1- بوتانول

کلیات :

1-بوتانول (با تولید جهانی معادل 3 میلیون تن در سال 2011) یک حلال مهم برای نقاشی اتومبیل، یک ترکیب شیمیایی پایه برای تشکیل استر (به عنوان مثال برای تشکیل بوتیل سلولز) و سوخت زیستی می باشد. استون (با تولید جهانی معادل 7/6 میلیون تن در سال 2009)، محصول جانبی فرمنتاسیون 1-بوتانول هم به عنوان حلال استفاده می شود. در جنگ جهانی اول غالبا برای تولید ماده ی منفجره ی cordite (خرج یا باروت) توسط نیروی دریایی انگلیس مورد استفاده قرار می گرفت. هر دو ترکیب در حال حاضر از مواد خام پتروشیمی تهیه می شوند اما قبل از آن تا سال 1950 غالبا از طریق فرمنتاسیون توسط باکتری های Clostridium و نشاسته یا ملاس به عنوان منبع کربن تولید می شدند و اولین پروسه ی صنعتی تولید در سال 1915 توسط شیمیدان روسیه ای/انگلیسی Chaim Weizmann (که بعدا اولین رئیس جمهور اسرائیل شد) راه اندازی شد. به دلیل پیشرفت ژنتیک مولکولی و تکنولوژی پروسه، تولید هر دو حلال از طریق فرمنتاسیون مجددا از نظر اقتصادی مورد توجه واقع شد و در حال حاضر به عنوان تکنولوژی جایگزین تحت بررسی می باشد.

ارگانیسم و بیوسنتز 1-بوتانول :

در بین تعداد کمی از باکتری های بی هوازی که قادر به تولید استون و بوتانول هستند جنس Clostridium مهمترین مولد می باشد. طی فرمنتاسیون، در انتهای رشد سلولی یک تغییر مسیر از تشکیل بوتیریک اسید و استیک اسید به سمت تولید بوتانول اتفاق می افتد که همراه با کاهش pH به مقادیر کمتر از 5 می باشد. ترکیب محصول نهایی گونه به گونه متفاوت است. ارگانیسمی که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است Clostridium acetobutylicum می باشد که بالاترین مقاومت نسبت به حلال های سمی تولید شده حین پروسه را هم نشان می دهد.

این ارگانیسم از g 100 گلوکز، g 38 بوتانول و استون با نسبت 3:1 تولید می کند. یکی از محصولات جانبی این پروسه اتانول می باشد (فرمنتاسیون ABE). بسیاری از کلستریدیوم ها آنزیم های آمیلاز، آمیلوگلوکوزیداز و سایر هیدرولازهای خارج سلولی تولید می کنند به همین دلیل می توانند منابع کربن ارزان قیمت مانند نشاسته را متابولیزه کنند. استفاده از گلوکز و پنتوز های مشتق از بیوماس همچنین استفاده از لاکتوز آب پنیر هم مطالعه شده اند. آنزیم های دخیل در بیوسنتز هر دو حلال به خوبی مطالعه شده اند و ژن های آن ها کلون گردیده است.

پیروات از گلوکز طی گلیکولیز تولید می شود. در حضور پیروات/فردوکسین اکسیدوردوکتاز، پیروات تحت دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو قرار گرفته و به استیل کوآ تبدیل می شود که سپس این محصول طی فرایندهای احیایی و غالبا توسط NADH حاصل از گلیکولیز به چندین متابولیت دیگر شامل C2، C3 یا C4 احیا می شود. یک هیدروژناز هم که حضور دارد تعدادی از الکترون ها را به پروتون ها انتقال می دهد و هیدروژن تشکیل می شود. تنظیم این آنزیم ها با هدف تاثیر بر روی بازده و ترکیب حلال ها، همچنین بهینه سازی مسیر از طریق مهندسی متابولیک به طور وسیع مطالعه شده است. ژنوم C. acetobutylicum به طور کامل توالی یابی شده است و برای استفاده از این ارگانیسم در مهندسی ژنتیک جای امید واری وجود دارد چراکه شاتل وکتورهای E. coli و B. subtilis و فاژها و ترانسپوزون های خاص هم در دسترس می باشند. در حال حاضر توانستند با استفاده از مهندسی ژنتیک بازده بوتانول را به w/v 15% افزایش دهند در این پروسه استون به استوئین که عامل طعم کره هست تبدیل می شود.

فرمنتاسیون و بازیافت 1-بوتانول :

بیش از چهل سال است که تولید صنعتی استون و بوتانول توسط C. acetobutylicum در فرمانتورهای با حجم بالای m3 100 انجام می شود. در این پروسه هزینه ی سوبسترا جدود 60% هزینه ی انرژی برای تقطیر محصول 12% می باشد. پارامترهای تعیین کننده برای کاربرد مجدد فرمنتاسیون شامل بازده محصول نسبت به مواد خام مصرفی (کیلوگرم حلال تولید شده از هر کیلوگرم قند مصرفی) و بازده پروسه (گرم حلال تولید شده به ازای هر لیتر در هر ساعت) است. پروسه ی مدرنی طراحی شده است که در آن یک پروسه ی دو مرحله ای برای بازیافت محصول استفاده می شود ابتدا بیوفیلم ها بر روی رزین های با منافذ بزرگ اینتگره می شوند و به این ترتیب بازیافت حلال از طریق تبخیر بهبود می یابد.

جوانب اقتصادی تولید 1-بوتانول :

در حال حاضر، پروسه ی بسته (batch) مبتنی بر نشاسته ی ذرت یا ملاس به عنوان منبع کربن که بیش از 40 سال است در ایالات متحده ی آمریکا و آفریقای جنوبی استفاده می شود قابل رقابت با روش های سنتز مبتنی بر پتروشیمی نمی باشد. فقط چین است که کارخانجات بزرگتری دارد و پروسه ی صنعتی با حجم فرمنتاسیون بالغ بر m3 200 و تولید 30000 تن بوتانول مشغول به کار است. منبع کربن نشاسته ی ذرت و سویه ی مورد استفاده C. acetobutylicum EA2018 (سویه ای که از طریق مهندسی متابولیک بهینه سازی شده است به عنوان مثال در این سویه ژن adc کد کننده برای استواستیل دکربوکسیلاز حذف شده است) می باشد. بازده تولید g L-1 14 است و ترکیب محصول نهایی غالبا بوتانل می باشد (نسبت 2:7:1 به ترتیب استون:بوتانول:اتانول). پروسه های صنعتی در مقیاس کوچکتر با استفاده از کشت دائم C. acetobutylicum و گلوکز حاصل از بیوماس هیدرولیز شده در ایالات متحده ی آمریکا انجام می شود. بازده های بالایی با استفاده از E. coli تغییر یافته از طریق مهندسی متابولیک هم گزارش شده است.

نویسنده : طاهره صادقیان _ دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی دارویی _ علوم پزشکی اصفهان