הגידול המאסיבי של אוכלוסית העולם מהווה אחת מהסיבות הקרדינליות לצורך בשימור הסביבה שבה אנו חיים. הסיבה השניה הינה רמת הפיתוח הטכנולוגי והעליה המתמדת ברמת החיים.
שני גורמים אלה מביאים לעומס רב על סביבתנו. הפעילות האנושית מביאה לשימוש במקורות הטבע הבלתי ניתנים לחידוש בזמן סביר, כמו מתכות, נפט וכדומה. עיבודם והשימוש בהם מביאים ליצירה של חומרים רעילים, פחות או יותר.
בשנים האחרונות גוברת המודעות לגבי ההכרח בפיתוח אמצעים לשמירת הסביבה (Sustainable Development) שיאפשרו את המשך הפיתוח הטכנולוגי מבלי לפגוע בסביבה.
חלק גדול מייצור התוצרים שבשימוש האדם כיום, מבוסס על העקרון של תהליכים וטכנולוגיות שמוגדרים כ״סוף הצינור״ - end of pipe processes (תמונה 1) בתהליך זה מופקים אוצרות טבע, עם יצירה של תוצרי לוואי (פסולת), וגם לתוצר הסופי יש זמן חיים, שבסופו של התהליך מביא לכך שתיווצר עוד פסולת.
 |
| תמונה 1: תהליך ״סוף הצינור״ יוצר פסולת שדורשת טיפול |
הטכנולוגיות לטיפול בפסולת מהוות נושא שמתפתח מתוך כוונה להוריד את כמות המזהמים. במקרים רבים משתמשים בתהליכים ביולוגיים לטיפול (למשל שפכים - landfills, composting) פסולת תעשייתית בהרכב שונה מחומרים טבעיים, קיימת בסביבה רק זמן מאוד קצר במונחים של האבולוציה - בוודאי משך זמן שאינו מספיק על מנת לאפשר התפתחות של מערכות ביולוגיות (קטליזטורים ־ מזרזי ראקציה אנזימטיים) לפירוקה. איננו עדים להצטברות של חומרי טבע, אפילו אם הפולימרים מורכבים (כמו ליגנין, פולימר מאוד מסועף של פוליארומטים) או חומרים ליפופיליים (כמו פחממנים, תערובת של אלקנים וארומטים).
במהלך האבולוציה ליצירת חומרים אלה, התפתחו אף מערכות לפירוקם (בעיקר אנזימים בחיידקים ובפטריות) אשר מאפשרות סגירת המעגל בין חומר פחמני אורגני ואי-אורגני. אחת מהתכונות של אנזימים היא שיכולת הפירוק שלהם איננה תמיד מוגדרת בהכרח לחומר עם מבנה ׳׳אבסולוטי״, אלא הם משתמשים כסובסטרט (החומר העובר שינוי) גם במולקולות הדומות במבנה שלהן לסובסטרט האותנטי.
לעומת זאת, יש חומרים מאוד עמידים לפירוק (recalcitrant) המהווים מקור לבעיות סביבתיות מאחר שאין מערכות ביולוגיות לפירוקם; על אלה נמנים:
א. Polychlorinated biphenyls
ב. Chlorinated benzenes
ג. Chlorinated phenols
ד. פולימרים פלסטיים (פי.וי.סי, פוליסטירן).
הדרך להיפטר מחומרים אלה היא שריפה בטמפרטורה גבוהה או קבורה באדמה במקום מבוקר (landfill) אך הפתרון העדיף הוא לא להשתמש בהם, דבר שימנע את הצורך להיפטר מהם; הפעילות האנושית מביאה לתופעות לוואי לא רצויות שבהן אנו הורסים את סביבתנו ובמקרים חריפים יותר גם את בריאותנו. רמת החיים הגבוהה גוררת בהכרח יצירת פסולת בנפח עצום שחלקה גם רעיל. הדרך היעילה ביותר להוריד את העומס על הסביבה היא הורדת הצריכה.
 |
| תמונה 2: יצור מעגלי |
מאמר זה דן בתהליכים ביולוגיים/תעשייתים חדשניים שתפקידם להפחית את רמת המזהמים. וככל האפשר למצוא אמצעי ייצור שמבוססים על ״עקרון המעגל״ (תמונה 2); באמצעי זה כל תהליך מבוסס על כך שאין ניצול של חומרים מתחדשים ואין זרימה של פסולת.
