بر اساس گزارشات سازمان ملل، حدود 800 میلیون نفر از جمعیت جهان (14 درصد) دچار فقر غذایی هستند که تا سال 2020 به یک میلیارد نفر خواهند رسید. تخریب روزافزون جنگل‏ها، مراتع و فضای سبز، گسترش بیابان‏ها، نابودی گونه‏های متنوع گیاهی و جانوری، مقاوم شدن آفات و عوامل بیماریزا به سموم و بروز بسیاری مسائل جدی دیگر هر روز ابعاد گسترده‏تری می‏یابد.

از سوی دیگر، بشر با استفاده نسبتاً کامل از امکانات موجود، امروزه برای افزایش تولیدات کشاورزی با محدودیت منابع روبرو می‌باشد. بنابراین رشد سریع جمعیت و محدودیت منابع، نسل بشر را با خطر گرسنگی و کمبود امکانات بهداشتی مواجه نموده است. از طرفی، فناوری‌های سنتی و بومی کشاورزی به مرز محدودیت‏های خود نزدیک شده‏اند و انسان نیازمند بکارگیری فناوریهایی است که از پتانسیل بیشتری برخوردار باشند

دریا بستر بسیار مناسبی جهت تحقیق و توسعه است؛ اما تاکنون همه پتانسیل آن شناخته نشده است. در حقیقت، بخش اعظمی از موجودات دریایی (به‌خصوص میکروارگانیزم‌های اولیه) هنوز ناشناخته باقی مانده‌اند که به‌تدریج در حال شناسایی هستند. حتی در مورد موجودات زنده شناخته ‌شده نیز دانش کافی جهت مدیریت کارا و بهره ‌برداری بهینه از آنها وجود ندارد. این همه، اهیمت بیوتکنولوژی دریایی را روشن می‌سازند.

رشد سریع زیست فناوری در دهه های اخیر و قابلیت های عظیم آن در زمینه علوم مختلف از جمله پزشکی، کشاورزی، دامپروری، محیط زیست، صنعت و معدن و غیره و ایجاد فرآورده های نسبتاً زیاد حاصل از آن توجه دانشمندان و دولتمردان کشورهای جهان را به خود جلب کرده است.

صاحب نظران معتقدند این علم بیش از سایر علوم شناخته شده بشری می تواند چهره جهان و محیط زیست انسان را متحول و دگرگون سازد. اکنون محققان این دانش در کشورهای پیشرفته جهان با در اختیار داشتن امکانات صنعتی و به خدمت گرفتن توانمندی های سایر علوم، مواد و عناصر ژنتیکی را مورد بررسی و شناسایی قرار داده و آنها را تفکیک می کنند یا با استفاده از روش های مختلف ترکیبات جدید و تازه ای به وجود می آورند. آنها می توانند با ایجاد نظم و ترتیب دوباره در این مواد برنامه و آرایش مجددی برای آنها مطرح کنند. این فناوری علاوه بر فواید بسیار از توانمندی هایی برخوردار است که در صورت بهره برداری نابجا می تواند به بروز آسیب های خطرناکی در موجودات زنده و محیط زیست منجر شود.

1-تعریف بیوتکنولوژی غذایی
2-تولید محصولات نهایی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
3-تولید مواد افزودنی غذایی با استفاده از بیوتکنولوژی
4-اصلاح مستقیم مواد غذایی یا مواد افزودنی به غذا
5-تولید مواد کمک فراوری
6-کاربردهای تجزیه‌ای
7-تصفیه پسماند

بیوتکنولوژی سبب ایجاد تغییرات مهمی در زمینه تولید محصولات مختلف غذایی اعم از دامی و گیاهی شده است و این تغییرات ادامه دار است.

تولید حیوانی

استفاده از بیوتکنولوژی در تولید حیوانات نسبت به استفاه از بیوتکنولوژی در تولید گیاهان پیشرفت سریع تری داشته است. در حال حاضر در سراسر جهان بیش از یک دوم هزینه های تحقیق و توسعه بیوتکنولوژی در زمینه سلامت انسانی است. در مرحله آزمایشی، تعداد بسیار زیادی از داروها، روش های تشخیصی، واکسن ها و... ابتدا در تولید حیوانی به کار برده می شوند و سپس برای استفاده انسانی در دسترس قرار می گیرند.

1-بیونانوماشین ها

مهم ترین زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی، ساخت بیونانوماشین ها ماشین های مولکولی با ابعادی در حد نانومتر است. در یک باکتری هزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آنها، ریبوزوم دستگاه بسته بندی پروتئین است که محصولات نانومتری پروتئین ها را تولید می کند. از خصوصیات خوب بیونانوماشین ها به عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی بادی ها، امکان هیبریدکردن آنها با وسایل سیلیکونی با استفاده از فرآیند میکرولیتوگرافی است. به این ترتیب با ایجاد پیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماکروی کامپیوتر، امکان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را می توان به وجود آورد. نمونه کاربردی این سیستم، ساخت شبکیه مصنوعی با استفاده از پروتئین باکتریورودوپسین است.

 2-مواد زیستی

کاربرد دیگر بیونانوتکنولوژی، ساخت مواد زیستی مستحکم و زیست تخریب پذیر است. از جمله این مواد می توان به DNA و پروتئین ها اشاره کرد. موارد کاربرد این مواد و به خصوص در زمینه پزشکی متعدد است. از جمله موارد کاربرد این مواد، استفاده از آنها به عنوان بلوک های سازنده نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی Nano-Device است.

