Jednym z kierunków wpółczesnej biotechnologii jest poszukiwanie nowych rodzajów paliwa, źródeł energii czy metod zagospodarowania odpadów. Ten projekt jest wyjątkowy. Łączy w sobie pracę nad podwójnym celem: zagospodarowaniem odpadów i stworzeniem alternatywnej drogi otrzymywania suroców do produkcji polimerów. W przyrodzie drzemie ogromny potencjał, który naukowcy starają się wykorzystać według własnego zamysłu, chcąc u celu odciążyć środowisko z jednego z coraz powszechniejszych przemysłowych odpadów i wyprodukowac przy jego udziale niezbędne do współczesnego życia plastiki. Czy polscy naukowcy mają szansę w przyszłości zrewolucjonizować przemysł polimerów? Na temat projektu rozmawiamy z prof. Włodzimierzem Grajkiem z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.
Obecnie we współpracy z kilkoma innymi uczelniami pracuje Pan nad projektem, którego efekty mogą być ważne w skali przemysłowej. Czy mógłby Pan przybliżyć ideę projektu?
Projekt dotyczy wykorzystania glicerolu do produkcji takich związków jak propanodiol i butanodiol, które są punktem wyjścia do syntezy praktycznie wszystkich tworzyw sztucznych – poliestrów, poliuretanów, różnego rodzaju żywic. Te tworzywa, to praktycznie wszystko, co pani widzi – mój komputer, nasze ubrania, powłoki na meble, pojemniki plastikowe, butelki… to wszystko nas otacza, a obecnie otrzymywane jest z ropy naftowej. Wszyscy wiemy, że ropa pomału się kończy. Co prawda, ciągle odkrywane są jej nowe źródła, ale wielu specjalistów mówi, że już jesteśmy tuż za samym szczytem wydobycia, że bilans nie będzie się już poprawiał.
Nowo odkrywane złoża ledwo pokrywają wydobycie z tych, które są zamykane po eksploatacji, czyli nastąpiła stabilizacja podaży, natomiast gwałtownie rośnie popyt. Te wszystkie kraje dotąd po macoszemu traktowane: Chiny, Indie, Brazylia i wszystkie wschodzące potęgi gospodarcze, zaczną tak żyć jak my: tak jeść, tak się ubierać, co już np. w Chinach jest na porządku dziennym. Łatwo sobie wyobrazić, że po prostu ropa się błyskawicznie skończy. Do tej pory Stany Zjednoczone jako jedyne państwo zużywały ponad 25% zasobów tego surowca. Jeśli Chiny będą miały podobne zużycie ropy do USA, a prawdopodobnie gospodarkę będą miały większą, to mamy kolejne 25%; do tego Indie 25%... i dla reszty świata nie pozostaje praktycznie nic. Można oczekiwać, że ropa się będzie gwałtownie kończyć i powstanie problem: z czego te wszystkie produkty robić?
Na to nakłada się kolejna sprawa: można by spróbować robić je z węgla. Istnieją przecież sposoby gazyfikacji węgla, przekształcenia go np. w metan, a to już związek organiczny z którego można dalej coś robić. Tutaj za to pojawia się problem CO2 – „wyciągamy go” z ziemi i puszczamy do atmosfery, ono do tej ziemi już nie wraca, co „wzmaga efekt cieplarniany”, już nie mówiąc o tym, że wszystkie metody chemiczne są na ogół bardzo drastyczne, to znaczy są realizowane w wysokich temperaturach, w obecności drogich katalizatorów, które potem są kosztowne w regeneracji, czy utylizacji. Jednymi z naprawdę atrakcyjnych surowców są surowce odnawialne. My to nazywamy biomasą roślinną.
