Zastosowanie biotechnologii w różnych dziedzinach gospodarki i życia codziennego

Biotechnologia była stosowana już od dawna, np. w browarnictwie w procesach fermentacji. Przykładem jej aplikacji w życiu codziennym jest  chociażby opracowywanie metod otrzymywania surowców do produkcji żywności, leków czy też pasz dla zwierząt. Ważną funkcję pełni także w ochronie środowiska, medycynie oraz energetyce.

Biotechnologię można podzielić na technologie tradycyjne i nowoczesne. W metodach tradycyjnych, wykorzystywane są organizmy występujące powszechnie w przyrodzie, niemodyfikowane, a które pozyskuje się na drodze sztucznej selekcji (tzw. bioindykatory). Druga metoda, czyli technologia nowoczesna, wykorzystuje biokatalizatory i enzymy modyfikowane w oparciu np. o techniki inżynierii genetycznej czy biologii molekularnej. Dzięki takiej modyfikacji produkty końcowe odznaczają się określonymi właściwościami, a ich parametry fizykochemiczne mogą być znacznie ulepszone. Do głównych cech biotechnologii można zaliczyć m.in.: innowacyjność, wszechstronność oraz szybki rozwój.

Biotechnologia, podobnie jak wodór w energetyce, dzieli się na kolory: zielony, czerwony, biały, niebieski i fioletowy. W tym artykule uwagę skupiono jednak przede wszystkim na odmianie białej, która dotyczy bezpośrednio procesów związanych z energetyką i ograniczeniem odpadów, a także zielonej, która skupia się przede wszystkim na rolnictwie, ale i na roślinach energetycznych, które mogłyby w przyszłości służyć jako biopaliwa np. soi czy rzepaku.

Biogospodarka

Biogospodarka (nazywana także bioekonomią) według Komisji Europejskiej „obejmuje produkcję odnawialnych zasobów biologicznych oraz przekształcenie ich”. Definicja uwzględnia także odpady powstające w wyniku przetwarzania tychże zasobów w produkty o tzw. wartości dodanej, jak np. bioenergia czy żywność. Biogospodarka stanowi odpowiedź na zmieniające się regulacje względem poprawy warunków klimatycznych, a także pomaga w budowaniu świadomej, bardziej ekologicznej gospodarki. Z pojęciem tym bezpośrednio wiąże się zrównoważony rozwój, czyli koncepcja, która zakłada, że potrzeby obecnego pokolenia są zaspakajane w sposób, który nie umniejsza szans na ich zaspokojenie przyszłym pokoleniom. W związku z tym pojawia się szereg wyzwań związanych ze świadomym zarządzaniem zasobami naturalnymi, produkcją dóbr i usług oraz konsumpcjonizmem.

Celem biogospodarki jest także poprawa zdrowia i ogólnie rozwój gospodarczy. Najistotniejsze jednak wydaje się wspólne pogodzenie tego rozwoju z funkcjonowaniem środowiska naturalnego tak, aby nie wpływał na niego w negatywny sposób. W związku z tym niezbędna jest współpraca ludzi z różnych sektorów gospodarczych, m.in. rolnictwa, nauki, przemysłu spożywczego czy farmaceutycznego. Ponadto dzięki popularyzacji nauki i kierunkom biotechnologicznym jesteśmy w stanie wykształcić przyszłe pokolenia, które spojrzą na problemy klimatyczne z szerszej perspektywy. Mało tego, bioekonomia może być także definiowana jako „gospodarka wykorzystująca biotechnologię w celu pozyskiwania surowców, energii, materiałów, czy żywności”.

