Biotechnologie is de toepassing van biologische processen en het gebruik van organismen in produktieprocessen, m.n. in de industrie. In de meest algemene zin omvat de biotechnologie ook de landbouw en veeteelt, en in die zin is zij dus al zeer oud.
In beperkter zin verstaat men onder biotechnologie de geïntegreerde toepassingen van microbiologie, biochemie en chemische technologie. Ook in de beperktere zin bestaat de biotechnologie al vele eeuwen. Al lang worden in de industrie (klein- en grootschalige) micro-organismen gebruikt bij de bereiding van allerlei Produkten. Voorbeelden hiervan zijn b.v. gist voor de bereiding van bier, yoghurt en gefermenteerde sojaprodukten (o.a. sojasaus, tempekoekjes). De eerste gistfabriek in Nederland, de voorloper van Gist-Brocades NV, werd in 1869 in gebruik genomen. Door het werk van wetenschappers als L.Pasteur en M.W.Beyerink nam de kennis omtrent micro-organismen en hun metabolisme zozeer toe, dat aan het eind van de 19e eeuw de grootschalige microbiële produktie van verscheidene stoffen op gang kon komen.
In 1875 werd begonnen met de biotechnologische produktie van alcohol voor industrieel en ander gebruik, later gevolgd door de produktie van o.a. melkzuur (1881), glycerol (1914) en citroenzuur (1923). De ontdekking van penicilline door A.Fleming (1928) leidde tot een uitgebreid farmaceutisch gebruik van allerlei Produkten van micro-organismen. Door de explosieve ontwikkeling van de microbiologie, de moleculaire biologie, de biochemie en de procestechnologie sinds de Tweede Wereldoorlog heeft de biotechnologie een grote ontwikkeling doorgemaakt en ontwikkelt zij zich nog in een hoog tempo verder.De grote vlucht van de biotechnologie blijkt wel uit de veelheid van produkten die biotechnologisch bereid worden. In 1980 opereerden ca. 150 fermentatiebedrijven waar farmaceutische produkten en hoogwaardige chemicaliën geproduceerd werden; verder waren nog eens 85 gistfabrieken in bedrijf. Toch heeft ook de biotechnologie zijn tegenslagen gekend. De opzienbarendste daarvan is het zgn. single cell protein (SCP) een eiwit dat afkomstig is van losse cellen die speciaal daarvoor gekweekt worden. Men hoopte met de grootschalige produktie van SCP de eiwittekorten in de wereld te verhelpen, te meer daar als voedingsbodem allerlei afvalprodukten in aanmerking kwamen. In verscheidene landen zijn grootschalige proefprojecten opgezet, die voorlopig op een mislukking zijn uitgelopen.
Het geproduceerde eiwit bleek niet geschikt voor menselijke consumptie, terwijl het als veevoeder wel voldeed, maar te duur was om te kunnen concurreren met traditionele produkten. De meeste proeffabrieken zijn inmiddels gesloten, behalve die van Imperial Chemical Industries (Groot-Brittannië).
Dit bedrijf heeft de grootste bioreactor ter wereld (met een capaciteit van 1500 m3) in gebruik om bacteriële biomassa te produceren, en gebruikt daarvoor methanol als voedingsbodem.
Procesgang in de biotechnologie In de biotechnologie maakt men gebruik van een of meer omzettingen van biologisch actieve stoffen. De omzettingen kunnen tot stand worden gebracht door vrije of geïmmobiliseerde (onbeweeglijk gemaakte) levende cellen van plantaardige of dierlijke oorsprong of van micro-organismen, celonderdelen, enzymen of enzymsystemen.
De processen verlopen bij temperaturen waarbij biologisch actieve, dus ‘levende’ stoffen reageren, gewoonlijk bij 20—50 °C. In het algemeen kosten de biotechnologische processen daardoor minder energie dan de processen die de chemische industrie toepast en die in de meeste gevallen bij veel hogere temperaturen plaatsvinden (honderden tot soms wel duizenden graad Celsius). Biotechnologische processen zijn soortspecifiek, d.w.z. dat uit dezelfde grondstoffen (substraten) steeds weer dezelfde produkten in hoge zuiverheidsgraad worden gemaakt zonder bijprodukten.
Juist vanwege het probleem van de bijprodukten is men in de chemische technologie vaak genoodzaakt genoegen te nemen met lage rendementen en ingewikkelde zuiveringsmethoden. Hierbij ontstaan vaak verder onbruikbare en vaak giftige chemische afvalstoffen.