Tej biomasy jest ogromna ilość: w ciągu roku szacuje się, że 1014 ton węgla powstaje na kuli ziemskiej. To potężna liczba, trudno ją nawet już nazwać – są to biliony ton masy. Mamy jednak problem, gdyż do tych surowców odnawialnych ustawia się dosyć długa kolejka chętnych. Biomasa to kwestia żywności, a z drugiej strony to także energia. Dzisiaj dużo się mówi, że z surowców odnawialnych będzie się produkowało energię elektryczną, biopaliwa itd.
Patrząc z jeszcze innej strony tej biomasy jest przecież jakaś określona ilość i tego się zwiększyć nie da. Dlatego myślę, że stosowanie takich surowców na cele paliwowe to rozwiązanie na bardzo krótki dystans. Sądzę, że dwadzieścia, góra trzydzieści lat. I dlatego przyszłość energii, a jestem o tym głęboko przekonany, leży w fotoogniwach. Energia przyszłości to tak naprawdę energia słoneczna.
Z wiatru się nie zrobi plastiku ani komputera. Z energii słonecznej też pani komputera nie zrobi, ale z tych odpadów biomasy można to wszystko zrobić. Czyli zużycie zasobów na produkcję energii pójdzie raczej w kierunku wykorzystania czynników fizycznych typu: światło, wiatr, fale morskie, może geotermia, która także jest ogromnym źródłem energii. Natomiast organika pójdzie na organikę. Myślę, że na pewno ta „zielona chemia”, czyli chemia wykorzystująca materiały odpadowe ma ogromną przyszłość. I tym się zajmujemy: stwarzamy alternatywę dla kończącej się ropy i to z dobrą perspektywą. Myślę, że biomasa będzie na tyle cenna, że lepiej będzie ją zużyć na syntetyczne polimery niż, powiedzmy, na spalanie w kotle. I to jest punkt wyjścia do naszego projektu.
Czym wobec tego zajmują się Państwo w ramach tego projektu? Jakie są jego cele i etapy realizacji?
Projekt ma w dużej mierze charakter mikrobiologiczny. Jest to klasyczna biotechnologia przemysłowa, gdzie zużywamy odpadowy substrat, a mikroorganizmy, w tym (zmodyfikowane genetycznie, aby wydobyć się z nich maksymalny potencjał metaboliczny, przekształcają glicerol do polioli, po czym uzyskujemy produkt; który wymaga jeszcze oczyszczenia. Zakończeniem projektu ma być wykonanie tworzyw sztucznych plastików, będących modelem dla całego układu.
Czy projekt finansują Państwo samodzielnie?
Nie. Genezą powstania tego projektu było właśnie wsparcie w formie dotacji z funduszy unijnych w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Wśród tematów strategicznych wyznaczonych gospodarce przez Ministerstwo było dokładnie to, co my robimy: konwersja odpadów do produkcji polioli.
Skąd jest pozyskiwany surowiec do produkcji tych związków?
Jak Pani wie, aktualnie produkuje się „biopaliwo” z oleju rzepakowego i stosuje do napędzania silników diesla. Wagowo dokładnie 1/10 tego co się wytwarza stanowi odpad, a jest nim gliceryna. Ponieważ biopaliwa produkuje się w milionach ton, to oczywiście odpadów też są setki, a nawet miliony ton.
Gliceryna jest obecnie zużywana na kremy czy mydła glicerynowe, ale to zapotrzebowanie nie jest w stanie zagospodarować aż takich ilości gliceryny. Nie ma w tej chwili na nią żadnego dobrego pomysłu. Co prawda szuka się rozwiązań, jak próba by z tego robić biogaz (co wcale nie jest głupią ideą). My dajemy opcję, by ten glicerol odpadowy powstający przy produkcji biopaliw zużyć na syntezę związków wyjściowych do syntezy sztucznych tworzyw.
Kto pracuje nad tym projektem?
Projekt jest ciekawy, niezwykle złożony, zakłada opracowanie technologii „od a do z”, jest bardzo aplikacyjny. Bierze w nim udział pięć uczelni: Uniwersytety Przyrodnicze w Poznaniu, Wrocławiu i Lublinie oraz Politechnika Poznańska i Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, będący także politechniką.
