تحقیق درباره بیوتکنولوژی، دی اکسید کربن، شیمی درمانی، مقیاس تجاری

دانلود پایان نامه ارشد

اتانل به جای مخمر نان منجر می‌شود. برای حل این مشکل، غلطت سوبسترای کربن اولیه در حد پائین نگه داشته شد و به این ترتیب، اکسیژن از حالت سوبسترای محدود کننده خارج شد. با ادامه فرایند، محیط کشت به آرامی به فرمانتور اضافه می‌شد. این روش که اکنون به نام فرآیند غیر مداوم خوراک‌دهی شده (fed batch) شناخته می‌شود، به‌طور گسترده‌ای در صنایع تخمیری استفاده می‌شود. توسعه فرآیند تخمیر استن – بوتانل در طول جنگ جهانی اول به وسیله ویزمن، به ایجاد اولین فرایند واقعی تخمیر در موقعیت سترون منجر شد.
تمام فرآیندهایی که در اینجا نام برده شد، در صورت استفاده از مایه تلقیح مناسب و رعایت استانداردهای بهداشتی، می‌توان در وضعیت آلودگی نسبتاً کم اجرا کرد اما تخمیر بی‌هوازی بوتانل، نسبت به آلودگی حاصل باکتری‌های هوازی در مراحل اولیه تخمیر و نیز نسبت به باکتری‌های بی‌هوازی تولیدکننده اسید در مراحل بی‌هوازی تخمیر، حساس بود. فرمنتورهای مورد استفاده برای این منظور، استوانه‌هایی عمودی از جنس فولاد نرم بودند که پایین و بالای آن‌ها به شکل نیمکره ساخته شده بود. این فرمنتورها قابل سترون‌سازی تحت فشار بود و به گونه‌ای ساخته شده بودند که احتمال آلودگی به کمترین مقدار کاهش یابد.
مرحله سوم توسعه صنعت تخمیر (1940-1959 ) در خلال جنگ جهانی دوم و با توجه به ضرورت‌های آن دوره، یعنی تولید آنتی بیوتیک در شرایط غوطه‌ور و کاملاً سترون روی داد. تولید پنی‌سیلین، فرآیندی هوازی و نسبت به آلودگی بسیار حساس و آسیب پذیر است. دیگر مشکلات در تولید صنعتی پنی‌سیلین، هوادهی حجم عظیمی از محیط کشت با استفاده از هوای سترون و نیز هم زدن این محیط کشت لزج بود. همچنین پنی‌سیلین در مقادیر بسیار کم ( حدود 001/0 گرم بر لیتر) تولید می‌شد و بنابراین تولید صنعتی آن مستلزم اجرای روش‌های توسعه سویه به منظور دستیابی به گونه‌هایی برتر و با توانایی تولید بیشتر بود. با توجه به این مشکلات، دانشمندان در ابتدا درباره موفقیت تولید صنعتی پنی‌سیلین به روش تخمیر تردید داشتند، لذا تلاش‌های بسیاری از شیمی‌دانان برای تولید پنی‌سیلین به روش شیمیایی مصروف گشت اما به زودی دشواری بسیار در تولید پنی‌سیلین به روش شیمیایی مشخص شد. به این ترتیب، دانشمندان با همکاری شرکت‌های بزرگ دارویی، تلاش خود را برای تولید پنی سیلین به روش تخمیر از سر گرفتند. علاوه بر مشکلات مذکور در زمینه طراحی فرمنتور در مراحل بازیافت محصول و خالص سازی آن نیز موانع بسیاری وجود داشت. ماهیت و طبیعت بسیار آسیب پذیر پنی‌سیلین، ابداع روش‌های جدیدی را برای بازیابی و تخلیص محصول ایجاب می‌کرد برای مثال مشخص شد که می‌توان مجموعه‌ای از تغییرات معین pH و استخراج سریع به روش مایع – مایع را برای این منظور به‌کار گرفت. پس از مدت‌ها تلاش و کوشش خستگی ناپذیر، اولین واحد تولید صنعتی پنی‌سیلین به روش تخمیر غوطه‌ور ساخته شد.
