(Fr.: technologie biochimique; Du.: biochemische Technologie; Eng.: biochemical engineering), of biotechnologie, samenvattend begrip voor alle technologieën die gebruik maken van levend materiaal, (dus incl. landbouw, veeteelt en visserij, medische technieken enz.), doch doorgaans gebruikt ter aanduiding van alleen die technologieën waarbij gebruik gemaakt wordt van micro-organismen of van enzymen.
Biotechnologie en biochemie.
Het bijzondere van de biochemie is toe te schrijven aan de volgende principes.
1. Elke cel bevat een volledige hoeveelheid informatie in de vorm van een programma vastgelegd in een chemische code; dit zijn de nucleïnezuren (DNA). Deze informatie wordt steeds weer volledig overgedragen op elke nieuwe cel die uit een oude voortspruit.
2. Al naar gelang de omstandigheden wordt deze informatie operationeel gemaakt door aparte nucleïnezuren (RNA). De chemische code leidt tot het produceren van een enzym, d.w.z. een eiwit met een specifieke versnellende werking op een chemische reactie.
3. In de cel bestaat een vrijwel universeel systeem van energie-overdracht (zie Bio-energetica). Door dit algemene systeem kan energie uit exotherme reacties benut worden voor het doen verlopen van endotherme reacties, zonder dat veel energie in de vorm van warmte verloren gaat. De biotechnologie houdt zich vooral bezig met het benutten van deze biochemische reacties waarbij door ‘manipulatie' (ingrijpen in de besturingsmechanismen van de cel) de gewenste produkten kunnen worden verkregen.
Biotechnologie en cybernetica.
Het complexe netwerk van enzymatische reacties in de biochemie van de cel wordt bestuurd; de besturing zit voor een deel in het programma ingebouwd en komt voor een deel tot stand door invloeden van buiten af. Door de biotechniek wordt op beide plaatsen ingegrepen. Door zorgvuldige kruisingsexperimenten, kunstmatig opgewekte mutanten (organismen met een gewijzigde code in het DNA) en langdurige selecties worden stammen gekweekt die beter aan onze wensen voldoen. De kweekmethoden zijn meestal op empirische wijze tot stand gekomen en zijn soms zeer oud. Uitwendige factoren kunnen direct inwerken (bijv. blokkeren van bepaalde enzymen met remstoffen) of indirect (beïnvloeding van het operationeel maken van de in DNA vastgelegde code).
In de huidige praktijk van de biotechnologie wordt meestal gewerkt met zorgvuldig geselecteerde micro-organismen of met gezuiverde enzymen. De toekomstige ontwikkeling zal veel meer worden beïnvloed door de wetenschap van de biochemische besturing. De genetic engineering (genetische manipulatie) houdt zich bezig met het ‘ombouwen’ van DNA-moleculen of met het besturen van de eiwitsynthese op geïsoleerde ribosomen (de celorganellen waar de eiwitsynthese op plaatsvindt) door middel van bepaalde RNA-moleculen. Het is dan ook te verwachten dat de biotechnologie zich in een richting gaat ontwikkelen waarin de biochemie nog meer door mensen wordt beïnvloed en benut.
Toepassing van de biotechnologie.
De belangrijkste toepassingen liggen in het vlak van levensmiddelen, geneesmiddelen, wasmiddelen, chemische industrie en analytische chemie; er zijn zoveel toepassingen dat hier slechts een gering aantal genoemd kan worden. Fermentaties worden toegepast voor de bereiding van alcohol, azijn, citroenzuur, gluconzuur, yoghurt, kaas, zuurkool, augurken, brood, eiwit, hormonen, antibiotica en tal van specifieke enzymen. Deze enzymen worden toegepast in schoonmaakmiddelen, levensmiddelen, voor het verkrijgen van glucose en andere suikers uit polymeren, voor het scheiden van isomeren en voor vele medische en analytische doeleinden.
Uitvoeringen van fermentaties.
De reactortypen en -processen die in de biochemische technologie voor het uitvoeren van fermentaties worden gebruikt lopen zeer uiteen. Belangrijke technieken die hierbij een rol spelen zijn o.a. de beluchtingstechniek, sterilisatietechniek, koeltechniek, meet- en regeltechniek en scheidingstechnieken, als filtreren en centrifugeren.
Men kan onderscheid maken tussen ladingsgewijze processen en continue processen. Ladingsgewijze processen zijn beter te controleren; vanwege de noodzaak om infecties te bestrijden door steeds alle apparatuur te steriliseren, zijn deze processen het meest toegepast in de fermentatietechniek. In de afvalwaterzuiveringstechniek wordt daarentegen hoofdzakelijk met continue processen gewerkt; infecties spelen hier geen rol.
Een ander onderscheid is dat tussen oppervlaktefermentatie en diepte- of submerse fermentatie. In het eerstgenoemde geval wordt met platte schalen van 5...10 cm diep gewerkt zonder extra beluchting. Bij dieptefermentatie wordt in grote ketels (tot 250 m3) of in bassins tot vele duizenden m3 (afvalwater) intensief geroerd. Hierbij kan men weer onderscheid maken tussen heterogene en homogene systemen. In een homogeen systeem heersen overal in de reactor dezelfde omstandigheden terwijl bij een heterogeen systeem de biomassa een traject doorloopt waarbij het van de ene in de andere conditie komt. Voorbeelden van heterogene systemen vindt men in de zgn. torenfermenter of in de oxidatiesloot type carrousel. Een onderscheid van grote technische betekenis is dat tussen laag-viskeuze en hoog-viskeuze systemen. Hoog-viskeuze systemen werken met een zeer dicht zgn. fermentatiebeslag. De noodzaak voor intensieve zuurstofoverdracht door de beluchting heeft tot gevolg dat hierbij zoveel warmte (wrijvingswarmte) ontwikkeld wordt dat weer extra gekoeld moet worden.