Mamy tutaj podział pracy wg kompetencji: Uniwersytety Przyrodnicze zajmują się głównie stroną biotechnologiczną, a więc naszym zadaniem jest dokonać biosyntezy tych związków. Jednak sam program jest szerszy niż to, o czym mówiłem, gdyż oprócz propanodiolu również produkujemy kwas fumarowy ibursztynowy, one także są używane do produkcji tworzyw sztucznych, oraz erytritol. Jest to trochę inna substancja – to słodzik bezkaloryczny, niezwykle słodki, mający bardzo mało kalorii. Najbardziej zaawansowany jest etap związany z produkcją erytritolu, realizowany pod kierunkiem profesora Waldemara Rymowicza z Wrocławia.
Po nas obie politechniki wykonują część technologiczno-chemiczną, a więc separację, oczyszczanie i przemysłową waloryzację metabolitów mikrobiologicznych do sztucznych tworzyw. To już ich zadanie.
Co będzie podstawą przemiany glicerolu w omawiane produkty?
Podstawą jest fermentacja propanodiolowa, która jest już znana. Niemcy w czasie drugiej wojny światowej stosowały ją na skalę przemysłową, z tym że dotąd znane były tylko mikroorganizmy patogenne jak Klebsiella pneumoniae, które taką fermentację prowadziły. To są mikroorganizmy drugiej klasy bezpieczeństwa mikrobiologicznego, a więc wywołujące poważne schorzenia, ale wtedy nikt się tym z tym nie liczył. Oczywiście po drugiej wojnie światowej produkcję natychmiast zatrzymano. Teraz, widząc wagę tego zagadnienia, wraca się do tego, jednak teraz z góry zakładamy, że projekt ma być tak zrobiony, by były w nim wykorzystywane mikroorganizmy bezpieczne. W przyrodzie są też i takie mikroby – należą do nich np. bakterie z rodzaju Clostridium. Najbardziej znanym jest Clostridium butyricum. Istnieje jednak więcej takich gatunków. Produkują one propanodiol z glicerolu, z tym, że trudno w przyrodzie znaleźć szczep, który byłby dostatecznie wydajny. Przed nami ogromna ilość pracy związana z poszukiwaniem aktywnych szczepów. Rocznie jest to kilka tysięcy mikroorganizmów. Testujemy je, przeprowadzając tysiące fermentacji. Analiza metabolitów obejmuje 20 różnych związków, a więc otrzymujemy bardzo dokładny obraz tego, do czego zdolne są te drobnoustroje. Szukamy „championów” i dopiero one są punktem wyjścia do dalszych zaawansowanych prac mikrobiologicznych, w których staramy się je ulepszać genetycznie.
Na czym będzie polegało ulepszenie wybranych szczepów? Jakimi metodami Państwo pracują nad ich optymalizacją?
Idzie ono w dwóch kierunkach. Pierwszym jest inżynieria genetyczna. Mamy do dyspozycji kilka znanych systemów ekspresyjnych, jak klasyczna Escherichia coli, czy drożdże Saccharomyces cerevisiae, które są świetnie znane i wiemy, że można je wykorzystywać do produkcji takich związków. Niestety te mikroorganizmy nie mają naturalnych zdolności do produkcji polioli lub tworzą ich bardzo małe ilości. Musimy więc do tych organizmów wprowadzać całe operony propanodiolowe, aby uzyskać ich syntezę w tych mikroorganizmach. Geny kodujące enzymy niezbędne do syntezy 1,3-propanodiolu bierzemy z różnych dawców, w tym ze wspomnianych patogenów. Bakterii chorobotwórczych nie możemy używać z racji tego, że są niebezpieczne, ale geny mają wartościowe. Całe zestawy ich genów, a właściwie operony, są przenoszone do komórek użytkowych jak E. coli, S. cerevisiae, Yarrowia lipolytica czy Pichia metanolytica. To jest jakby jedna droga – przenosimy na ogół co najmniej dwa geny, aby genomy komórek użytkowych uzupełnić - aby stworzyć w nich szlak prowadzący od glicerolu do propanodiolu.