Kolejnym ważnym pojęciem jest gospodarka o obiegu zamkniętym. Obecnie w wielu krajach panuje model gospodarki liniowej, która zakłada rosnące wydobycie zasobów naturalnych, a produkty z nich pozyskiwane są wykorzystywane do momentu utylizacji. Ponadto produkty te nie są poddawane metodom recyklingu i ponownie odzyskiwane. W związku z tym, aby pozbyć się tego problemu, który zakłada jednorazowe użycie danego produktu, wprowadzono model gospodarki o obiegu zamkniętym. Model ten (według definicji Parlamentu Europejskiego) polega m.in. na ponownym użyciu, naprawie i recyklingu danych produktów i materiałów tak długo, jak to możliwe. Dzięki takiemu założeniu wiele firm wprowadza tego typu rozwiązania już na etapie planowania produkcji surowca, jednak wciąż pozostaje w tej kwestii wiele do zrobienia. Należy także wspomnieć o odpowiedzialnej biogospodarce, w której niezbędne ogniwo stanowią ludzie – obywatele, ludzie nauki oraz świadomi politycy.

Biopaliwa, biogaz i biomasa

Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na energię odnawialną coraz częściej mówi się o paliwach alternatywnych, które mogłyby zastąpić konwencjonalne źródła energii. W osiągnięciu tego typu rozwiązań, celów Polityki Energetycznej Polski i nie tylko, pomagają tzw. technologie wspomagające. Zaliczyć można do nich m.in.: nanotechnologię, fotonikę, a także biotechnologię przemysłową. Dzięki takiemu połączeniu możliwe jest tworzenie zaawansowanych materiałów, które zapewniają efektywność, a także budują stabilność, niezawodność i bezpieczeństwo energetyczne. W celu rozwoju technologii wspomagających potrzebne są takie elementy, jak: intensywność badań i rozwoju, nakłady inwestycyjne, a także wysoko wykwalifikowani pracownicy. Jednym z rozwiązań, które pozwalają na rozwój energii odnawialnych przy jak najmniejszym obciążeniu środowiska, są biopaliwa. Ogólnie, można je podzielić na trzy generacje:

• Do pierwszej generacji zaliczają się biopaliwa wykorzystujące surowce spożywcze, jak bioetanol (produkowany np. z lignocelulozy), biodiesel czy surowce roślinne, m.in. kukurydza, buraki cukrowe czy ziemniaki.  Do tej grupy przypisać można także biogaz, który jest mieszaniną gazów, powstających w wyniku beztlenowej fermentacji, czyli rozkładu materii organicznej.
• Druga generacja biopaliw obejmuje produkty pochodzące z przetwarzania biomasy, jak np. biometanol, bioetanol, syntetyczne biopaliwa czy dimetylofuran. Warto zatem w tym miejscu wspomnieć o paliwach syntetycznych (nazywanych także e-paliwami), czyli paliwach otrzymywanych na drodze różnych procesów chemicznych mających stanowić alternatywę dla paliw konwencjonalnych, np. benzyny. Paliwa te mogą być wytwarzane z gazu ziemnego, węgla czy biomasy, jednak pozbawione są siarki. Podczas ich otrzymywania powstaje oczywiście dwutlenek węgla, jednak jest to ilość porównywana z ilością wydobywania się tego gazu w silniku spalinowym. Szczególną uwagę badaczy przyciąga tzw. technologia BTL (z ang. Biomass to liquid), czyli paliwa otrzymywane z biomasy. Biomasą nazywamy z kolei materiał pochodzenia roślinnego, odpadów roślinnych bądź zwierzęcych, która może być wykorzystywana do produkcji paliwa.
• Do ostatniej już, trzeciej generacji biopaliw, zaliczyć można surowce pochodzące z roślin o wysokiej wydajności, jak np. algi

