Conform definiiei oficiale din anul 1979tehnologiile curatesunt tehnologii care permit reciclarea substanelor ,deeurilor sau valorificarea poluanilor ca materii prime secundare.Principalele obiective pe care trebuie s le indeplineasca tehnologiile curate sunt:

consum redus de materii prime

consum redus de energie

producerea de cantiti reduse de emisii poluante i deeuriUnul dintre cele mai vaste i mai importante ramuri industriale este reprezentat in industria chimica.n ultimii ani, tehnologiile curate au fost aplicate cu succes i n ROMNIA, n prezent nregistrndu-se o cretere semnificativ a procentului n care acestea sunt implementate.

biotehnologiile ca alternative de tehnologii "curate"Conform definitiei oficiale din anul 1979tehnologiile curatesunt tehnologii care permit reciclarea substantelor, deseurilor sau valorificarea poluantilor ca materii prime secundare. Ulterior n aceasta definitie au fost incluse si tehnologiile care folosesc materii prime rennoibile (n primul rnd de origine agricola) care permit economisirea resurselor fosile si nu duc la cresterea efectului de sera.Dezvoltarea tehnologica si obtinerea energiei trebuie realizate astfel nct sa nu compromita sansele generatiilor viitoare de a trai ntr-un mediu c 343h75d urat. Pentru aceasta, este necesar ca de la exploatarea zacamintelor fosile sa se treaca la utilizarea de resurse naturalerennoibile si surse de energie nepoluante, mpreuna cu reciclarea ct mai avansata a deseurilor. Estimarile actuale arata ca exploatarea resurselor petroliere va creste pna n jur de 2014 dupa care va scadea, iar resursele de carbuni se vor termina n jur de 2200. Pe lnga reducerea resurselor, o alta problema a folosirii combustibilor fosili este impactul asupra mediului prin efectul de sera produs. Conform acordului de laKyoto, emisiile de CO2trebuie reduse pna n 2020 cu 20% sub nivelul din 1990. Industria chimica se bazeaza aproape n ntregime pe prelucrarea petrolului, gazelor naturale si zacamintelor minerale, iar pentru asigurarea unor tehnologii sustenabile n viitor procesele actuale vor trebui nlocuite cu altele care sa foloseasca materii prime rennoibile sau reciclate si sa nu polueze mediul. n aceasta directie, un rol esential le va reveni biotehnologiilor.Biotehnologiile vor constitui baza unor tehnologii mai curate n special n urmatoarele domenii:-obtinerea de compusi chimici de tonaj mare si de sinteza fina-realizarea de procese industriale mai curate-obtinerea de energie-tratarea apelor reziduale si bioremedierea-monitorizarea mediului-agriculturaDintre acestea, primele doua vor fi discutate n cadrul acestui capitol.A. Produse chimice prin procedee biotehnologicePlantele au avantajul ca utilizeaza bioxid de carbon din atmosfera ca material pentru constructia celulelor si lumina solara ca sursa de energie, deci constituie resurse rennoibile. Este interesant de reamintit faptul ca, din punct de vedere istoric, o serie de compusi chimici erau obtinuti din plante cu mult nainte de dezvoltarea industriei petrochimice. Exemple de asemenea compusi sunt adezivi, cerneluri, coloranti, alcool etilic, compusi odoranti, compusi cu actiune farmaceutica. De asemenea o serie de plante au fost sau sunt pe cale de a fi utilizate pentru producere de fibre: cnepa, in, bambus, dar si urzici, porumb sau diferite ierburi.La ora actuala, peste 70 de milioane tone de produse chimice se obtin anual pe baza de plante. Cum toate plantele contin zaharuri, amidon, celuloza si trigliceride, rezulta ca toti acesti compusi vor putea constitui baza pentru a obtine o mare varietate de compusi chimici, nlocuind astfel petrolul si gazele naturale ca materii