Druga droga, także związana z metodą tasowania genomowego. Jest to metoda, gdzie miesza się genomy mikroorganizmów. Najpierw wartościowe szczepy poddaje się mutagenizacji chemicznej, a następnie z puli otrzymanych mutantów wyłania się te, które maja istotną dla nas cechę fenotypową, na przykład dużą tolerancję na wysokie stężenie substratu i produktu lub odporność na toksyczne metabolity. Propanodiol jest niestety dla bakterii substancją toksyczną. Im więcej tego związku bakteria wytrzyma, tym większą koncentrację tego związku otrzymamy w procesie fermentacyjnym. Jest to bardzo ważne, gdyż obniża koszty oczyszczania. Inną taką ważną cechą jest to, aby do pożywki można było wprowadzić dużą porcję glicerolu. Duże stężenie substratu generuje wysokie ciśnienie osmotyczne, a więc drugą pożądaną cechą jest odporność na wysokie ciśnienie osmotyczne. Dalej – podczas fermentacji tworzą się różne kwasy organiczne, które także są toksyczne dla komórek: masłowy, octowy itp. Muszą być na to odporne.
Staramy się zrobić bibliotekę mutantów posiadających pulę cech pożądanych. Cechy te są pojedynczo reprezentowane w różnych mutantach, jednak nie zdarza się, aby jeden mutant posiadał komplet pożądanych cech technologicznych. To jak szukanie narzeczonego – powinien mieć dobrą teściową, mieć dobre serce, być bogaty, przystojny, z humorem - wszystko w jednej osobie. To jest trudne. Mutacje są chaotyczne i jeden mutant ma ulepszoną jedną cechę, drugi inną, trzeci kolejną. Staramy się takich „fajnych kawalerów” wyłonić a potem „zlać ich w jedną całość” w nadziei, że genom tak się wymiesza, że jeden z otrzymanych okazów będzie idealny.
Z wybranych komórek-mutantów otrzymujemy protoplasty, czyli pozbawiamy je ścian komórkowych, i prowadzimy fuzję protoplastów. Otrzymana komórka potem część genów odrzuca, bo wielkość genomu po połączeniu się komórek i tak sprowadzi do stanu początkowego, ale mamy nadzieję, że w tym końcowym genomie, w efekcie tasowania, znajdą się przynajmniej dwie albo trzy cechy, które są lepsze niż w komórkach wyjściowych. Takich rund robi się kilka: cztery, pięć. Jest to nowe podejście do starej metody, ale bardzo efektywne. Często bardziej efektywna niż wcześniej wspomniane przenoszenie genów, bo w tasowaniu możemy mieć nadzieję, że nam się wymieszają całe operony z tymi wszystkimi genami regulatorowymi, które są już tam naturalnie, czego nie zawsze potrafimy dokonać sztucznie sami metodami inżynieryjnymi.
Idziemy więc różnymi drogami, ale cel jest jeden: znaleźć mikroby bezpieczne, wydajne i, powiedziałbym, odporne na wszystko co złe. Te cele są zawarte w formie zadań badawczych i nad tym zespoły badawcze pracują.
Najlepsze szczepy, które otrzymamy poddajemy badaniom optymalizacyjnym. Optymalizujemy, składy pożywek, warunki hodowli, wykorzystując matematyczne metody optymalizacyjne. Posługujemy się technikami komputerowymi, które pozwalają zredukować ilość eksperymentów: zamiast setek różnych wariantów wystarczy zbadać kilkanaście czy kilkadziesiąt. W wyniku takiej optymalizacji możemy znaleźć finalne, optymalne warunki, dzięki którym synteza będzie zachodziła najwydajniej. W ten sposób dla naszych mikrobów, których będzie kilka, ustalimy temperaturę, szybkość mieszania, skład pożywek, pH itd.