موفقیت‌های حاصل در زمینه تولید پنی‌سیلین، پایه و اساس توسعه فرآیندهای جدید و تولید محصولات جدیدی مانند غیر مداوم و نیمه مداوم در صنعت تخمیر معمول بود، اما استفاده از روش رشد مداوم میکروارگانیسم‌ها، افزودن محیط کشت تازه و خارج کردن محیط کشت مصرف شده در مقیاس صنعتی، بسیار محدود بود و چندین شرکت، فرآیندهای مداوم را برای تولید توده زیستی ارائه دادند که مهمترین آن‌ها، فرایند تولید پروتئین خوراک دام ICI بود که از یک فرمنتور سیکل فشاری مداوم با ظرفیت 3000 مترمکعب برای کشت متیلوفیلوس متیلوتروفوس با متانول به عنوان منبع کربن استفاده می‌کرد. عملیات مداوم فرمنتور بسیار بزرگ، در طی یک دوره زمانی بیش از 100 روز، مشکلات عدیده‌ای در انجام یافتن فرآیند به صورت سترون، سبب می‌شد که حتی از مشکلات حاصل در صنعت آنتی‌بیوتیک در دهه 1940 نیز حادتر بود. تلاش برای اجرای فرآیند در فرمنتورهایی از این نوع به‌صورت سترون، به ساخت فرمنتورهایی با استاندارد بالا، سترون سازی مداوم جریان‌های ورودی فرمنتور و استفاده از سامانه‌های رایانه‌ای برای کنترل فرمنتور و همچنین فرآیند سترون‌سازی منجرشد. فرایند ICI از نظر فنی پیشرفت بزرگی محسوب می‌شد اما پس از تولید ارزان قیمت کنجاله سویا و پودر ماهی‌، این فرایند از نظراقتصادی با شکست مواجه شد و توقف این فرآیند در سال 1989 به مثابه پایان دوره‌ای کوتاه اما هیجان انگیز در این صنعت بود.
با آنکه توده زیستی، محصول ارزان قیمتی است که در حجم بالا تولید می‌شود، پنجمین مرحله توسعه صنعت تخمیر، به تولید محصولاتی در حجم کم اما با ارزش بسیار بالا منجرشد. توسعه روش‌های دست ورزی ژنتیکی آزمایشگاهی که معمولا با نام مهندسی ژنتیک شناخته می‌شوند، بیان ژن‌های انسانی و پستانداران را در میکروارگانیسم‌ها ممکن ساخت و به این ترتیب تولید پروتئین‌های انسانی برای مقاصد درمانی در مقیاس زیاد امکان پذیر شد. شرکت‌های بزرگ داروئی از فنون جدید مهندسی ژنتیک برای کمک به کشف محصولات طبیعی و طراحی داروها استفاده می‌کنند.
انسولین و هورمون رشد انسانی، دو پروتئین نوترکیبی است که با اقبال زیادی مواجه شد، اما محصولات دیگری هستند که احتمالا در آینده فروش بیشتری خواهند داشت. برای مثال عامل تقویت‌کننده کلنی گرانولوسیت (CSF-G ) که در شیمی درمانی سرطان استفاده می‌شود.
بهره‌برداری از فنون مهندسی ژنتیک تقریبا مصادف با تحول بزرگ دیگری در زیست فناوری یعنی تولید پادتن‌های تک دودمانی شد که پیشرفت صنعت تخمیر را تحت تأثیر خود قرار داد. به این ترتیب، فرآیندهای کشت سلول حیوانی برای تک دودمانی‌ها، در مقیاس تجاری بهره‌برداری شد. همچنین سلول‌های حیوانی به عنوان میزبان برای تولید برخی از پروتئین‌های انسانی استفاده شد. فرآیندهای سلولی حیوانی مبتنی بر فناوری کشت سلول بود اما مسائل و مشکلات جدید ایجاد شده در این فرآیندها باید برطرف می‌شد. برای مثال، سلولهای حیوانی در مقایسه با سلول‌های میکروبی، بسیار ضعیف و شکننده هستند، تراکم سلولی قابل دسترس در فرایندهای سلول حیوانی در مقایسه با فرٱیندهای میکروبی کم‌تر و محیط کشت مورد استفاده برای فرآیندهای سلول حیوانی نیز بسیارپیچیده و گران‌قیمت است.
