواد كيميائية مختلفة.

قائمة المنتجات المعتمدة على التكنولوجيا الحيوية المنتجة بشكل رئيسي في صناعة الكيماويات و المواد:

• المواد الخافضة للتوتر السطحي (العوامل الجرثومية و النباتية الخافضة للتوتر السطحي).
• التحلل البيولوجي، سمية منخفضة للإنسان، و انخفاض السمية البيئية.
• التكلفة التنافسية هي العائق الرئيسي لاعتماد.
• البلاستيك و البوليمرات (bio-PBT ،Bio-PP ،PHA ،PLA، إلخ…).
• التحلل البيولوجي، و إعادة التدوير، و انخفاض السمية البيئية هي الدوافع.
• قامت الشركات باستثمارات كبيرة في تطوير البلاستيك و البوليمرات مع الأخذ في الاعتبار التأثير الضار للبلاستيك الخام.
• على الرغم من أن هذه المواد البلاستيكية تتطابق مع الخصائص التقنية لنظيراتها، إلا أن هناك حاجة إلى بذل جهود كبيرة في مجال البحث و التطوير لتقليل تكاليف إنتاجها.
• مستحضرات التجميل (مستخلصات نباتية، زيوت نباتية، مذيبات، حمض السكسينيك، إلخ…).
• السمية البشرية المنخفضة و انبعاثات غازات الدفيئة المنخفضة هما المحركان لمنتجات التكنولوجيا الحيوية في صناعة مستحضرات التجميل.
• يتم تنظيم هذه المكونات بشكل صارم لأنها تتلامس مباشرة مع البشر.
• معامل التكلفة ليس قيد هذه الصناعة.
• مواد التشحيم (إسترات الأحماض الدهنية، الزيت الأساسي، مواد التكثيف، إلخ…).
• تعتبر الاهتمامات البيئية لزيوت التشحيم القائمة على النفط الخام هي الدوافع الرئيسية.
• القابلية للتحلل البيولوجي، السمية البشرية المنخفضة، السمية البيئية المنخفضة، انخفاض غازات الدفيئة، و إعادة التدوير من المزايا المقدمة.
• الاستقرار في درجات الحرارة المنخفضة و مقاومة الأكسدة المنخفضة هي الحواجز.
• الكيماويات الزراعية (مبيدات الفطريات الحيوية، مبيدات الحشرات الحيوية، المعالجة البيولوجية للبذور، إلخ…).
• تكتسب المنتجات البيولوجية مزيدًا من الجذب بسبب انخفاض أو عدم وجود سمية على البيئة.
• يعد تكرار التطبيق و الأداء المتسق من التحديات الرئيسية مع هذه المنتجات
• هذه المنتجات منظمة للغاية و يجب تسجيل المكونات النشطة و هي عملية طويلة و مكلفة.
• المواد اللاصقة و الدهانات و الطلاء (أسيتات الإيثيل الحيوي، سكسينات ثنائي ميثيل، البوليولات الحيوية، إلخ…).
• السمية البيئية المنخفضة هي الاتجاه السائد في هذه الصناعات حيث تكون المذيبات هي المنتجات الرئيسية و الشركات تبتكر من أجل إيجاد بدائل مثل المنتجات القائمة على الإنزيم.
• تعتبر معلمات الأداء مثل المظهر المرغوب، و شرق التطبيق، و المتانة، و أوقات التجفيف مهمة لتعزيز التبني.
• السعر و الأداء من الحواجز الرئيسية لتبني منتجات التكنولوجيا الحيوية على نطاق واسع.
• أخرى (FDCA ،PEF، بيوتانيديول، بيوتيل لاكتات، إلخ…).

توفر التكنولوجيا الحيوية طريقة مستدامة لتصنيع منتجات معينة يمكن أن تكون بديلاً جيدًا للمواد الكيميائية و المواد التي تعتمد على النفط الخام. و مع ذلك، فإنها تواجه بعض العقبات التي تعوق حاليًا النطاق الواسع لاعتماد التكنولوجيا الحيوية في الصناعات المختلفة.