prime. Astfel, zaharoza,amidonul si celuloza sunt materii prime pentru obtinerea etanolului, butanolului, glicerinei si acetonei, dar si a acidului citric si acidului acetic, iar uleiurile prin hidroliza dau acizi grasi si glicerina, toti acesti compusi constituind la rndul lor punctul de plecare pentru sinteza unui mare numar de produse chimice valoroase. Aceste sinteze au loc n majoritatea cazurilor cu ajutorul microorganismelor.Asa cum s-a aratat microorganismele produc o serie de metaboliti dintre care multe au valoare comerciala ridicata. Acestia pot fi att metaboliti primari ct si secumdari. si asemenea metode fermentative au fost cunoscute de multa vreme, de exemplu prin anii 1920 se produceau pe baza de soia adezivi, cerneluri de tipar, materiale plastice, care nsa dupa aceea au fost nlocuite cu produse similare fabricate pe baza de derivati petrolieri. Exista nsa si acum o serie de produse care se obtin n mod curent prin procese fermentative, ca de exemplu etanolul, acidul citric, acidul lactic. n ce priveste compusii organici de sinteza fina, majoritatea antibioticelor se produc prin fermentatie, dar exista si o serie de alte medicamente obtinute n mod similar.Cteva exemple reprezentative de compusi organici de baza obtinuti pe cale fermentativa microbiana sunt:Etanolul- se obtine prin fermantatia zaharurilor cu drojdii, proces cunoscut de peste 3000 de ani. Poate constitui o materie prima de baza n industria chimica, practic orice compus chimic putndu-se obtine pornindu-se de la etanol. O utilizare foarte importanta n ultima perioada a devenit cea de carburant pentru motoare cu ardere interna (bioetanol).Glicerina- reprezinta un produs secundar al fermentatiei alcoolice, dar rezulta n cantitati mari si ca produs secundar la hidroliza grasimilor si la fabricarea biodieselului (care nu sunt procese microbiene). Pentru a obtine cantitati mari de glicerina, calea metabolica glicolitica trebuie modificata pentru a se produce cantitati mari de glicerina si nu de alcol etilic. Acest lucru se poate realiza prin mai multe metode, cea mai cunoscuta fiind adaugarea de hidrogen sulfurat n mediul de fermentatie. Acesta se leaga de acetaldehida, ultimul intermediar din calea metabolica a biosintezei etanolului si mpiedica formarea acestuia. Ramne n consecinta libera o anumita cantitate de NADH2(o coenzima) care va reactiona cu dihidroxiaceton fosfatul cu formare de glicerin-3-fosfat si n continuare glicerina. Se obtine astfel n mediul de fermentatie o concentratie de glicerina de pna la 3%. n 1995, 85% din cantitatea de glicerina a fost produsa n lume prin metode biotehnologice.Acetona si butanolul- au fost produse prin fermentatie ncepnd din anul 1914, fiind printre primele chimicale sintetizate la scara industriala pe cale biotehnologica. Butanolul a fost un produs foarte important pentru ca reprezenta materia prima pentru obtinerea butadienei, din care se obtine cauciucul sintetic. Acetona era importanta n primul rnd ca solvent pentru nitroceluloza, n procesul de fabricare al unor explozivi. Fabricarea industriala a acestor produse s-a bazat pe utilizarea unor bacterii din speciaClostridium acetobutylicumcapabile sa transforme o serie de zaharuri (fructoza, glucoza, arabinoza, amidon, zaharoza, xiloza, maltoza, manoza) n butanol si acetona prin fermentatie aeroba. Concentratia de substrat nutritiv pe care s-a realizat cultura a fost n jur de 6-6,5%, iar randamentul maxim de solventi formati a fost de 37%, n raport butanol/acetona/etanol de 6/3/1. Exploatarea industriala a acestui proces a fost foarte intensa n timpul primului razboi mondial si a continuat pna prin anii 1950, dupa care s-a oprit din cauza ca