היום מתחילים לערוך לתהליכים הקיימים אנליזה של מחזור החיים (life cycle analysis), שבה מגדירים את התוצר מ״לידתו״ עד ״סופו״ - היינו האנליזה מגדירה את ייצור התוצר על כל היבטיו: עלות חומרי הגלם, הדרישות לייצור מבחינת חומרי הייצור, כמות האנרגיה הנדרשת, וכל הקשור לטיפול של סך כל הפסולת הנובעת מהתהליך (אין פירוש הדבר שהייצור מוגדר כמעגלי, אך בכך מתאפשר ״לבודד שלבים" הניתנים לשיפור). אביא במאמרי מספר רעיונות ביחס לפיתוחים של תהליכים שכאלה, ואפרט לגבי התהליך שחקרנו בכדי לנצל את חומר הגלם טוב יותר. היכולת לניצול טוב יותר של חומר גלם מביאה כמובן גם לפחות פסולת ליחידת נפח מיוצרת.
תהליכים ביולוגים הם מטבעם ידידותיים יותר לסביבה. בכך נכללים חומרי גלם טבעיים, תוצרי לוואי שמאפשרים מיחזור, ותנאי ריאקציה נוחים. (טמפרטורה נמוכה ולחץ אטמוספירי) שדורשים פחות אנרגיה.
פותחו אינדקסים כמו Sustainable Development Index המאפשר להשוות תהליכים שונים והשפעתם על הסביבה. אינדקס זה מנסה לאחד את הצריכה עבור ייצור כל תוצר על כל היבטיו: חומרי גלם, אנרגיה, תחבורה וכדומה. היחידה שנבחרה לאיחוד היא שטח הדרוש לייצור כל ״החומרים" הדרושים על בסיס חומרים מתחדשים. בדרך זאת אפשר להשוות בין תהליכים שונים לייצור אותו תוצר ולדרג אותם לפי sustainability שלהם. יש כבר היום תהליכים ביולוגיים מפותחים לייצור חומרי bulk, כמו כוהל אתילי, חומצות למיניהן (חומצת לימון מיוצרת בכחמש מאות אלף טון לשנה בתהליך ביולוגי), ותמיסות אורגניות שונות, כמו אצטון ובוטנול. אתנול גם מהווה מקור אנרגיה פוטנציאלי. חלק מהייצור איננו כלכלי, במצב של המשק היום, וללא ספק אחד מהקשיים הגדולים ביותר הינו להעריך את ״מחיר הזיהום" שהטכנולוגיה מביאה לסביבה.
בהרבה ארצות מפותחות נחקקו חוקים שמגדירים מיהו האחראי על העלות שבטיפול בזיהומים ולאכיפת החוקים. בארצות רבות יש חוקים, אבל האכיפה לקויה.
בשנים האחרונות מנסים לפתח תהליכים חילופיים לתהליכים קיימים בענפים שונים של התעשייה. צריך לזכור, למשל, שמספר הזנים המיקרוביאליים שבשימוש הוא זניח, לעומת המיקרואורגניזמים הקיימים בטבע. פה טמונה רזרבה פוטנציאלית גדולה שמומלץ לבודדה ולחקור את פעילותה ויכולתה לשמש בתהליכים ביולוגיים, וידידותיים לסביבה, עתידיים. יש כמה מסגרות שמרכזות מידע על תהליכים חדשים שיביאו לפחות פסולת וזיהום. אחת מהן היא קבוצת העבודה לייצור ביוטכנולוגי נקי יותר של תוכנית הסביבה של או״ם (UNEP). בכנס שנערך ביוני השנה הוצגו "case studies" בתחומים תעשיתיים שונים.
להלן אתן דוגמאות של כיוונים בענפים שונים ובמחקר שבוצע במחלקתנו בכדי לשפר ייצור ביולוגי של חומצות
אורגניות.
הלבנה של נייר
ייצור של נייר, מבוסס על התאית שבעצים ומחולק לכמה שלבים (תמונה 3). בתהליך הראשון אחרי debarking מפרידים את התאית מיתר הרכיבים הנמצאים בעץ (בעיקר ליגנין והמיצלולוז) בדרכים שונות: כימיות, חצי כימיות או מכאניות, לפי היעוד של הנייר.