ما هي التحديات؟

• الوصول إلى المواد الأولية: تعتمد المواد الأولية المستخدمة في التكنولوجيا الحيوية بشكل خاص على الإنتاج الزراعي الذي يجب أن يتنافس طريق التكنولوجيا الحيوية مع الغذاء من أجله. على سبيل المثال، تُستخدم الذرة بشكل رئيسي كمواد خام للإيثانول الحيوي و أيضًا كمكون غذائي.
• المنافسة مع الصناعة الأحفورية القائمة: جميع المواد الكيميائية و المواد المنتجة حاليًا بالوقود الأحفوري كمواد خام. تم تحسين جميع العمليات و تكاليف الإنتاج لتحقيق الربحية المثلى. فيما يتعلق بالتكنولوجيا الحيوية، من الصعب التنافس مع العمليات و الأنظمة القائمة من حيث التكلفة و القدرة الإنتاجية.
• الحواجز التنظيمية: تختلف اللوائح عبر المناطق فيما يتعلق بالكائنات الدقيقة المستخدمة في الإنتاج. يمكن أن يؤدي التصنيع باستخدام الكائنات الحية المعدلة وراثيًا إلى اختلال التوازن.
• الحواجز المجتمعية: تحتاج غالبية الكائنات الحية الدقيقة إلى الهندسة الوراثية من أجل الحصول على طرق الإنتاج المثلى مع إمكانية معالجة المواد الخام المتعددة. تعارض مجموعات معينة في مناطق مختلفة مثل أوروبا استخدام الكائنات المعدلة وراثيًا (الكائنات المعدلة وراثيًا) في أي من الجوانب.
• الأسواق و التمويل و الاستثمار: تحتاج المنتجات القائمة على التكنولوجيا الحيوية إلى التنافس مع المنتجات التقليدية فيما يتعلق بالسعر النهائي الذي تُعرض به في السوق. يعتمد هذا السعر على التوازن بين طلب السوق و القدرة الإنتاجية للوصول إلى وفورات الحجم. أيضًا، استثمر اللاعبون بالفعل في العمليات الكيميائية التقليدية و هم مترددون في التحرك نحو استثمارات جديدة ما لم يتحقق عائد الاستثمار على العمليات التقليدية.

آفاق مستقبل التصنيع

يكون مستقبل التصنيع من خلال المسار الحيوي حيث يمكن استخدام المواد الخام الحيوية أو عمليات التكنولوجيا الحيوية لتصنيع مواد كيميائية و مواد مختلفة. غالبية سبب التحرك نحو هذا هو مزايا الاستدامة التي يقدمها مثل:

• المواد الخام القائمة على أساس حيوي منخفضة البصمة الكربونية.
• عمليات التكنولوجيا الحيوية التي تقلل إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة و تمنع أيضًا استخدام المواد الكيميائية الضارة بيئيًا في التصنيع.

تُستخدم التكنولوجيا الحيوية بطرق مختلفة فيما يتعلق بالاستدامة مثل:

• البلاستيك الحيوي: يمكن استخدامه لإنتاج مواد بلاستيكية حيوية معينة تقلل من البصمة الكربونية الإجمالية للمنتج النهائي بخصائص مماثلة لنظيراتها التقليدية.
• تحلل البلاستيك: تعمل بعض الشركات على تطوير كائنات دقيقة يمكنها تحلل البلاستيك و البعض الآخر يطور مواد مضافة تساعد على التحلل.
• اللحوم المزروعة: اللحوم المزروعة في المختبر هي طريقة مستدامة لاستبدال اللحوم التقليدية التي تنتج غازات الدفيئة و تستخدم أيضًا كمية كبيرة من الماء.
• الأسمدة الحيوية و المبيدات الحيوية: تعتبر الأسمدة الكيماوية من العوامل الرئيسية التي تؤثر على البيئة و مكوناتها بشكل كبير. تؤثر مبيدات الآفات الكيميائية أيضًا على البيئة و كذلك على صحة الإنسان بشكل كبير نظرًا لوجود مواد كيميائية سامة فيها. تقدم الأسمدة الحيوية و المبيدات الحيوية خيارًا مستدامًا جيدًا جدًا للأسمدة الكيماوية و مبيدات الآفات لأنها لا تطلق أي مواد كيميائية سامة و لا تستخدم الكائنات الحية الدقيقة و المستخلصات النباتية كمكونات نشطة.
• مواد البناء: طورت الشركات بكتيريا معينة يمكنها إصلاح المواد عندما تتعرض للتلف. كما يجري تطوير مواد بناء أساسها الطحالب.
• مستحضرات التجميل: تقوم الشركات بتطوير منتجات مشتقة من التكنولوجيا الحيوية يمكن استخدامها في مستحضرات التجميل مثل العناية بالبشرة و منتجات العناية بالشعر و التسويق كمواد منتجة بشكل مستدام.
• المنسوجات: يمكن استخدام التكنولوجيا الحيوية لإنتاج منسوجات قابلة للتحلل يمكن استخدامها في العديد من المنتجات. و من الأمثلة على ذلك حرير العنكبوت من خلال التخمير، و المواد القابلة للتحلل الحيوي للأحذية، و ألياف النسيج من الطحالب، و أصباغ النسيج المستدامة من التخمير.

علاوة على ذلك، فإن عددًا قليلاً من العمليات يستخدم الكائنات الحية الدقيقة مباشرةً في النظام، بينما يستخدم عدد قليل من العمليات الأخرى الإنزيمات المستخرجة من الكائنات الحية الدقيقة في هذه العملية. بناءً على عدد من الخطوات، يتم تحديد النظام. على سبيل المثال، إذا كانت هناك خطوات متعددة متضمنة لمعالجة المواد الخام لتصنيع مادة كيميائية، فإن الكائنات الحية الدقيقة الحية مفضلة لأن المسارات الأيضية متضمنة فيها. 

من ناحية أخرى، إذا تم تضمين أي خطوة مفردة معينة، فسيتم استخدام الإنزيمات المستخرجة. على سبيل المثال، يمكن إنتاج مادة الكيتوزان (مادة تستخدم في العديد من المنتجات الدوائية) باستخدام إنزيم الكيتين ديسيتيلاز الذي أزال مجموعة الأسيتيل من الكيتين.

التكنولوجيا الحيوية و الكيماويات و المواد المنتجة 

في صناعة المواد الكيميائية و المواد، تُستخدم التكنولوجيا الحيوية لتصنيع عدد لا يحصى من المواد الكيميائية التي يمكن أن تكون لبنات بناء للمواد الكيميائية عالية الطلب أو يمكن استخدامها مباشرة في تطبيقات مختلفة.

يختلف تعقيد سلسلة القيمة للمنتجات بناءً على عدد الخطوات المتبعة للحصول على المنتجات النهائية المطلوبة. كما أنه يعتمد بشكل كبير على نوع المواد الخام المستخدمة. تتضمن سلسلة القيمة عمليات فيزيائية و كيميائية متعددة بعد أو قبل التخمير. على سبيل المثال، يمكن إنتاج حمض اللاكتيك مباشرة من تخمير السكريات باستخدام بكتيريا حمض اللاكتيك ثم بلمرة أخرى إلى حمض عديد اللبنيك (PLA) الذي يستخدم بكثرة في صناعة التعبئة و التغليف. يمكن أن يكون المسار الآخر هو تغويز النفايات لإنتاج الغاز التخليقي ثم التخمير باستخدام الميكروبات لإنتاج مواد كيميائية مختلفة.