varianta petrochimica de sinteza era mai ieftina. La ora actuala nsa metoda fermentativa este din nou n centrul atentiei, din urmatoarele motive:- foloseste materii prime regenerabile, care vor fi accesibile si dupa epuizarea rezervelor de petrol- prin inginerie genetica au fost create noi varietati de microorganisme care pot creste pe reziduuri de amidon si zer, iar mai nou chiar si pe celuloza- cantitatea mare de ape reziduale care se formeaza n acest proces nu mai reprezinta un dezavantaj, ntruct acestea se pot trata anaerob, cu formare de biogaz- procesul de fermentatie poate avea loc la 60C, ceea ce nseamna ca solventii produsi pot fi izolati din mediul de fermentatie prin evaporare pe masura ce se formeaza.1,3-Propandiolul- reprezinta o materie prima importanta pentru ontinerea poliesterilor si poliuretanilor, dar are si utilizari de solvent si lubrifiant. Obtinerea pe cale biotehnologica a 1,3-propandiolului dintr-o sursa de materii prime rennoibila, glucoza, a trezit un interes deosebit n ultimii ani. Desi polimerii pe baza de 1,3-propandiol au proprietati unice, lipsa unui procedeu chimic avantajos de sinteza a acestui compus a mpiedicat pna acum dezvoltarea sa extensiva. La ora actuala se pare ca aceasta problema va fi rezolvata, deoarece s-a obtinut o tulpina deEscherichia colirecombinata la care s-a reusit cuplarea a doua cai metabolice: una pentru conversia glucozei la glicerina si a doua pentru conversia glicerinei la 1,3-propandiol. Pentru aceasta metabolismul microorganismului gazda a trebuit fundamental modificat, ntruct n mod normal acesta produce doar dihidroxiacetona ca metabolit al glucozei. A fost necesara importarea unor gene din drojdie pentru a realiza transformarea dihidroxiacetonei n glicerina si dintr-o bacterie,Klebsiella pneumoniae,pentru transformarea glicerinei n 1,3-propandiol. n acest mod, productivitatea biocatalizatorului a crescut de peste 500 de ori, iar celula deE. colis-atransformat ntr-o mica uzina de fabricat 1,3-propandiol.Acidul lactic- se fabrica industrial prin fermentatie cu diferite microorganisme, procedeu cunoscut nca din secolul XIX. Substraturile care pot fi utilizate sunt glucoza, zaharoza (din melasa), maltoza dar si lactoza, pe baza unui procedeu nou care valorifica lactoza ramasa n zerul de la fabricarea brnzeturilor folosind pentru fermentatieLactobacillus delbrueckii. Acidul lactic este folosit ca materie prima pentru lacuri si dinerse mase plastice.Acidul citric- se obtine din culturi deAspergillusnigerprin fermentatie pe substraturi de glucoza sau zaharoza si este utilizat cu precadere n industria alimentara, dar si n industria chimica.Polimeri de origine microbianaUn mare numar de microorganisme sunt capabile sa produca o mare diversitate de polizaharide. Aceste se regasesc fie n interiorul unor capsule sau ca strat subtire de acoperire, fie sunt eliberate direct n mediu. Polizaharidele sunt foarte mult utilizate n indistrie ca adezivi, gume, agenti de gelifiere, stabilizatori sau agenti de legare. Un mare numar de polizaharide sunt extrase din plante sau alge, de exemplu: amidon, alginat, agar, carrageenan. Dintre polizaharidele de origine microbiana singurul fabricat la ora actuala la nivel industrial este xantanul, dar exista si o serie de alti asemenea produsi care vor nlocui n perioada urmatoare polimerii obtinuti pe baza de materii prime petrochimice.Xantanul- este produs de microorganismulXanthomonas campestrissi are un schelet de baza format din molecule de glucoza de care sunt legate catene laterale de D-manoza si acid D-glucuronic. Se produce la un nivel de peste 20.000 tone annual si este utilizat mai ales n industria alimentara.Un