אחרי ההפרדה נשארת העיסה (pulp) בצבע חום (שאריות של ליגנין).
ייעוד הנייר קובע את רמת ההלבנה הנדרשת. הלבנת העיסה היא המקור הבעייתי ליצירת חומרי פסולת. בייצור נייר יש גם מקורות פסולת אחרים שגם אותם מנסים להפחית. שימוש בחומרים המכילים כלור בנגזרות שונות בתגובה עם עיסת העץ, גורר יצירת חומרי כלור אורגני כמו דיוקסין ופורן (חומרים רעילים) שמגיעים למי השפכים.
 |
תמונה 3: שלבים ביצור נייר |
כדי להוריד את השימוש בכלור פותחו טכניקות להלבנה בשימוש עם חמצן ומי חמצן, ובשנים האחרונות התחיל שימוש באנזימים ממקור מיקרוביאלי (קסילנזות, פראוקסידזות, וליגנינזות) וצריכת הכלור פוחתת .
התהליך האנזימטי מצוי כבר בשימוש תעשייתי בפינלנד בייצור העיסה. אין צורך בהשקעות נוספות לעומת התהליך הקיים, ועלות האנזימים דומה לעלות של חומרי הכלור המוחלפים.
ישנם רעיונות עתידניים לשיפור הייצור מבחינה סביבתית (פחות פסולת ופחות רעילות):
א. סגירה של מערכת המים, מיחזור אחרי טיפול בשפכים.
ב. שינוי בתכולת הליגנין ואיכות העץ על ידינשינוי גנטי באנזימים האחראיים לפילמור בעץ (פניל אוקסידזות).
ג. שינוי בביוסינתזה של התאית - לקבלת חומר שמבחינה מיבנית מתאים יותר ליצירת נייר.
ד. שימוש באנזימים להוצאת דיו מנייר ממוחזר (דורש שימוש בדיו אורגני)
ה. שימוש בתאית ליצירת כימיקלים שהיום מיוצרים מנפט.
טיפול חלופי בעורות
עיבוד של עור מ-hide ל-leather הוא תהליך מורכב, של עד ארבעה עשר טיפולים שונים שבסופו מתקבל עור לייצור מוצרים כמו נעליים או תיקים. רוב הטיפולים מטרתם ניקוי העור משאריות, משיכבת האפידרמיס ומבשר שנותרו, לפני תהליך tannings שהופך את hide ל-leather על ידי טיפול בכרומיום. הכרומיום נקשר לאתרים טעונים בין שרשרות הקולאגן ומונע כניסת מים לתוך ה״פורות״ של העור, כשישים אחוזים מהכרומיום נספגים בעור והיתרה מוצאת דרכה לביוב.
על כל טונה של עור מיוצרים 28-44 מטרים מעוקבים של מי שפכים המכילים חומרים אי-אורגניים, מלחים, H2S, NH3, Cr וחומרים אורגניים וביניהם חלבונים.
שינויים אפשריים שמציעה הביוטכנולוגיה:
א. הורדת שערות בעזרת פרוטאזות, ושומנים בעזרת ליפאזות, כלומר טיפולים אנזימטיים במקום כימיקליים.
ב. הפרדת הפסולת החלבונית מהכרומיום אחרי tannings המאפשרת מיחזור של הכרומיום, ושימוש בחלבונים לצורכי מאכל בבעלי חיים.
ג. טיפול אנזימטי של פסולת עשירה בקראטין.
ד. שימוש בליפאזות להורדת שומן מהעור (animal skin) במקום הורדת השומן עם סולבנטים.
עליה בערך התזונתי של תערובת לבעלי חיים והפחתה בפסולת.
הכדאיות הכלכלית בגידול חיות תלויה במזון הניתן לחיה. רוב מקורות התזונה הם דגנים. מעלי גירה כמו בקר, כבש ועז מכילים "rumen", חיידקים המיצרים את כל חומצות האמינו הדרושות ממקורות לא חלבוניים של חנקן. לבני אדם, לעופות ולחזירים אין מיקרואורגניזמים כאלה והם חייבים לקבל מספר חומצות אמינו ממקור חיצוני כדי לאפשר גידול.