Wszystkie te działania prowadzą do tego, żeby na końcu otrzymać optymalny układ: drobnoustroje będą „podrasowane” w sensie genetycznym i w sensie operacyjnym, aby uzyskać tego propanodiolu jak najwięcej.
Tym zakończy się proces poszukiwań odpowiedniego mikroorganizmu. A to oznacza, podjęcie kolejnego wyzwania, czyli ustalenia warunków fermetnacji…
I teraz przechodzimy do parametrów technologicznych, czyli: bioreaktory, metody fermentacji, systemy hodowli - okresowa, okresowa-zasilana, ciągła z immobilizacja, z recyrkulacją… Wszystkie te metody bierzemy pod uwagę, aby przetestować możliwości uzyskanych mikroorganizmów. W jakim wariancie technologicznym uzyskamy najlepsze wyniki?
Jak to nam się uda, to dalej dochodzimy do powiększania skali. Akurat nasza katedra instytut jest wyposażona właściwie w małą fabrykę. Jest nadzieja, że zakończymy badania w skali bioreaktora o pojemności 1500 litrów - to jest już mała skala przemysłowa. W oparciu o te badania, będziemy jeszcze robić skalowanie do skali wielkoprzemysłowej. Wykonamy to w oparciu o model matematyczny procesu po to, byśmy ewentualnie mogli te wyniki ekstrapolować na warunki przemysłowe. Na bazie danych, które uzyskamy, będzie można z prawdopodobieństwem ok. 95% gwarantować, że w przemyśle możliwe będzie uzyskanie określonego wyniku. Na tym rola biotechnologów w zasadzie się kończy. Teraz rozpoczyna się praca natury bioinżynieryjnej. To też jest biotechnologia, ale część bardziej technologiczna.
Jakie zadania stoją przed grupą technologiczną? Czy już teraz znane są poważne utrudnienia w pozyskiwaniu propanodiolu i innych produktów po zakończeniu fermentacji?
Niestety, wszystkie mikroorganizmy, które my hodujemy, a to jest w zasadzie właściwość wszystkich mikroorganizmów beztlenowych, nigdy nie produkują tylko jednego metabolitu finalnego, lecz produkują ich kilka. Oczywiście ten główny w największym stężeniu, ale pozostałe także są produkowane. Na końcu będziemy mieć mieszaninę, w której znajdą się resztki komórek, resztki glicerolu, resztki białek, nasze produkty - diole, kilka kwasów organicznych... Będzie tam potężny ładunek zanieczyszczeń, przy czym najważniejsze metabolity są praktycznie nielotne. Ich temperatura wrzenia wynosi blisko 200oC – gdybyśmy to destylowali, to cała pożywka finalna, ze wszystkimi zanieczyszczeniami, pozostanie w formie mazi (przyp. red.: nie da się składnikow oczyścic przez odparowanie). Proces separacji jest więc bardzo trudnym etapem w tym projekcie, opartym o skomplikowane metody: techniki membranowe, chromatograficzne, adsorpcje.
Na ile nam się uda to oczyścić? Trudno powiedzieć. Zawsze w tym procesie jest jeszcze problem ekonomii. Dokładne oczyszczenie zawsze bardzo dużo kosztuje. Chemicy, którzy będą z tego robić poliestry czy poliuretany powiedzą nam: tego zanieczyszczenia może trochę być, tego też, ale „nie więcej niż”. Wtedy będziemy wiedzieli, że możemy pozostawić pewne ilości zanieczyszczeń i to nie miałoby negatywnego wpływu na produkcję plastiku. A może nawet modyfikowałoby to plastik tak, że byłby bardziej wartościowy ze względu np. na lepszą wytrzymałość mechaniczną, lub lepszą elastyczność?
Z jaką myślą Państwo realizują ten projekt?
