عملیات تولید و پردازش صنعتی مسئول بخش قابل توجهی از انتشار دی اکسید کربن جهانی است.با توجه به آژانس بین المللی انرژی، بخش صنعتی تقریبا یک چهارم از انتشار مستقیم CO2 در سراسر جهان را تشکیل می دهد، با انتشار گازهای گلخانه ای اضافی از مصرف برق و گرما، در پاسخ به سرعت اهداف آب و هوا، شرکت ها به سیستم های بیولوژیکی برای طراحی مجدد راه حل های سنتی شیمیایی و فیزیکی. Biotechnological ارائه یک راه حل برای کاهش شدت انرژی، و جایگزینی این مواد کلیدی با استفاده از مواد غذایی و جایگزینی این روش های فسیلی و جایگزین.

درک نقش بیوتکنولوژی در صنعت

بیوتکنولوژی صنعتی - اغلب به نام بیوتکنولوژی سفید - مهار ارگانیسم های زنده مانند باکتری، مخمر و جلبک، همراه با اجزای مولکولی خود مانند آنزیم ها، برای تولید کالاهای پایدارتر به جای تکیه بر دمای بالا، واکنش های شیمیایی با فشار بالا که مقدار زیادی از گازهای گلخانه ای تولید می کنند، فرآیندهای زیست فن آوری معمولا تحت شرایط خفیف (درجه حرارت محیطی، خنثی، این به طور ذاتی مصرف انرژی و مواد شیمیایی مرتبط با استفاده از مواد شیمیایی و مواد شیمیایی زیستی را کاهش می دهد.

با جایگزینی مواد خام مبتنی بر نفت با بیوmass یا ضایعات، بیوتکنولوژی همچنین می تواند به حلقه های کربن نزدیک کمک کند.به عنوان مثال، کربن جذب شده از گازهای صنعتی می تواند به میکروالگا یا باکتری های مهندسی شده که آن را به محصولات ارزشمند تبدیل می کنند، این با اصول اقتصاد دایره ای سازگار است و از اهداف انتشار خالص صفر برای بخش های سخت مانند فولاد، سیمان و مواد شیمیایی پشتیبانی می کند.

استراتژی های Biotechnological

کاتالیزورهای مبتنی بر Bio-based Catalysts

آنزیم ها کاتالیزورهای طبیعت هستند که قادر به تسریع واکنش های شیمیایی با ویژگی های قابل توجه و کارایی هستند.در تنظیمات صنعتی، آنزیم های بی حرکت می توانند جایگزین کاتالیزورهای شیمیایی شدید شوند، در حالی که دمای واکنش را ده ها یا حتی صدها درجه سانتی گراد کاهش می دهد، لیپوازها در تولید بیوگازیل برای تبدیل روغن به استر اسید چرب استفاده می شوند، در حالی که سلول های سلول و ترکیبات شیمیایی برای تجزیه و تحلیل سمی، کاهش می کنند.

Microbial Fermentation

تخمیر برای هزاران سال برای تولید غذا و نوشیدنی استفاده شده است، اما استفاده از مواد شیمیایی صنعتی مدرن (LT) برای تبدیل زباله ها و بی توده های تجدید پذیر به محصولات با ارزش بالا استفاده می شود. سوخت های زیستی مانند اتانول، دیزل تجدید پذیر و سوخت های زیستی حمل و نقل هوایی توسط مخمر یا باکتری هایی که قند را از بقایای کشاورزی، زباله های جنگل یا صنایع جامد (مانند مواد شیمیایی زغال سنگ) به طور مستقیم کاهش می دهد.

آلودگی زیستی

بی واسطه سازی از میکروارگانیسم ها یا گیاهان برای شکستن یا خنثی کردن آلاینده ها از سایت های صنعتی استفاده می کند (این استراتژی نه تنها خاک و آب آلوده را تمیز می کند بلکه از انتشار گازهای گلخانه ای قوی مانند متان و اکسید نیتروژن جلوگیری می کند، به عنوان مثال، برخی از باکتری ها می توانند هیدروکربن های گازی را کاهش دهند، حلال های پیش فرض فعلی را تجزیه کنند و آفت کش های کشاورزی در تصفیه فاضلاب، یک داروی الکترولیتی که در حال حاضر به مصرف مواد زائد کربن ارگانیک (F) می رسد که سوخت های فسیلی ارگانیک را کاهش می دهد و یا مواد زائد کربن را کاهش دهد.

مهندسی ژنتیک

پیشرفت در زیست شناسی مصنوعی و ابزارهای ویرایش ژن مانند کریسپر دانشمندان را قادر ساخته است تا میکروارگانیسم ها را با کارایی بی سابقه ای انجام دهند، محققان می توانند میکروب ها را برای تولید مولکول های هدف هدایت کنند – مانند پلیمر ها، جلبک های استخراج شده از مواد شیمیایی، یا یادداشت های دارویی – به عنوان مثال، حداقل با استفاده از مواد ژنتیکی مهندسی شده از زیست شناسی (FLT0E) [Fstock] ، به طور مستقیم تولید می کنند و مواد شیمیایی سمی (در حال حاضر به طور مستقیم در حال توسعه یافته است.