Ook de biotechnologie kent zijn beperkingen. Een daarvan is dat de omzettingen vrijwel altijd in waterige systemen moeten plaatsvinden, waardoor de gewenste stof uit een waterige suspensie moet worden gewonnen. Dit leidt vaak tot bijprodukten in de vorm van biologisch afbreekbare afvalstoffen van organische oorsprong. Het is evenwel niet juist aan te nemen dat stoffen van natuurlijke oorsprong nooit giftig en daarom acceptabel voor het milieu zouden zijn. Zo kunnen hoge concentraties aan organische verontreinigingen in het afvalwater leiden tot schade aan het milieu, doordat zij plaatselijk alle zuurstof uit het water kunnen verbruiken en zo aanleiding geven tot anaërobe rotting, die gepaard gaat met stank en vissterfte. De groei van de micro-organismen die botulisme veroorzaken, is b.v. het gevolg van een dergelijke belasting van het oppervlaktewater, m.n. onder warme omstandigheden.
Deze nadelen van de biotechnologie zijn er mogelijk de oorzaak van dat het zo lang geduurd heeft voordat de biotechnologie haar opmars begon in het bedrijfsleven. Door de toegenomen kennis van erfelijkheidsprocessen, biochemische processen en door het beschikbaar komen van moderne chemische technieken, zoals chromatografie en elektroforese, kunnen de oude bezwaren worden ondervangen en kunnen biotechnologische produktiewijzen economisch worden toegepast. Tegenwoordig kunnen zowel eenvoudige produkten, b.v. methaan, als stoffen met een zeer ingewikkelde chemische structuur, b.v. penicilline, biotechnologisch worden bereid.
Het produktieproces De grondstof en de biologisch actieve componenten (micro-organismen of enzymen) worden bij elkaar gebracht in een groot roestvast stalen vat, de bioreactor of fermentor. Om de inhoud goed te kunnen vermengen is een roermechanisme aanwezig, en dikwijls ook een beluchtingsmechanisme om extra zuurstof aan het mengsel toe te voeren. In de bioreactor wordt in de loop van enige tijd de gewenste hoeveelheid van het produkt opgebouwd. Bij de omzettingen die in de reactor verlopen, komen ook bijprodukten en warmte vrij. De bijprodukten blijven ook in de reactor, maar de warmte moet via een koelmechanisme afgevoerd worden om te voorkomen dat de temperatuur van het mengsel te hoog oploopt, waardoor de omzettingen zouden stoppen. In de meeste gevallen wordt per keer een bepaalde hoeveelheid grondstof in zijn geheel verwerkt tot het produkt (zgn. ‘batch-processing’).
Vanuit de bedrijfsvoering gezien, is een continu proces waarbij steeds nieuwe grondstof toegevoerd wordt en ook voortdurend produkt wordt afgetapt, te prefereren. De zgn. ‘flow-processing’ is nog pas mogelijk bij enkele produktieprocessen (o.a. de bierbereiding en de anaërobe afvalwaterzuivering). Het produkt dat uit de bioreactor komt, moet eerst nog een nabehandeling ondergaan, waarbij de bijprodukten, de micro-organismen en (een deel van) het water verwijderd worden. De nabehandeling of ‘downstream-processing’ omvat technieken als filtreren, centrifugeren, precipiteren en drogen. De apparatuur die voor de nabehandeling nodig is, is vaak veel kostbaarder dan de bioreactor zelf.
De belangrijkste industriële produkten die aangemaakt zijn met behulp van micro-organismen.
produkt organisme soort organisme voedsel en dranken bakkersgist, wijn, bier Saccharomyces cerevisiae gist bier (pilsener) Saccharomyces carlsbergensis gist sojasaus Saccharomyces rouxii gist yoghurt Streptococcus thermophilus bacterie yoghurt Lactobacillus bulgaricus bacterie Zwitserse kaas Propionibacterium shermanii bacterie azijn Gluconobacter suboxidans bacterie blauwschimmelkazen Pénicillium roquefortii schimmel camembert en brie Pénicillium camembertii schimmel tempe Rhizopus schimmel industriële chemicaliën ethanol (uit glucose) Saccharomyces cerevisiae gist ethanol (uit lactose) Kluyveromyces fragilis gist aceton en butanol Clostridium acetobutylicum bacterie citroenzuur Aspergillus niger schimmel xanthangom Xanthomonas campestris bacterie dextran Leuconostoc mesenteroides bacterie aminozuren en smaakstoffen lysine, inosinezuur, guanosine-monofosfaat Corynebacterium glutamicum bacterie single-cell protein scp uit papierpulp afval Candida utilis gist scp uit aardolie alkanen Saccharomycopsis lipolytica gist SCP uit methaan of metanol Methylophilus methylotrophus bacterie vitaminen riboflavine Eremothecium ashbyi gist BI2 Pseudomonas denitrificans bacterie Bl2 Propionibacterium bacterie enzymen amylasen Aspergillus oryzae schimmel glucamylase Aspergillus niger schimmel