Bioprodukty šlapou na paty produktům chemické syntézy

Průmyslová biotechnologie zažívá v posledních letech nebývalý vzestup. Pro bioprodukt prorážející na trh je kritické, zda dokáže cenou i vlastnostmi konkurovat produktu již zavedenému. Čelit této výzvě je extrémně náročné, vezmeme-li v úvahu drahý vývoj a pilotní studie, dopravu surovin na místo zpracování, často pouze sezónní výskyt zpracovávané biomasy a v neposlední řadě citlivost k životnímu prostředí, o kterou se všechny bioprocesy snaží. Obecně jsou bioprocesy většinou čistší, spotřebovávají méně energie a generují méně odpadu než konvenční syntézy. Biotechnologický průmysl tedy v řadě případů účinně nahrazuje průmysl chemický -zejména v oblasti bioplastů, biopaliv a biochemikálií. Podle zprávy agentury Clear Edge z roku 2011 dosáhla průmyslová výroba biopaliv prodeje 56,4 miliard dolarů, což představuje víc než 103 miliard litrů v roce 2010 a poroste až k 427 miliardám litrů v roce 2020. Světový trh s průmyslovými enzymy vykazuje roční růst kolem 6%.

Komerčně úspěšné bioprodukty dnes již nejsou připravovány pouze přímým zpracováním biomasy jako je celulóza, škrob, oleje, proteiny, lignin. Druhá generace bioproduktů spoléhá na efektivnější nepřímou výrobu z uhlovodíkových stavebních kamenů vyrobených pomocí geneticky upravených mikroorganismů nebo enzymů. Tento proces je provázen výstavbou tzv. biorafinérií. Jedná se o paralelu ropných rafinérií. Do biorafinérie vstupuje biomasa, nejčastěji kukuřice a je zde přeměňována na široké spektrum využitelných produktů jako jsou právě paliva, chemikálie, plasty a polymery podobně jako je v ropné rafinérii zpracovávaná ropa. Ačkoliv těžiště výskytu biorafinérií se nachází v USA, Evropa s USA aktivně spolupracuje.

V USA například úspěšně funguje řada biorafinérií, soustředících se na přeměnu kukuřičného zrna na fruktózový kukuřičný sirup, olej, krmivo pro zvířata a přísady do jídla například xanthanovou gumu. Přes dvě stě dalších biorafinérií přeměňuje kukuřičný škrob na bioethanol a ze zbytku zrn připravuje krmiva pro zvířata a oleje. Velkou výzvou současnosti je nalezení způsobu, jakým by se dala efektivně zužitkovat stonky kukuřice, bohaté na celulózu. Jednou z lákavých alternativ by byla jejich přeměna na zdroj elektrického proudu, další tendence vede k přeměně tohoto polymeru glukózy zpátky na jednoduché cukry. Celulóza představuje nejpočetnější složku biomasy, je všudypřítomná a mohla by potencionálně sloužit jako nejlevnější zdroj cukrů pro biorafinérie. Zajištění spolehlivého zdroje vstupního materiálu za neměnnou cenu po celý rok je totiž největší výzvou pro každou biorafinérii.

Americké Ministerstvo životní prostředí (Department of Ecology) se roku 2004 zabývalo průzkumem, který by se s jistou dávkou nadsázky dal označit jako „hledání způsobu, jak vyrobit ropu z cukru". Vědci nalezli třicet vhodných kandidátů - látek do šesti uhlíkových atomů, které mohou být fermentovány z cukrů v biomase a sloužit jako stavební kameny pro meziprodukty, nové produkty nebo přímé náhražky produktů z ropy. Dvanáct těchto sloučenin bylo vytipováno jako „nejnadějnější cíle" pro další výzkum. Jedná se například o kyselinu aspartovou, glutamovou, levulinovou, sorbitol, arabinitol a další. Tyto sloučeniny vznikají přímo přeměnou biomasy, poté mohou být vylepšeny tradičními chemickými postupy. Aromatické sloučeniny produkované z ligninu, mohou být použity jako polymery a surfaktanty. Polysacharidy zase na výrobu papíru a úpravu kovů atd.