הדגנים עניים במתיונין ובליזין, הם מכילים סיבים ויסודות אחרים שלא עוברים ספיגה, ובגלל זה הם מצויים בפסולת, וכך גדלה הכמות שחייבת בטיפול. נמצא שאנזימים המוספים בכמות קטנה לתערובת מעלים את ערכה התזונתי.
אנזימים המפרקים סיבים (צלולז, גלוקנז) משחררים נוטריינטים, מורידים צמיגות ומשפרים את קליטת קרקע המזון, מעלים את הערך האנרגטי עד כדי שלושים אחוזים, ומורידים את כמות ותכולת הזבל. האנזים phytase מעלה ניצול של זרחן החשוב גם לבקר, ומוריד את ריכוזו בזבל. הוספה של חומצות אמינו ״מלאכותיות״ המיוצרות בתסיסה, מורידה את סך כל ריכוז החנקן בתערובת וגם בפסולת. בעתיד, שימוש בהנדסה גנטית יאפשר פיתוח צמחים המנצלים חנקן טוב יותר, בדרך של קיבוע חנקן מהאוויר, ו״להנדס״ את הרכב החלבון המאוזן יותר, יחסית לדרישות התזונתיות של החיה. כדאי להזכיר גם מספר יתרונות בצמחים טרנסגניים, כמו עמידות לחרקים ולמחלות, שינוי בזמן ההבשלה (עגבניות שנשארות קשות לזמן ממושך יותר, כבר נמצאות בשוק בארה״ב), עמידות לעקה (חום, קור, מליחות ויובש), הרכב תזונתי משופר, שינוי הרכב שומנים בגידולי פרי מגדים (שינוי בהרכב חומצות שומן וגם בריוויונן), ביוסינתזה של פלסטיקים המתפרקים בדרך ביולוגית.
תעשיית הבדים
תעשיית ייצור הבדים הינה מורכבת מאוד בגלל שפע החומרים והתהליכים. שלוש הפעילויות העיקריות הן ייצור סיבים, ייצור של חוט ובד, ופעילויות גימור כמו הלבנה, צביעה ושטיפה.
הסיבים החשובים הם כותנה, צמר וסיבים סינתטיים. ייצור כותנה דורש כמויות גדולות של פסטיצידים, דשנים ומים. טיפולי הגימור נעשים ברוב המקרים בתמיסה מימית, שלתוכה מוספים כימיקלים, שרובם בסופו של דבר יוצאים במי ביוב שדורשים עקב כך טיפול. בכמה שטחים הביוטכנולוגיה יכולה לסייע לייצור יותר נקי:
ייצור של כותנה צבעונית, שמוש בביופסטיצידים, שימוש בביו-דשנים, הלבנה בעזרת אנזימים, שימוש בביוסורפקסנטים (biosurfactants) בכביסה.
לדוגמא, לאחר הלבנת הבד, שוטפים את הבד כדי להוריד עודפים, ושימוש באנזים קטלז שלייצורו דרושים כעשרים וחמישה ליטר מים, חוסך בין 6300 עד 19000 ליטר מים.
ייצור של חומצות אורגניות
לחומצות אורגניות יש שימושים רבים, כמו החמצת מזון, כחומר גלם לייצור פלסטיקים, צבעים, ואסטרים לבושם. התוצר העיקרי שבשימוש כיום הינו חומצת לימון, שמיוצרת בתסיסה של פטריה המותרת לשם יצירת חומרי גלם למזון. החומצה מורידה את ה-pH ומוסיפה לטעם.
בחירת החומצה מבוססת על עלות וגם פונקציונאליות. הפטריה Aspergillus niger הופכת מונו או דו-סוכר לחומצת לימון בגידול אווירני. היבול התאורטי של חומצת לימון הוא 192 גרם לליטר ממול אחד של גלוקוז (180 גרם לליטר), אך חלק ממקור הפחמן הופך לתאים וחלק מנוצל לתחזוקת התא. היבולים בייצור חומצת לימון מתקרבים לערכים התאורטיים ושיפור בתהליך אפשרי רק אם יהיה אפשרי להעלות את קצב היצירה. ההגבלה ליבול יותר גבוה היא תוצאה של הדרך הביוכימית שבה מיוצרת החומצה בפטריה (המסלול הביוסנתטי, מעגל חומצת הלימון, מוצג בתמונה 4). חקרנו קבוצת פטריות שמייצרת חומצות אורגניות אחרות, שגם הן מהוות תוצרי ביניים של מעגל חומצת הלימון.
