الإنتاج الأخضر للمواد الكيميائية الصناعية
الإنتاج الأخضر للمواد الكيميائية الصناعية. تستهلك الصناعة كميات كبيرة من النفط الخام لإنتاج المواد الأساسية للأدوية، مستحضرات التجميل، البلاستيك، أو المواد الغذائية. وعلى الرغم من احتياج هذه العمليات للكثير من الطاقة وطرح النفايات، فإنّ العمليات البيولوجيَّة مع الإنزيمات يكون أكثر استدامة. يمكن لجزيئات البروتين تحفيز التفاعلات الكيميائية المختلفة دون الحاجة إلى مواد مساعدة أو مذيبات، لكنها باهظة الثمن مما يجعلها غير مُلفتة اقتصاديًا حتى الآن. لقد طور الباحثون في معهد كارلسروه للتكنولوجيا Karlsruhe Institute of Technology – KIT مادة بيولوجية جديدة تسهل استخدام الإنزيمات. تم تقديم النتائج في مجلة Angewandte Chemie.
يمكنك الاطلاع أيضًا على: طريقة STEP، للحصول على مواد كيميائية بطرق نظيفة
أهمية الحفّازات للمواد الكيميائية الصناعية
تضمن الحفّازات تفاعل سريع للمواد الأولية للحصول على المنتج النهائي المرغوب بأقل استهلاك للطاقة. لذلك تُعتبر ذات أهمية كبرى للصناعة الكيميائية، حيث يتم تطبيق الحفّازات في حوالي 90 ٪ من العمليات الكيميائية. يطوّر علماء KIT حالياً مادة بيولوجية بديلة صديقة للبيئة، وذات استهلاك منخفض للطاقة. يقول البروفيسور كريستوف نيماير Christof Niemeyer من معهد KIT للتطبيقات البيولوجية: “يجب استخدام هذه المواد ذات التحفيز الحيوي على المدى الطويل، في الإنتاج التلقائي للمركبات الأساسية ذات القيمة المضافة دون خطوات اصطناع وتنقية معقّدة ومع الحد الأدنى من النفايات الناشئة”.
تعديل الإنزيمات الطبيعية
لهذا الغرض قام العلماء بتعديل الأنزيمات الطبيعية بحيث:
- يتم تجميعها ذاتيًا داخل حفّاز حيوي مستقر.
- تنتج الأنزيمات مادة من نوع هلامي مُماثلة لعنصريين غرويين معًا.
- يتم تطبيق هذه المادة على رقائق بلاستيكية تحتوي انخفاضات على شكل أخاديد.
- يؤدي التجفيف إلى رفع التركيز وإنتاج هلام.
- ثم تُغطى هذه الشريحة برقائق بلاستيكية مما يمكّن من ضخ المواد المتفاعلة عبر الأخاديد لتحويلها إلى المنتجات النهائية بواسطة الحفّازات الحيوي.
- يبقى هلام الحفّاز الحيوي، ليس هنالك حاجة للمذيبات أو درجات الحرارة العالية والضغوط، مما يجعل العملية مستدامة للغاية ومتوافقة بيئياً.
معدلات التحويل في مفاعلات التدفق
بما أنّ حجم التفاعل كبير موجود على أصغر مساحة فإنّ معدلات التحويل في مفاعلات التدفق المصغرة (أوعية التفاعل الصغيرة) تكون عالية جدًا. لذلك، لا تزال العمليات ذات التحفيز الحيوي في بدايتها، حيث أنه لا تزال تتطلب مواد حاملة إضافية لتثبيت الأنزيمات ضمن المتفاعلات. مما يقلل المساحة المشغولة للحفّازات الحيوية. لكنّ المادة الحيوية الجديدة بالمقابل تلتصق بالحامل مما يمكّن من ملأ المفاعل بكمية قصوى من الحفّاز الحيوي. علاوة على ذلك، هذه المادة عالية الثبات تعطي مردود عالي في التفاعلات التي تتطلب مواد مساعِدة باهظة الثمن. بالإضافة إلى أنه يمكن إعادة تدويرها بالكامل، وقابلة للتحلل الحيوي.
أهمية المحفزات الحيوية مقارنة بالمواد الكيميائية
مقارنةً بالمواد الكيميائية تكون المحفزات الحيوية مفيدة بشكل بارز. عندما يتم إنتاج ما يسمى بالمماثلات، وهي عبارة عن مركبات صورة طبق الأصل لبعضها البعض. كقاعدة إذا كان هناك حاجة إلى مركب واحد للتفاعل يمكن أن يسبب المركب الثاني تأثيرات غير مرغوب بها. ولكن بمساعدة الحفّازات الحيوية يمكن إنتاج مركب واحد من هذين المركبين، في حين تتطلب العلميات الكيميائية مواد مساعدة باهظة الثمن لهذا الغرض أو لفصل المركب الغير مرغوب فيه.
تم تنفيذ العمل في إطار برنامج هلم هولتز “الروابط الحيوية في التكنولوجيا والطب”
حيث يقول نيماير: “إنّ أعمالنا في البحث والتطوير كانت متاحة فقط مع المعدات والبنية التحتية لهذا البرنامج”. وفي إطار هذا البرنامج، يتعاون علماء من KIT عبر التخصصات لدراسة واستخدام النظم البيولوجية للتطبيق اللاحق في الهندسة الحيوية الصناعية والطبية. يتطلب الجمع بين التخصصات العالية خبرة منهجية واسعة تغطي إنتاج المواد وتوصيفها بالإضافة إلى أساليب المحاكاة المستندة إلى البيانات. وهذه المعرفة متوفرة في KIT.
المصادر:
Peschke, T. & et al. Self-Assembling All-Enzyme Hydrogels for Flow Biocatalysis. Angewandte Chemie, 2018; DOI: 10.1002/ange.201810331
Green Production of Chemicals for Industry- Karlsruhe Institute of Technology- Retrieved December 29, 2018, from http://www.kit.edu/kit/english/pi_2018_158_green-production-of-chemicals-for-industry.php