مزایای راه حل های Biotechnological

اتخاذ بیوتکنولوژی در فرایندهای صنعتی مزایای قابل اندازه گیری متعددی نسبت به کاهش کربن را به دست می آورد:

  • مصرف انرژی کم: شرایط واکنش میل به کاهش بخار، برق و نیازهای خنک کننده، منجر به کاهش 20 تا 60٪ در مصرف انرژی فرایند در مقایسه با مسیرهای حرارتی معمولی.
  • انتشار گازهای گلخانه ای کاهش یافته؛ [FLT 1] با جایگزینی ورودی های مبتنی بر فسیلی با زیست توده های تجدید پذیر یا CO2، انتشار چرخه عمر خالص می تواند 40-90٪ برای بسیاری از محصولات، همانطور که توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده گزارش شده است .
  • ارزش گذاری: فرآیندهای بیولوژیکی تبدیل جریان های کشاورزی، شهری و صنعتی زباله به کالاهای قابل فروش، کاهش حجم زباله های زباله های زمینی و انتشار گازهای متان مرتبط.
  • انتخاب محصول قابل اعتماد: آنزیم ها و میکروب های مهندسی شده اغلب محصولات ناخواسته کمتری تولید می کنند، ساده سازی مراحل تصفیه و کاهش هزینه های درمان زباله.
  • انطباق اصلاحی: رویکردهای Biotechnological به شرکت ها کمک می کند تا با کاهش نابرابری های انتشاری و فعال کردن سیستم های حلقه بسته، مقررات زیست محیطی به طور فزاینده ای سختگیرانه ای را رعایت کنند.

علاوه بر این، ادغام بیوتکنولوژی با نظارت دیجیتال اجازه می دهد بهینه سازی زمان واقعی پارامترهای تخمیر، به حداکثر رساندن عملکرد و به حداقل رساندن استفاده از منابع.

چالش ها و مسیرهای آینده

ملاحظات نظارتی و ایمنی

ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی ( GMOs) که در تخمیر صنعتی بسته استفاده می شوند، به طور کلی ایمن در نظر گرفته می شوند، اما تایید برنامه های کاربردی محیط باز - مانند بی واسطه با استفاده از باکتری های مهندسی شده - ارزیابی ریسک گسترده ای را می طلبد، در حالی که چارچوب های تنظیم مقرراتی با منطقه متفاوت هستند، ایجاد پیچیدگی برای عملیات چند ملیتی، دستورالعمل های سازگار از بدن مانند سازمان همکاری اقتصادی و توسعه (OECD) مورد نیاز به تسهیل استقرار عمومی است.

مقیاس پذیری و قابلیت اقتصادی

بسیاری از فرآیندهای زیستtechnological امیدوار کننده هنوز هم در مقیاس صنعتی هزینه های بالا، قیمت های پایین محصول، و روش های بازیابی ارزان قیمت پایین جریان می تواند محصولات زیستی گران تر از همتایان مبتنی بر فسیلی خود را، تحقیقات مداوم در مورد خوراک ارزان تر (به عنوان مثال، مارمولک های شکر، syng)، سیستم های مداوم تخمیر و جداسازی کربن (به عنوان مثال حذف مواد مخدر).

نوآوری های آینده

موج بعدی بیوتکنولوژی صنعتی احتمالا شامل سیستم های بدون سلول است، که آنزیم های تصفیه شده خارج از سلول های زنده عمل می کنند، این از بسیاری از محدودیت های رشد میکروبی (مانند سمیت بستر و شار متابولیک محدود) جلوگیری می کند و می تواند سرعت توسعه فرایند را در هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای پیش بینی عملکرد آنزیم، بهینه سازی مسیر های متابولیک و طراحی زیست محیطی با بهره وری بیشتر، فن آوری برق - به طور موثر سرعت بخشیدن به یک سیستم های شیمیایی و یادگیری متناوب.

نتیجه گیری

بیوتکنولوژی یک ابزار قدرتمند برای کاهش ردپای کربن فرایندهای صنعتی در چندین بخش فراهم می کند.از کاتالیز مبتنی بر آنزیم و تخمیر میکروبی به زیست محیطی و زیست شناسی مصنوعی، این رویکردها تولید پاک کننده، بهره وری منابع و به حداقل رساندن زباله را فعال می کند در حالی که چالش های مربوط به هزینه، مقیاس پذیری و تنظیم، ادامه سرمایه گذاری در تحقیقات، سیاست قوی، حمایت و همکاری متقابل برای باز کردن راه حل های زیست محیطی پایدار می تواند به عنوان یک منبع پایدار از مواد زیست محیطی به عنوان گسترش دهد.