Jatkuvatoimiset fotoautotrofiset tuotantojärjestelmät uusien bioteknologioiden kehityksessä

Abstract

Jatkuvatoimiset fotoautotrofiset tuotantojärjestelmät tarjoavat kestävän ja tehokkaan tavan tuottaa uusiutuvia kemikaaleja auringonvalon ja hiilidioksidin avulla. Jatkuvatoimisessa järjestelmässä bioreaktoriin syötetään jatkuvasti uutta kasvatusmediumia samalla kun prosessissa muodostunutta tuotetta poistetaan kasvatuksesta. Kasvuolosuhteiden optimoinnilla tuotantoprosessi voidaan pitää stabiilissa tasapainotilassa, jossa solujen tasainen kasvu ja vakaa aineenvaihdunta mahdollistavat panoskasvatusta tehokkaamman ja taloudellisesti edullisemman tuotannon. Jatkuvatoimiselle systeemille on kehitetty erilaisia kasvatusmenetelmiä, joissa säätely kohdistuu eri parametreihin: turbidostaatissa säätely kohdistetaan solutiheyden muutoksiin, luminostaatissa valonsaannin vakiointiin ja kemostaatissa massatasapainon ylläpitoon.

Syanobakteerit tarjoavat houkuttelevan vaihtoehdon nykyisille sokeripohjaisille biotuotantoprosesseille, sillä ne käyttävät energianaan valoa ja hiilenlähteenä hiilidioksidia. Kasveihin verrattuna nopea kasvu ja helppo geneettinen muokattavuus tekevät niistä monipuolisia tuotanto-organismeja, joiden avulla voidaan valmistaa muun muassa sokereita, hiilihydraatteja, orgaanisia happoja ja hiilivetyjä teollisuuden tarpeisiin. Täten syanobakteereilla tuotetut yhdisteet tarjoavat kestävämmän vaihtoehdon fossiilisten raaka-aineiden avulla valmistetuille tuotteille ja niiden ominaisuudet tekevät niistä erityisen potentiaalisia jatkuvatoimisiin tuotantoprosesseihin.

Tuotantoprosessin tehokkuutta voidaan parantaa muokkaamalla solun aineenvaihduntaa ja tehostamalla lopputuotteen eritystä ulos solusta. Tämä voidaan saavuttaa muokkaamalla isäntäsolun genomia ja säätelyyn liittyviä toimintoja, tehostamalla tuotteen biosynteesiin liittyviä reaktioita tai lisäämällä soluun lopputuotteen erittymistä mahdollistavia reittejä. Tuottokannan toiminnan optimoinnin lisäksi jatkuvan bioprosessin suunnittelussa on huomioitava kasvatusolosuhteet, jotka määrittävät solujen kasvun ja tuotannon välisen tasapainon sekä tehokkuuden ylläpidon pitkissä tuotantojaksoissa. Myös käytettävän bioreaktorilaitteen rakenne ja tekniset ominaisuudet vaikuttavat keskeisesti jatkuvatoimisen prosessin hallintaan ja stabiilisuuteen.