potential foarte mare dintre polimerii produsi de microorganisme l au cei care nu sunt de natura polizaharidica. Acestia vor putea nlocui masele plastice produse prin procese chimice la un nivel de 150 milioane tone anual, pe primul loc situndu-se polistirenul expandat. Problema principala a polimerilor actuali este rezistenta lor la biodegradare, ceea ce face ca reziduurile de mase plastice sa se acumuleze n sol, lacuri si ruri n cantitate de 25 de milioane tone anual. Reciclarea lor este limitata ar incinerarea duce la producerea de gaze toxice. Problema va putea fi rezolvata prin nlocuirea lor cu mase plastice biodegradabile, care vor putea fi metabolizate de microorganisme. La ora actuala exista o serie de asemenea compusi n faza de cercetare, de exemplu polihidroxialcanoati, polilactide, poliesteri alifatici, etc.Polihidroxialcanoatii- sunt de diverse tipuri, cei mai cunoscuti fiind polihidroxibutiratii, produsi de un foarte mare numar de specii bacteriene, printre careBacillus megaterium(in care au fost descoperiti n 1926).Acesti polimeri se acumuleaza intracelular, ajungnd la un continut de pna la 90% din greutatea in substanta uscata a celulei, in conditii de insuficienta dintr-un nutrient esential si prezentei n exces a sursei de carbon. Ei sunt nmagazinati sub forma de granule in interiorul celulelor si au rolul de rezerva de carbon a microorganismului respectiv. Polihidroxialcanoatii pot fi produsi pe seama unei game largi de substraturi cum ar fi resurse regenerabile ( zaharoza, amidon, celuloza, trigliceride), produse secundare (melasa, zer, glicerina) sau chimicale (acid propionic, acid 4-hidroxibutiric). Cei mai importanti polihidroxialcanoati sunt polihidroxibutiratii, polimeri ai acidului 3-hidroxibutiric, care nsa au dezavantajul ca sunt casanti si au stabilitate termica scazuta, de aceea se ncearca obtinerea unor copolimeri care sa aiba proprietati mai bune. Astfel, prin adaugare de acid propionic la mediul de cultura s-a obtinut un copolimer poli(3-hidroxibutirat-co-3-hidroxivalerat) cu flexibilitate mult mai mare, care a fost produs la nivel industrial sub denumirea comerciala Biopol si a fost folosit pentru fabricareade filme, folii pentru hrtie, flacoane, pungi, etc.B. Procese industriale curate realizate cu ajutorul biotehnologiilorPentru a face actualele procese din industria chimica mai curate, trebuie ndeplinite urmatoarele obiecive:-consum mai redus de energie-consum mai redus de materii prime, iar acestia sa nu contina compusi toxici pentru mediu si sa fie rennoibile-reducerea sau eliminarea deseurilor, incluznd reciclarea energiei si a materialelor.Cteva exemple n care se poate demonstra rolul biotehnologiilor pentru atingerea acestor obiective sunt:Decontaminarea unor materii primeDesulfurizarea petrolului- arderea produselor petroliere si carbunilor determina evacuarea n atmosfera a oxizilor de sulf, care reprezinta principala sursa de ploi acide. Petrolul brut contine ntre 0,05-5% compusi cu sulf, n functie de provenineta, cea mai mare parte dintre acestia reprezentnd-o dibenzotiofenul sau derivati subsituiti ai acestuia. Desulfurizarea se poate face prin mai multe metode, ca de exemplu prin tratament cu hidrogen la presiuni si temperaturi ridicate. Desulfurizarea biologica este posibila si ea se desfasoara n conditii mult mai avantajoase. Exista o serie de microorganisme din genurileRhodococcus, Agrobacterium, Klebsiella, Nocardia, etc., care pot degrada dibenzotiofenul. Prin biodesulfurizare se poate ajunge la un grad de desulfurizare de pna la 60% n petrolul brut si 80-90% n anumite fractiuni petroliere.Desulfurizarea carbunilor- carbunele contine sulf att