Основные драйверы и стопоры развития промышленной ферментации

Основные драйверы и стопоры развития промышленной ферментации

Экономические факторы для биотехнологии и мотивация к переходу на промышленную ферментацию различны для таких областей применения как, к примеру, фармацевтика или биотопливо. При этом заметим, что биоэтанол на сегодняшний день является крупнейшим продуктом биотехнологии по объему и продажам. Биобутанол также рассматривается как перспективное биотопливо.

Однако существует четыре фактора, которые влияют на все области биотехнологии.
• Финансовые: цены и доступность сырья, производственные затраты, новые бизнес-модели и т.д.
• Правовые: регулирование и законодательство, политика субсидирования.
• Восприятие: потребительский спрос на «экологичность», тенденция перехода от синтетического к «натуральному».
• Инновации: широко применяемое генное редактирование, биоинформатика, новые модели сотрудничества между компаниями и т. д.

Производство ароматизаторов является примером того, как производители могут получать прибыль, переключая свои производственные мощности с экстракции и химического синтеза на ферментацию и биокатализ. Стоимость сырья, в основном растительного происхождения, растет, в то время как поставки становятся нерегулярными в результате чрезмерной интенсификации земледелия и естественных колебаний урожая по качеству и количеству. Органический синтез ароматизаторов на самом деле не является по-настоящему альтернативным способом производства как по экономическим соображениям, так и потому, что эти продукты не могут быть помечены как “натуральные”. В результате зародилась новая тенденция в этой отрасли, в которой используется огромное количество синтетических и натуральных ингредиентов. Она выражается в переходе на биотехнологии, что, в свою очередь, позволяет соответствовать ожиданиям потребителей, всё более чувствительных к понятию «экологически рациональное производство».

Противоположная тенденция наблюдается в отношении биотоплива первого поколения, которое должно субсидироваться, чтобы быть жизнеспособным на свободном рынке. Поэтому все больше производителей биотоплива пытаются продвинуться вверх по цепочке создания более низкой стоимости, подбирая химические вещества, более ценные, чем этанол.

Как уже было отмечено, проникновение биотехнологий в химическую промышленность остается намного ниже ожиданий. Так происходит даже несмотря на то, что биотехнология рассматривается как экологически чистый вариант производства. Экологичность – основной фактор устойчивого удовлетворения потребностей растущего населения мира с более высокими доходами и соответствующим потреблением. Однако мы должны иметь в виду, что «экологически рациональное производство» имеет три измерения:
• Экономика
• Экология
• Общество

Биотехнология часто оказывается неэкономичной. Во многих случаях это связано с тем, что цены на нефть и энергоносители, хотя и изменчивы, все еще слишком низки. Тем не менее, это только половина фактов. На рисунке 1 показана схема небольшого завода по переработке нефти. Можно заметить, что даже небольшой «заводик» – это весьма сложно устроенное производство, перепрофилировать которое на биотехнологии не представляется возможным.

Рис. 1. Схема одного из самых маленьких крекеров в мире, действовавшего в Швейцарии. Показан только первый этап переработки нефти и газа. Установки для производства тонкой органической химии не показаны.

Производственные площадки органической химии требуют больших капиталовложений. Высокоинтегрированные химические заводы, часто оснащенные установками для крекинга, доставляют сырье для производства органической химии по всему миру. Много таких объектов недавно было построено в Азии. Продукты, произведенные биотехнологически, с использованием возобновляемой биомассы в качестве сырья вместо нефти, должны конкурировать именно в этом контексте.

Биотехнологически произведенным продуктам чрезвычайно трудно конкурировать с «обычным» производством на основе нефти. Ниже приведены шесть фактов, которые делают замену нефтехимии на биотехнологический процесс очень сложной в текущей ситуации:

 Мы сталкиваемся с классическим случаем «технологической блокировки сети». Если только цены на нефть резко не вырастут (на момент написания статьи цена за баррель составляет около 27 долларов США), переход на биотехнологии не состоится. Как и в любом другом крупном промышленном конгломерате, нефтехимическая и органическая химическая промышленность очень консервативна. Здесь приходит на ум высказывание Ричарда Хукера: «Всякая перемена, даже перемена к лучшему, всегда сопряжена с неудобствами», поскольку в течение долгого времени изменений будет мало или даже не будет вообще. По этой причине биотехнологи должны найти способы объединить биотехнологии с существующими химическими мощностями.

В то время как традиционная генная инженерия в основном улучшает отдельные биологические функции с передачей одного или нескольких генов между организмами, инжиниринг целых метаболических путей – это недавнее достижение. Синтетическая биология, наконец, станет еще более радикальным подходом к разработке сложных биологических функций и их интеграции в совершенно новые организмы. В долгосрочной перспективе это радикально изменит способ производства органических химических соединений. И это изменение вполне может начаться с замены низкомолекулярных фармацевтических препаратов, производимых методом органического химического синтеза.

Фармацевтическая промышленность оказывает большое экологическое воздействие на Е-фактор, величина которого определяется как отношение массы всех побочных продуктов (которые формально являются отходами производств) к массе целевого продукта. Е-фактор особенно высок для химически полученных олигопептидов, олигонуклеотидов или олигосахаридов, что часто приводит к образованию нескольких тысяч килограммов отходов на килограмм конечного продукта. Растущее население мира по праву захочет иметь такой же доступ к недорогим и безопасным лекарствам, какой имеют жители «первого мира». Очевидно, что «экологически рационального производства» трудно достичь с помощью доступных синтетических химических технологий.

На рисунке 2 показаны четыре низкомолекулярных фармацевтических препарата, полученных химическим синтезом с особенно высоким Е-фактором. Кроме того, некоторые фармацевтические препараты больше не оплачиваются медицинскими страховыми компаниями из-за их высокой цены. Эрибулин, натуральный продукт из морской губки, является примером такого препарата, который был исключен из списка закупаемых британским фондом борьбы с раком препаратом из-за его стоимости (рисунок 2).

Рисунок 2. Четыре препарата, которые синтезируются химическим путем, несмотря на то, что они являются натуральными продуктами.

Фондапаринукс (Arixtra®) – синтетический трисульфированный аналог гепарина (цикл производства включает более 50 химических стадий).

Эрибулин (Халавен) – макроциклический противоопухолевый кетон с 19 стереоцентрами, аналог натурального продукта из морской губки галихондрина В, (цикл производства включает более 62 химических стадий).

Винбластин, выделенный из мадагаскарского барвинка (Catharanthus roseus) – еще один пример дорогого синтетического противоопухолевого препарата.

Монометилуристатин – пептидный противоопухолевый продукт, который можно получать из морского моллюска. Нарушает полимеризацию тубулина и в несколько сотен раз более токсичен, чем винбластин. По этой причине его вводят пациентам только в виде конъюгата лекарственного средства с антителами.