cellulase Trichoderma reesii schimmel invertase Saccharomyces cerevisiae gist lactase Kluyveromyces fragilis gist lipase Saccharomysopsis lipolytica gist pectinasen en proteasen Aspergillus schimmel proteasen Bacillus bacterie kaasstremsel Endothia parasitica schimmel farmaca pénicillines Pénicillium chrysogenum schimmel cefalosporines Cephalosporium acremonium schimmel amfotericine-B, kanamycines, neomycines, streptomycines, tetracyclines e.a. Streptomyces bacterie gramicidine-S Bacillus brevis bacterie bacitracine Bacillus subtilis bacterie polymyxine-B Bacillus polymyxa bacterie Produktie door micro-organismen Klassieke voorbeelden van produkten die bereid worden met behulp van micro-organismen (bacteriën, schimmels enz.), zijn azijn, wijn, kaas en gist; nieuwere zijn vaccins, antibiotica en enzymen. Micro-organismen worden niet alleen gebruikt voor de aanmaak van stoffen, maar ook voor de afbraak van afvalstoffen, b.v. voor het zuiveren van afvalwater dat veel organisch materiaal bevat, zoals bij de suiker- of aardappelmeelindustrie (→ anaërobe zuivering). Bij de winning van metalen uit hun ertsen, maakt men ook al gebruik van micro-organismen. In de vs wordt 10—15 % van het koper met behulp van bacteriën gewonnen. Het erts wordt gestort in water waarin bepaalde bacteriën voorkomen.
Deze zetten de zwavel in het erts om in zwavelzuur dat de metaaldeeltjes in het erts oplost. De zo ontstane sulfaten lossen in het water op. Uit deze oplossing kan met behulp van chemische methoden het koper gewonnen worden. Deze microbiële metaalwinning heeft vele voordelen. Het energieverbruik is lager, er is minder verontreiniging, er wordt meer metaal uit dezelfde hoeveelheid erts gewonnen en het is in principe mogelijk de behandeling in de mijn zelf (in situ) te laten plaatsvinden, waardoor transport van de grondstof naar de fabriek onnodig wordt.
Vele organische verbindingen kunnen zowel biotechnologisch als op zuiver chemische wijze aangemaakt worden. Economische overwegingen bepalen uiteindelijk welke weg gekozen wordt. Lysine b.v. kan chemisch gesynthetiseerd worden uit caprolactam, maar met behulp van micro-organismen gaat het goedkoper; het antibioticum chlooramfenicol werd vroeger geproduceerd met behulp van de bacterie Streptococcus venezuelae; tegenwoordig is directe chemische synthese goedkoper.
Biochemische produktie In vele gevallen waarbij stoffen geproduceerd worden met behulp van micro-organismen, blijkt het micro-organisme een werkzame stof af te scheiden (veelal een enzym) dat de eigenlijke omzetting bewerkstelligt. Men tracht daarom vaak de werkzame stof te isoleren en deze rechtstreeks te gebruiken in het produktieproces in plaats van het micro-organisme. In de industrie worden vele tientallen tot honderden verschillende enzymen toegepast. De belangrijkste groepen daarvan zijn de lipasen (vetsplitsende enzymen), peptidasen (eiwitsplitsende enzymen) en glucosidasen (koolhydraatsplitsende enzymen). Enzymen werken als katalysator en worden dus tijdens de omzettingen niet verbruikt. Zij zijn in water oplosbaar, net als de stoffen waarop zij inwerken.
Dit kan inhouden dat het enzym na de omzettingen met het produkt wordt afgevoerd en dus verloren gaat. Soms verontreinigt het enzym het produkt, wat betekent dat het bij de nabehandeling moet worden verwijderd. Om dit tegen te gaan, probeert men → geïmmobiliseerde enzymen te gebruiken. Men tracht het enzym te koppelen aan een substraat dat na de omzettingen uit de waterige oplossing verwijderd kan worden zonder dat het enzym vernietigd wordt, waardoor het enzym opnieuw gebruikt kan worden. Dit valt b.v. te bereiken door het enzym te koppelen aan een onoplosbare drager van korrelig materiaal, dat na het proces afgefilterd wordt. Enzymen worden o.a. gebruikt bij de produktie van yoghurt, suiker uit zetmeel, alcohol uit suiker.
Van groot potentieel belang zijn de enzymatische produktiemethoden voor grondstoffen, zoals etheen en propeen (grondstoffen voor kunststoffen). Deze worden tot nu toe gemaakt uit aardolie. De Amerikaanse Cetus Corporation heeft een enzymatische produktiemethode voor deze grondstoffen ontwikkeld die weinig energie vraagt en schoon is. Er zijn ook enzymen die als produkt gewonnen worden; zulke enzymen (m.n. eiwit- en vetsplitsende enzymen) zijn verwerkt in wasmiddelen. Voor het bereiden van sommige stoffen kan niet volstaan worden met een enkele omzetting, maar is een reeks van omzettingen nodig. Voor elke omzetting is een aparte katalysator nodig.