پیشرفت‌های متعدد در مهندسی ژنتیک، تا حدودی پیشرفت‌هایی را که آن سال‌ها در زمینه تولید محصولات جدید بر اساس فرآیندهای متداول میکروبی به وجود آمده، تحت تأثیر قرار داده است، اما با ‌توجهی که صنعت داروسازی به متابولیت‌های میکروبی نشان داده، در سال‌های اخیر محصولات جدیدی به بازار عرضه شده است. باکلند (1992) از چهار متابولیت ثانویه نام برده که در اواخر دهه 1980 به بازار عرضه شده است. این چهار متابولیت ثانویه عبارتند از: سیکلوسپورین، ایمی‌پنم، لواستاتین و ایورمکتین.
اکنون مجموع فروش این چهار محصول بیش‌تر از مجموع فروش کل محصولات نوترکیب است. بنابراین، هنوز این سخن فاستر (1949) جای تأمل دارد که گفته است: ” هرگز توان میکروب‌ها را دست کم نگیرید “(9).
بیوتکنولوژی صنعتی
همانگونه که اشاره شد، آخرین مرحله توسعه فرآیندهای تخمیری مقارن با ابداع فناوری نوترکیب سازی DNA و توسعه فنون مهندسی ژنتیک بود. در ابتدا فناوری DNA نوترکیب بیشتر برای تولید فرآیندهای داروئی استفاده می‌شد ولی پس از مدتی دانشمندان به فکر استفاده از قابلیت‌های ایجاد شده از این فناوری برای تولید محصولات شیمیایی افتادند. به این ترتیب از فنون مهندسی ژنتیک برای افزایش میزان تولید محصولات شیمیایی به وسیله موجودات زنده تولید کننده و یا تولید این فراورده‌ها در موجودات زنده‌ای که در حالت طبیعی آن‌ها را تولید نمی‌کنند، به صورت فزاینده‌ای استفاده شدند.
استفاده از فناوری‌های زیستی برای تولید فرآورده‌های شیمیایی در فرایندهای صنعتی “بیوتکنولوژی صنعتی ” نام گرفت و این عبارت به صورت گسترده‌ای از دهه 1980 به بعد در منابع علمی استفاده شد.
بیوتکنولوژی صنعتی که اغلب به عنوان بیوتکنولوژی سفید نیز شناخته می‌شود، تبدیل زیستی مواد آلی خام مورد استفاده از زیست توده ( بیومس ) یا مشتقات آن به مواد شیمیایی و یا انرژی می‌باشد. به طور خاص، بیوتکنولوژی صنعتی یا بیوتکنولوژی سفید، تولید انواع محصولات شیمیایی خالص و فله‌ای مانند اسیدهای آمینه، ویتامین‌ها، آنتی بیوتیک‌ها، آنزیم‌ها، اسیدهای آلی، پلیمرها و دیگر محصولات شیمیایی را در بر می‌گیرد(36).
بخش انرژی ایالت متحده پیش بینی نموده است که ارزش محصولات شیمیایی تولید‌شده با استفاده از زیست فناوری صنعتی تا سال 2015 به بیش از 100 میلیارد دلار و تا سال 2030 به بیش از 400 میلیارد دلار خواهد رسید و به این ترتیب بیش از 50 درصد از سهم بازار این گونه فرآورده‌ها را به خود اختصاص خواهد داد. براساس پیش‌بینی دیگری، تا سال 2015 بین 10 تا 20 درصد از کل مواد شیمیایی آلی از طریق روش‌های زیستی تولید خواهد شد. در تاریخچه نسبتاً کوتاه خود، بیوتکنولوژی صنعتی توانسته است محصولات مختلفی را از طریق تجاری‌سازی فرآیندهای تخمیری به بازار عرضه نماید.