 |
| תמונה 4: מעגל חומצת הלימון. חיצים מלאים- מסלול חימצוני.חיצים מנוקדים- מסלול חיזורי. |
כשחקרנו את הביוכימיה והפיזיולוגיה של הפטריות האלה, נמצא שהביוכימיה של יצירת החומצה הפומרית בפיטריה Rhizopus oryzae ושל החומצה המלית בפטריה Aspergillus flavus (תמונה 5) מאפשרת יבולים יותר גבוהים. הפטריה הצוברת חומצת לימון לוקחת C6 (גלוקוז) והופכת אותו ל־C6 אחר (חומצת לימון), ולעומת זאת הפטריות המייצרות חומצה פומרית ומלית מעבירות את המקור הפחמן (גלוקוז) דרך שרשרת אנזימים אחרים (במקום הכיוון הרגיל - החמצוני - של מעגל חומצת הלימון. בפטריות האלה יש פעילות רבה מאוד בכיוון החיזור של מעגל חומצת הלימון (תמונה 4).
תמונה 5: גבישי חומצה מלית באספרגילוס פלבוס. הפס הלבן מייצג 5 מיקרון. מקור: מאמר שני ברשימת הספרות
היבול התאורטי האפשרי מגיע למאתיים מול אחוז, ומכל מול סוכר ישנה אפשרות לקבל 2 מולים של חומצה פומרית או חומצה מלית.
ההסבר טמון בשימוש בכיוון המחזר של מעגל חומצת הלימון. התאים קולטים שני פחמן דו חמצני ו-C6 אחד (סוכר) ומתאפשר ייצור של שני C4 (החומצות) כלומר C8.
החומצה הפומרית פחות מענינת מבחינה תעשייתית. בגלל הסימטריה של המולקולה (אין לה איזומרים - תופעה די שכיחה בתוצרים ביולוגיים), והיום הייצור שלה נעשה בדרך כימית ממקטע של נפט.
חומצה מלית קיימת בדמות שני איזומרים (D ו-L) וייצור כימי מביא לתערובת ראצמית, לעומת ייצור ביולוגי המביא לצורת ה-L של החומצה.
לפי החישוב שלמעלה, ממול גלוקוז אפשר תאורטית לייצר 268 גרם בליטר של חומצה L-מלית לעומת 192 גרם בליטר של חומצת לימון.
בייצור של חומצה מלית אנו מקבלים יותר תוצר לכל יחידה של חומר הגלם, ואף שכבר קיים תהליך ביולוגי לייצור של חומצת לימון, יש אפשרות לנצל את חומר הגלם ביעילות גבוהה יותר, פי 1.4. בכך עוד לא מיצינו את יכולת הפטריה Aspergillus flavus לייצר את החומצה. המחקר מתמקד כאופטימיזציה של תנאי התסיסה (קצב ערבוב, ריכוזי זרחן, חנקן ומתכות) וגם במחקר גנטי: שיבוט של גנים שמקודדים לחלבונים (האנזימים) ובקרתם במסלול המחזר, המיוחדים לפטריה זאת. הצלחנו להגיע בינתיים ליבול של 130 מול אחוז חומצה L-מלית בתסיסה על גלוקוז.
הכרת תודה: המחקר על יצירת חומצה פומרית וחומצה מלית נעשה ביוזמת פרופ׳ ישראל גולדברג ובשיתוף פעולה, במחלקה לביוטכנולוגיה וגנטיקה.
ספרות:
1. Citric, Fumaric and Malic Acids. I. Goldberg, Y. Peleg and J.S. Rokem in "Biotechnology
of Food Ingredients" I.Goldberg and R.Williams (eds) Van Nostrand Reinhold 1991
2. Peleg et al., Applied Microbiology and Biotechnology 28:76-79, 1988
ד״ר סטפן רוקם, המחלקה לביוטכנולוגיה וגנטיקה מולקולרית, בית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית והדסה, ירושלים.
פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.
.jpg)