Další významnou oblastí, ve které biotechnologie doslova šlapou na paty chemickému průmyslu, představuje trh s plasty. Chemický trh s plasty je z velké části tvořen pěticí:

• nízkohustotní polyetylén (LDPE)
• vysokohustotní polyetylén (HDPE)
• polypropylen (PP)
• poly-vinyl chlorid (PVC)
• polyetylén tereftalát (PET)

Bio náhražky těchto plastů jsou již ve vývoji. Následující tři plasty tvoří příklady úspěšného proniknutí na trh. Prvním zástupcem je

• 1,3 Propandiol (PDO), který vzniká fermentací kukuřičného cukru pomocí biotechnologického postupu. Dá se z něj vyrábět víc než 12 různých produktů. PDO vyráběný pod značkou Zemea se používá na výrobu kosmetiky a čistících prostředků pro domácnost. Susterra se rovněž zabývá výrobou PDO, který je dále určený do nemrznoucích směsí pro letecký průmysl a průmyslových tekutin přenášejících teplo, do polyesteru a polyuretanů. Bio PDO spotřebovává o 38% méně energie a emituje o 42% méně skleníkových plynů než jeho ropné protějšky propandiol nebo propylenglykol.
• Na druhé místo řadí Erickson et al. (2012) kyselinu polymléčnou, kterou vyrábí firma Ingeo, vedoucí světový výrobce biopolymerů. Ve srovnání s dalšími biodegradovatelnými polyestery na trhu je PLA produkt s nejvyšším potenciálem díky své nízké ceně a vysoké dostupnosti. Má výborné vlastnosti, co se životního prostředí týče a dal vzniknout celosvětovému trhu s více než dvaceti různými aplikacemi zejména v oblasti obalových materiálů, lahví a kelímků.
• Třetím členem komerčně úspěšných bioplastů je polyhydroxyalkanoát (PHA). Jedná se o obnovitelný plast vyrobený z rostlinných cukrů, který disponuje vysokou odolností vůči teplu při zachování výborné biodegradability. Uplatnil se v řadě průmyslových aplikací jako jsou filmy, pěny, vlákna a další.

Na závěr bych se ráda zmínila o možnostech, kde by biokonverze mohla nahradit chemickou syntézu v blízké budoucnosti. Nejnadějněji se z tohoto pohledu jeví kyselina jantarová. Jedná se o klíčový stavební blok řady chemikálií používaných v chemickém, farmaceutickém, potravním a zemědělském průmyslu. Donedávna byla veškerá jantarová kyselina syntetizována v ropném průmyslu. Bio jantarová kyselina, produkovaná z glukózy pomocí GMO, ovšem nabízí cenově i funkčně výhodnou alternativu a má tak všechny předpoklady stát se chemikálií produkovanou ve velkém měřítku a nahradit ropné deriváty.

Dalším potenciálně velmi úspěšným bioproduktem by mohl být 1,4 butandiol. Jde o meziprodukt ve výrobě polyesterů, polyuretanů a různých ko-polymerů, základ pro výrobu spandexu a plastových dílů do aut. Výrábí se z řady surovin jako jsou cukry, celulózová biomasa a syntetické plyny (syngas). Potenciálem snížit závislost výrobců penumatik na ropném průmyslu disponuje bioisopren. Byl zkonstruovaný pomocí enzymu izopren syntázy, sestrojeným pomocí syntetické biologie. Izobutanol je zase základním stavebním kamenem různých rozpouštědel, gumy a transportních paliv, vyráběný klasickou chemickou cestou je přísadou až 40% chemikálií (buteny, tolueny, xyleny). Jako rozpouštědlo se vyskytuje v barvách, kosmetice a lacích na nehty. V neposlední řadě si zaslouží pozornost kyselina octová, která slouží k výrobě filmů, lahví, vláken a dalších produktů. Bio-kyselina octová využívá acetogen (směs mikroorganismů především rodu Acetobacter).

Využitím funkční genomiky a genového inženýrství se zvyšuje chemický výtěžek mikrobiální produkce a ta se tak stává více kompetitivní vůči standardním chemických syntézám. Kombinací moderní genetiky a proteinového inženýrství vznikají nové biokatalyzátory pro vylepšenou syntézu a konverzi biopaliv, obnovitelných chemikálií, a dalších specializovaných produktů. Rychlost biotechnologického vývoje dramaticky narušila ekonomii chemické produkce a poskytla atraktivní alternativu s vlastními právy a možnostmi, spíše než ko-produkční strategii. Dává nám všem možnost výběru.

Autor: RNDr. Klára Kazdová

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Originální studie: Erickson N, Nelson J.E., Winters P. (2012): Perspective on opportunities in industrial biotechnology in renewable chemicals. Biotechnol.J. 7: 176-185.

Obrazové přílohy: http://www.sxc.hu