Voorbeelden van fermentatie.
Een modern proces is de dieptefermentatie van melasse (afvalprodukt van suikerbieten) tot alcohol met behulp van de gist Saccharomyces cerevisiae. In een aantal aërobe stappen wordt een gistbestand gekweekt totdat men een kuip heeft van ca. 12 m3 met 5...10 g gist per liter. Vervolgens wordt de beluchting stopgezet en de suikers vergisten tot alcohol. Gedurende een periode van ca. 40 uur wordt de melasse in porties toegevoegd totdat er een alcoholgehalte van 10...11% bereikt is. Daarna wordt de alcohol via destillatie gezuiverd en de biomassa als veevoeder verwerkt.
Een ander voorbeeld van een moderne fermentatie is de penicillineproduktie. Men beschikt tegenwoordig over penicillinestammen die duizenden malen meer penicilline produceren (25 × 104 i.E. penicilline per gram biomassa) dan de oorspronkelijke wilde stam van de schimmel.
Toepassing van enzymen.
Naast de fermentatietechniek vormt de toepassingstechnologie van enzymen een belangrijke tak in de biotechnologie. Klassiek is bijv. het gebruik van lebstremsel voor de bereiding van kaas. In melk komen micellen voor van vet en eiwit waardoor een colloïdale toestand wordt gehandhaafd. Het eiwit (caseïne) wordt door het enzym rennine voor een deel gesplitst, waardoor de micellen instabiel worden en de caseïnevetmicellen coaguleren met calciumionen, waarbij kaas ontstaat. Rennine werd vroeger op grote schaal bereid uit kalvermagen. Tegenwoordig zijn er renninepreparaten ontwikkeld die bereid zijn uit fermentatieprodukten van micro-organismen.
Een ander voorbeeld betreft de bierbrouwerij. Bier wordt verkregen door alcoholische fermentatie van gerst. De gerst moet echter eerst vergistbaar gemaakt worden. Daartoe moeten de macromoleculen zoals zetmeel en eiwit omgezet worden tot glucose en aminozuren. Bij dit proces (het mouten) laat men de gerstkorrels kiemen; daardoor stijgt de activiteit van zetmeelafbrekende enzymen (diastase en maltase) en proteolytische enzymen (proteasen). Als dit proces lang genoeg geduurd heeft kan men de afbraakprodukten als glucose en aminozuren extraheren en ontstaat de wort (grondstof voor de alcoholische gisting).
Door nu uit micro-organismen geschikte enzymen te bereiden kan men dit moeilijke proces van het mouten sterk verkorten. Als er na de alcoholische gisting nog wat eiwit in het bier zit kan dit aanleiding geven tot troebeling. Daartoe wordt bovendien bij de bierbereiding een eiwitsplitsend microbieel enzympreparaat (papaïne) toegevoegd, zodat het bier helder blijft.
Een heel andere biochemische techniek is het toepassen van enzymen voor analytische doeleinden. Voor de bepaling van glucose in bloed of andere vloeistoffen bijv. kan men gebruik maken van een zuurstofelektrode met een membraan dat geïmpregneerd is met het enzym glucoseoxidase. Evenredig met de mate waarin glucose aanwezig is zal het enzym zuurstof gaan verbruiken waardoor het signaal van de elektrode verzwakt.
Voor de toepassing van enzymen in de zgn. biologische wasmiddelen heeft zich een aparte techniek ontwikkeld die tot groot succes heeft geleid. Er waren twee problemen die hier moesten worden overwonnen; het eerste was het verkrijgen van een enzym dat resistent en werkzaam is in heet zeepsop (hoge temperatuur, hoge basiciteit, hoge concentratie detergent, hoge concentratie complexerende stoffen). Dit heeft men bereikt door selectie van een stam van de bacterie Bacillus subtilus die een zgn. alkalisch protease produceert. Dit protease breekt de eiwitten in het vuil af waardoor de hechting van het vuil met het wasgoed sterk vermindert. In de tweede plaats dient de ‘verpakking’ van het enzym in waspoeder zodanig te zijn dat het niet geïnactiveerd wordt. Hiertoe is een inkapselingstechniek ontwikkeld waarbij het enzym op korreltjes trinatriumpolyfosfaat gebracht wordt en vervolgens bedekt wordt met een laagje niet-ionogeen detergent. De techniek enzymen op dragers te hechten heeft zich sindsdien ook voor andere toepassingen verder ontwikkeld (inmobilized enzymes). De enzymen worden op membranen gehecht of in polymeren gevangen. Hierdoor kan men bijv. bepaalde stoffen omzetten door eenvoudig de oplossing over een kolom met enzym te gieten. Met de voortschrijdende membraantechnologie, waarbij de permeatie van grote of kleine en geladen of ongeladen moleculen beïnvloed kan worden, is er ook verder van de enzymatische membraantechnologie nog veel te verwachten.
Samenvattend kan geconcludeerd worden, dat de biotechnologie een ontmoetingsveld is voor wetenschapsmensen en technici uit diverse disciplines. De resultaten van de biotechnologie liggen op allerlei gebied en zijn vrijwel niet meer weg te denken uit ons moderne leven. Door de combinatie van de wonderlijke eigenschappen van micro-organismen en geperfectioneerde techniek is op dit gebied nog veel nieuws te verwachten.