Invloeden van het recombinant-DNA-onderzoek De biotechnologie ontvangt belangrijke impulsen vanuit de moleculaire biologie. De daar ontwikkelde technieken voor genetische manipulatie (‘genetic engineering’) openen de mogelijkheid micro-organismen zodanig te wijzigen, dat zij andere stoffen gaan produceren, of juist verbruiken, dan zij van nature zouden doen. Zo heeft de Amerikaan A.Chakrabarty uit bacteriën van de Pseudomonas-stam een olie-afbrekende bacterie ontwikkeld. Deze bacterie zou een grote rol kunnen spelen bij het bestrijden van olieverontreinigingen. Ook op het gebied van de geneeskunde en farmacie heeft de recombinant-DNAtechniek tot grote successen geleid. De Amerikaanse firma Genetech heeft bacteriesoorten ontwikkeld die menselijke insuline en menselijke groeistoffen kunnen produceren. Het Zwitserse bedrijf Biogen maakte in 1980 bekend dat zij een bacterie heeft ontwikkeld die menselijk interferon kan aanmaken.
Het overheidsbeleid in Nederland Omdat de biotechnologie goede perspectieven biedt als schone technologie, wordt vanuit het milieubeleid van de rijksoverheid steun verleend aan kansrijke ontwikkelingen op biotechnologisch gebied. Zo is de ontwikkeling van de anaërobe afvalwaterzuivering, zoals die toegepast wordt in de aardappelmeelindustrie, ten dele bekostigd door het Rijk. Andere voorbeelden van processen die kansrijk geacht worden zijn: het gebruik van micro-organismen voor de verwijdering en/of terugwinning van zware metalen uit vaste afvalstoffen; het gebruik van biotechnologie voor de afbraak van bepaalde categorieën chemisch afval; het ontwikkelen van biotechnologische afbraakprocessen voor lignine en cellulose; het gebruik van micro-organismen en hun enzymsystemen voor het bereiden van chemicaliën; het langs microbiële weg winnen van methaangas uit huishoudelijk afval op vuilstortplaatsen.
[prof. dr. R. A. Schilperoort] België In 1981 koos de Vlaamse regering voor vernieuwing van het economisch beleid nl. de Derde Industriële Revolutie in Vlaanderen (DIRV). Het Vlaamse project steunt op drie basistechnologieën: biotechnologie, micro-elektronica en nieuwe materialen. Daarnaast bestaan zeven toepassingstechnologieën: burotica, robotica, telematica, medische technologie, lucht- en ruimtevaart, nieuwe energietechnieken en agro-industrie.
In 1983 werd een internationale vakbeurs voor technologische vernieuwing georganiseerd (Flanders Technology). De overheid stimuleert de investeringen door middel van subsidies, kapitaalpremies en participatie via de Gewestelijke Investeringsmaatschappij voor Vlaanderen. Verder kunnen bedrijven voor hun onderzoek en ontwikkeling een beroep doen op het Instituut tot aanmoediging van het Wetenschappelijk Onderzoek in Nijverheid en Landbouw (IWONL). In 1983 keerde het IWONL BF 459 mln. uit aan 25 projecten van de biotechnologie.
In okt. 1982 werd een studiecomite voor biotechnologie opgericht, dat o.a. onderzoek uitvoert op het gebied van methaangisting (afvalbehandeling), produktie van antilichamen en de erfelijkheid. In dec. 1982 werd een Vlaams-Amerikaanse maatschappij voor biotechnologie opgericht (Plant Genetic Systems). De activiteiten zijn geconcentreerd op genetische manipulatie van bacteriën die de plantengroei bevorderen, ontwikkeling van planten met een hogere resistentie tegen ziekten en een hogere voedingswaarde, valorisatie van organisch afval (o.a. compostering) en enzymtechnologie (gebruik makend van genetische manipulatie).
Het winnen van koper uit erts met behulp van bacteriën in de kopermijn Bingham Canyon (Utah, vs). Het afgegraven erts wordt op grote hopen gestort. Deze bergen worden besproeid met een voedingsoplossing die het de bacteriën in de ertsberg mogelijk maakt ijzer(II)-verbindingen om te zetten in ijzer(III)-verbindingen. Deze ijzer(III)verbindingen zetten de kopersulfidemineralen in het erts om in oplosbaar kopersulfaat. Het percolatiewater met het kopersuifaat wordt onderaan de.ertsberg opgevangen en verder be-. werkt om het koper uit de oplossing af te scheiden. (Bron: Kennecott Utah Copper Division, vs)