Spojrzenie w przyszłość. Chemia oparta jest na ropie, a ropa się kończy, więc wiadomo że prędzej czy później będzie się poszukiwać jej substytutów. Czy są substytuty dla ropy? Są. Jest gaz ziemny, węgiel, z tego też można robić związki organiczne. Ale i gaz, i węgiel wiąże się z dwutlenkiem węgla uwalnianym do atmosfery, który, jak jedni wierzą, a inni nie, przyczynia się do efektu cieplarnianego.
A jaki jest Pana stosunek do zjawiska „globalnego ocieplenia”?
Osobiście mam do tego duży dystans. Badania wskazują, że na kuli ziemskiej wielokrotnie było więcej CO2 niż jest teraz. Wahania zawsze były i może mamy na to jakiś wpływ, ale przypuszczam, że jest to wpływ umiarkowany. Dominuje jednak opinia, że efekt cieplarniany został spowodowany przez działalność gospodarczą człowieka i tego się trzymajmy. Bez wątpienia lepiej nie uwalniać ditlenku węgla do atmosfery. Niech przyroda istnieje w takim stanie, jakim jest, niech sama tym zarządzi. Lepiej jej nie „psuć”.
Jak ocenia Pan szanse na powodzenie projektu? Mówiąc powodzenie mam na myśli jego praktyczne stosowanie na szeroka skalę.
Trzeba szukać kompromisów, pomiędzy potrzebami energetycznymi, żywnością, chemią. A co lepiej przeznaczyć na dany cel – to już kwestia ekonomii. Czy lepiej spalić i przetworzyć na energię czy jednak przerobić to na chemię. Może się okazać, że pewne związki chemiczne może łatwiej będzie robić z węgla i wcale ten bilans nie okaże się taki zły, a inne związki naszą metodą. Na pewno związki bardzo złożone, lepiej będzie otrzymywać metodami biotechnologicznymi. Synteza wieloetapowa, chemiczna jest bardziej skomplikowana, mniej wydajna, kosztowna, powstające związki nie mają odpowiedniej struktury stereochemicznej.
Projekt, jeśli pozwoliłby na znalezienie relatywnie taniej metody produkcji plastiku i stałby się alternatywą dla syntez opartych na ropie, może doprowadzić do pewnej rewolucji w przemyśle.
Jeżeli ropa zdrożeje, a zdrożeje, bo nie ma szans aby wróciła taka cena, jaka była dawniej, i jak widzimy sami – płacimy już za benzynę ponad 5 zł – wtedy metody biotechnologiczne staną się konkurencyjne i trzeba to brać pod uwagę.
Od kiedy projekt jest realizowany i jak długo ma potrwać? Być może, kiedy się zakończy, gospodarka będzie miała pilna potrzebę znalezienia alternatywy dla ropy.
Projekt trwa od stycznia 2010 i potrwa do końca 2014. A więc działamy już od półtora roku.
Czyli w planach jest opracowanie pełnej technologii, wraz z patentami, do końca 2014 roku?
Tak. Jako zespół postawiliśmy sobie za cel patenty. Byłoby idealnie, gdyby nam się udało opracować oryginalne technologie, uzyskać szczepy, które byłyby przedmiotem patentowania i na końcu byłyby ofertą dla przemysłu. Czyli po zakończeniu projektu, na bazie naszych badań, mamy zrobić założenia projektowe do procesu przemysłowego i to byłaby oferta w sensie praktycznym, ale oparta na patentach. Wszystkie rozwiązania byłyby patentowane i patent byłby oferowany do sprzedaży. O tym, czy znajdą się chętni na tą technologię, zadecyduje oczywiście ekonomia. Może okazać się, że z naszych rozwiązań nic nie będzie opłacalne, wszystko, albo może tylko jedno z naszych rozwiązań. Na razie nic o tym nie powiemy – trzeba najpierw tę technologię opracować.
W imieniu swoim i redakcji portalu serdecznie dziękuję za udzielenie wywiadu.
Red. Joanna Roga
KOMENTARZE