عوامل مختلفی در توسعه سریع بیوتکنولوژی صنعتی طی سال‌های گذشته دخیل بوده‌اند که برخی از مهمترین آنها عبارتند از :
فرآیندهای زیستی در مقایسه با فرآیندهای شیمیایی ضایعات کمتری تولید می‌کنند و بازدهی بالاتری از نظر انرژی و استفاده از منابع دارند. استفاده از فرآیندهای زیستی، علاوه بر نیاز به دمای پایین‌تر (کاهش مصرف انرژی)، بازده بالاتری دارد و غلظت نهایی محصول بدست آمده نیز بالاتر است.
در فرآیندهای شیمیایی، مواد اولیه مورد استفاده، معمولاً منابع فسیلی هستند و این فرآیندها همراه با تولید مقادیر زیادی از گازهای گلخانه‌ای از جمله گاز دی اکسید کربن هستند که افزایش میزان این گازها در جو زمین، تغییرات آب و هوایی شدیدی را در سال‌های گذشته به‌وجود آورده است. این در حالی است که در فرآیندهای زیستی، از زیست توده به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود و کربن موجود در زیست توده از طریق تثبیت گاز دی اکسید کربن موجود در اتمسفر به وجود آمده است و لذا این فرآیندها از نظر تولید گاز دی اکسید کربن خنثی هستند.
محصولات تولید شده به وسیله فرآیندهای زیستی، زیست تخریب پذیرند و بنابراین خطرات کمتری برای محیط زیست ایجاد می‌کنند.
زیست فناوری امکان تولید طیف وسیعی از مولکول‌ها با تنوع بسیار زیاد و ساختارهای جدید را فراهم می‌کند که ساخت این گونه مولکول‌ها از طریق فرآیندهای متداول شیمیایی بسیار مشکل و در بسیاری از موارد غیر ممکن است(9).

نقش مهندسی متابولیک در توسعه سویه‌های صنعتی
در فناوری زیستی، در اغلب موارد از کارخانه‌های سلولی که در طی بیلیون‌ها سال به‌وجود آمده برای تولید محصولات موردنظر استفاده می‌شود. در واقع برای توسعه فرآیندهای زیستی جدید (یا ارتقای فرآیندهای موجود)، ارزش افزوده اصلی در طراحی بهینه کارخانه سلولی مورد استفاده نهفته است؛ بنابراین ارتقا و بهینه‌سازی میکروارگانیسم‌های زنده مورد استفاده در تولید محصولات به روش زیستی، نقش مهمی در صرفه‌جویی و قابلیت استفاده از فرآیندهای زیستی به جای فرآیندهای سنتی شیمیایی ایفا می‌کند.
محققان به طور سنتی، دستکاری مسیرهای متابولیک را با هدف تغییر در خصوصیات مورد نظر میکروارگانیسم‌ها در بلند مدت دنبال کرده‌اند. برای نیل به هدف مورد نظر، این روش‌ها اغلب مبتنی بر استفاده از جهش‌زایی (با استفاده از مواد شیمیایی جهش‌زا و یا نور UV) و فنون جداسازی برای تعیین سویه‌های بهبود یافته بوده است. مثال‌های زیادی در استفاده موفق از این روش های سنتی برای توسعه سویه‌های صنعتی به منظور تولید اسیدهای آمینه، آنتی‌بیوتیک‌ها، حلال‌ها و ویتامین‌ها وجود دارد که می‌توان به افزایش 1000 برابری غلظت پنی‌سیلین تولید شده به وسیله قارچ پنی‌سیلیوم کرایزوژنوم با استفاده از روش‌های فوق در طی سالیان متمادی اشاره نمود. با وجود مقبولیت گسترده و موفقیت‌های چشمگیر در توسعه سویه‌های صنعتی، این روش‌ها معمولاً تصادفی بوده و ماهیت ژنتیکی تغییرات حاصله و فنون مهندسی ژنتیک، امکان اصلاح دقیق و مشخص مسیرهای بیوشیمیایی و توسعه

پایان نامه
Previous Entries تحقیق درباره بیوتکنولوژی، مواد غذایی، صنایع غذایی، ارزش افزوده Next Entries تحقیق درباره فیزیولوژی، جنگ جهانی دوم، فنیل آلانین، ارزش افزوده