Biopaliwa na bazie mikroalg są rozważane w kontekście zrównoważonych źródeł energii. Ze względu na wysoką efektywność fotosyntezy i wykorzystanie wody do produkcji biomasy paliwa te stanowią bardziej ekologiczną alternatywę dla obecnych paliw kopalnych, głównie ze względu na zmniejszoną emisję CO₂. Z uwagi jednak na wykorzystanie do produkcji biopaliw surowców żywnościowych powstaje wiele dylematów gospodarczo-społecznych np., czy jest to dobry pomysł w obliczu rosnącego kryzysu żywnościowego? W związku z tym obecna branża biopaliw dąży raczej do opracowania i wykorzystania trzeciej generacji paliw. Należy także brać pod uwagę ich cenę. Na ten moment jest ona wyższa w porównaniu do paliw konwencjonalnych. Dlatego dopóki surowce kopalne będą stosunkowo niedrogie, alternatywy oparte na zasobach odnawialnych nie mogą się sprawdzić. Wyjątek stanowią pozostałości i odpady, które w niektórych przypadkach można uzyskać nawet bezpłatnie. Obecnie propaguje się wprowadzanie nowych technologii pozwalających na efektywne wykorzystanie tego typu surowców. Na przykład wykorzystanie resztek drewna, części roślin, tłuszczu odpadowego i surowej gliceryny to ogromny potencjał. Nadzieję można także upatrywać w rosnących cenach paliw kopalnych pochodzących z węgla.

Inne zastosowania

Oprócz wyżej wymienionych zastosowań biotechnologia jest istotnym czynnikiem w walce z kryzysem żywnościowym i nie tylko. Może ona bowiem dostarczać bioenergię, biomateriały i właśnie żywność, dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii. Należy także wziąć pod uwagę wykorzystanie tej dziedziny nauki w przemyśle przetwórczym. Coraz więcej badań skupia się np. na ograniczeniu użycia plastiku bądź też poprawie jego właściwości za pomocą biokomponentów. Dzięki takiemu rozwiązaniu plastik może stać się w pełni biodegradowalny.

Innym zastosowaniem biotechnologii, a konkretniej mikroorganizmów, są mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, wykorzystywane potencjalnie jako alternatywny napęd w samochodach. Są to urządzenia, które wytwarzają energię elektryczną w wyniku przekształcenia substancji organicznych zawartych np. w ściekach, dzięki mikroorganizmom. Jako źródło energii można również wykorzystać biomasę, kompost czy odpady, których nie trzeba wcześniej oczyszczać. Paliwem może być w tym przypadku np. bioetanol. Co ciekawe, są one w stanie wytworzyć dużą ilość energii w stosunkowo małym rozmiarowo ogniwie, jednak problem może stanowić wyizolowanie poszczególnych mikroorganizmów. Dzięki specjalnie zaprojektowanej membranie protonowoprzewodzącej w ogniwie panują warunki beztlenowe, które stanowią idealne środowisko dla mikroorganizmów. Sama energia elektryczna powstaje dzięki transportowi elektronów wytwarzanych przez mikroby do elektrody. Kwestie, które wciąż pozostają do rozważenia jeśli chodzi o ten rodzaj ogniw, to np. poszukiwanie wydajnych i stosunkowo tanich biokatalizatorów, uzyskanie wysokiej sprawności i czasu życia ogniwa czy też poszukiwanie odpowiednich kolonii mikroorganizmów. Ogniwa paliwowe to jednak nie jedyny sposób produkcji wodoru. Ostatnie badania skupiają się np. wokół wykorzystania cyjanobakterii w otrzymywaniu tego rodzaju paliwa. W bakteriach tych wodór może być wytwarzany w wyniku działania enzymu hydrogenazy. 

Podsumowanie

Zastosowanie biotechnologii w różnych sektorach przemysłu niezmiennie prowadzi do korzyści ekonomicznych i środowiskowych, w tym tańszego przetwarzania, lepszej jakości produktów, całkowicie nowych produktów i względnego przetwarzania zrównoważonego pod względem środowiskowym. Bez wątpienia biotechnologia ma na celu przekształcenie produkcji przemysłowej w produkcję bardziej kompatybilną ze środowiskiem naturalnym. Jest to prężnie rozwijająca się dziedzina, a w związku z poszukiwaniami nowych rozwiązań działających na rzecz klimatu, społeczeństwa i energetyki będzie zdecydowanie coraz bardziej popularna. Jedną z ważniejszych kwestii jest popularyzacja tej gałęzi nauki w połączeniu z innymi dziedzinami, takimi jak np. chemia, rolnictwo, medycyna, co umożliwi rozwój w niemal każdym aspekcie naszego życia.