sub forma de combinatii anorganice (sulfuri si sulfati de fier) ct si organice (n majoritate compusi tiofenici). Cei anorganici sunt majoritari, putnd constitui pna la 6% din greutatea carbunilor bituminosi. Exista diverse metode pentru eliminarea sulfurilor din carbunele utilizat pentru producerea energiei la centralele termice, ele fiind concentrate pe reducerea oxizilor de sulf din gazele de ardere, dar aceste solutii tehnologice sunt scumpe si nu pot fi aplicate peste tot.Sulful poate fi oxidat pe cale aeroba de anumite microorganisme chemolitotrofe caThiobacillus ferrooxidanssauThiobacillus thioooxidans. Compusii organici cu sulf pot fi de asemenea degradati de microorganisme, aatat n cazul petrolului.Procedee biocatalitice de fabricatieEnzimele sau celulele ntregi de microorganisme pot nlocui catalizatorii anorganici, contribuind la realizarea unor tehnologii mai curate, din urmatoarele motive:-conditiile desfasurarii reactiilor sunt mult mai blnde, necesitnd un consum mai redus de energie-reactiile sunt foarte specifice, cantitatea de produse secundare si deseuri rezultate fiind mai redusa-reactiile sunt n general mai rapide-n majoritatea cazurilor, procedeele biocatalitice utilizeaza materii prim rennoibile-prin inginerie genetica se pot obtine enzime cu eficienta mult mai mare dect cele existente n natura-un mare numar de enzime pot functiona si n medii organice, nu numai n apa care reprezinta mediul lor naturalDezavantajele sistemelor biocatalitice sunt si ele destul de importante si ele au impiedicat n multe cazuri aplicarea acestor procedee la nivel industrial:-de multe ori produsii sunt obtinuti n solutii diluate, pentru ca o concentratie mare de substrat sau produs poate inhiba enzima-costul enzimelor este ridicat-durata de utilizare a unui biocatalizator este n general mai redusa dect a unui catalizator chimic-enzimele fiind proteine, pot fi atacate si distruse de microorganisme de infectie.Un exemplu la ndemna de utilizare pe scara larga a enzimelor este industria detergentilor. Toti detergentii actuali contin trei tipuri de enzime: o amilaza, o lipaza si o proteaza, care au permis reducerea temperaturilor de spalare si ndepartarea eficienta a murdariilor.Enzimele utilizate cel mai mult n lume la ora actuala sunt amilazele:-amilaza si amiloglucozidaza, folosite pentru hidroliza amidonului la glocoza si alte zaharuri fermentescibile, care reprezinta materii prime pentru fabricarea alcoolului etilic de fermentatie. Glucoza obtinuta n acest mod este materie prima nu numai pentru alcool etilic ci si pentru izosirop, un ndulcitor fabricat la nivel de milioane de tone. Izosiropul este un amestec constituit n cea mai mare parte din fructoza si glucoza si se obtine prin izomerizarea partiala a glucozei la fructozacu ajutorul unei enzime numite glucozizomeraza. Fructoza are avantajul fata de glucoza ca este de aproximativ doua ori mai dulce si are gust mai placut.n industria chimica cea mai importanta utilizare a biocatalizei este hidroliza acrilonitrilului la acrilamida folosind enzima nitrilaza. Acrilamida este materia prima pentru fabricarea poliacrilamidei, unul dintre polimerii cei mai importanti pentru fabricarea de fire si fibre artificiale.Degradarea si reciclarea deseurilorAcest domeniu reprezinta una dintre cele mai importante aplicatii ale biotehnologiilor. Epurarea biologica a apelor reziduale constituie nu numai o etapa indispensabila pentru a evita poluarea mediului, dar ofera si posibilitatea ca deseurile industriale sau menajere sa fie transformate n produse utile, de exemplu biogaz si astfel sa fie valorificate. Aceste aspecte vor constitui subiectul unui capitol viitor.