 3-موتورهای بیومولکولی

موتورهای بیومولکولی، موتورهای محرکه سلول هستند که معمولا از دو یا چند پروتئین تشکیل شده اند و انرژی شیمیایی عموما به شکل ATP را به حرکت مکانیکی تبدیل می کنند. از جمله این موتورها، می توان به پروتئین میوزین اشاره کرد که باعث حرکت فیلامنت ها می شود،( پروتئین های درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA به عنوان مثال، آنزیم های برشی و ATPase). از این موتورها در ساخت نانوروبات ها و شبکه هادی ها و ترانزیستورهای مولکولی قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی استفاده می شود.

مفهوم و زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی

تلفیق بیوتکنولوژی با فناوری نوظهور نانوتکنولوژی، مباحث جدیدی را بین محققان، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت به وجود آورده است. نتیجه این تلفیق، ظهور «بیونانوتکنولوژی» به عنوان یک زمینه تحقیقاتی بین رشته ای است که به سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولکول ارتباط دارد. برخی از صاحب نظران، بیونانوتکنولوژی را به عنوان زیرمجموعه ای از نانوتکنولوژی، به این صورت تعریف کرده اند:

«مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولکولی ساختاری و نانوتکنولوژی مولکولی»

 برخی دیگر، آن را به عنوان زیرمجموعه ای از بیوتکنولوژی بدین شکل تعریف کرده اند:

«به کارگیری پتانسیل بالقوه بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم»

 در این زمینه، تنها تفاوتی که بین بیونانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی وجود دارد این است که طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفک پروژه های بیونانوتکنولوژی است در حالی که در پروژه های بیوتکنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.

چنان که ملاحظه می شود برخلاف تعریف «بیوتکنولوژی» که به معنی فناوری استفاده از موجودات و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه هایی چون «بیومتریال» و «بیومکانیک» که معمولا به معنی استفاده از قابلیت های فناوری های «مواد» و یا «مکانیک» در کاربردهای زیستی است، در تعریف بیونانوتکنولوژی، هم کاربرد ابزارهای بیولوژیکی به عنوان سازمان دهنده و ماده اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم کاربرد محصولات تولیدی تکنولوژی نانو، جهت مطالعه وقایع درون سلول های زنده و تشخیص و معالجه بیماری ها. آنچه مسلم است ظهور این زمینه تحقیقاتی، حاصل تغییر عقیده بسیاری از محققان در استفاده از راهکارهای پایین به بالا Bottom-Up approach به جای استفاده از راهکار بالا به پایین Top-Down approach جهت ساخت وسایل و مواد بسیار ریز است.

در راهکارهای بالا به پایین نانوتکنولوژی، سعی بر این است که وسایل موجود مرتبا کوچک تر شوند به این راهکار، نانوتکنولوژی مکانیکی نیز گفته می شود.

اما در راهکار پایین به بالا، هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم ها و مولکول ها به یکدیگر است در این راهکار از الگوهای بیولوژیکی بهره گیری می شود.

نانوبیوتکنولوژی و رابطه آن با بیونانوتکنولوژی

اما نانوبیوتکنولوژی نیز واژه دیگری است که در سال های اخیر، محققان و صاحب نظران در کتب، مقالات و کنفرانس ها به کار می برند. طبق تعریف برخی از این محققان، نانوبیوتکنولوژی، زیرمجموعه ای از نانوتکنولوژی است که در آن از ابزارها و فرآیندهای نانویی و میکرونی برای ساخت و تهیه محصولاتی استفاده می شود که در مطالعه سیستم های زنده استفاده می شوند. برخی دیگر از محققان، نانوبیوتکنولوژی را زمینه ای از نانوتکنولوژی می دانند که در آن از سیستم های بیولوژیکی موجود، همچون سلول، اجزای سلولی، اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها برای ایجاد ساختارهای نانویی تلفیقی مرکب از مواد آلی و معدنی استفاده می شود.

کاربردهای مختلف بیوتکنولوژی میکروارگانیسم ها

1.تولید سلولهای کامل biomass
2.تولید ترکیبات دارای وزن مولکولی پایین:
الف- تولید متابولیتهای اولیه
ب- تولید متابولیتهای ثانویه
ج- تغییر ترکیبات آلی توسط سلولهایی که در حال رشد نیستند.
3-تولید ترکیبات دارای وزن مولکولی بالا:
الف: پلی ساکاریدها
ب- لیپیدها
ج- پروتئینها
4- فرآیندهایی که به متابولیسم عمومی میکروارگانیسم ها بستگی دارند.
الف: تجزیه و اکسیداسیون فاضلابها و مواد زاید سمی
ب- استخراج مواد کانی

بیوماس (زیست توده)

بیوماس یک منبع انرژی تجدید شونده است که از طریق سوزاندن مستقیم آن با سیستمهای هضم کننده بی‌هوازی ، تقطیر تخریبی ، تبدیل به گاز ، هیدرولیز شیمیایی و زیست شناسی می‌توان از آن به عنوان منبع مستقیم انرژی و یا ترکیبات حامل انرژی استفاده کرد.

مواد خام طبیعی

خاستگاه مواد طبیعی ، کشاورزی و جنگل داری است.این مواد اساسا نوعی کربوهیدرات با ترکیبات پیچیده گوناگون شامل قند ، نشاسته ، سلولز و لیگنین هستند. مواد خام حاوی قند مانند نیشکر و چغندر فراوان‌ترین نوع مواد خام برای فراورده‌های زیست فناوری به شمار می‌رود.

مقدمه

واژه زیست ‌فناوری (بیوتکنولوژی) نخستین بار در سال ۱۹۱۹ از سوی کارل ارکی (Karl Ereky) به مفهوم کاربرد علوم زیستی و اثر مقابل آن در فناوری‌های ساخت بشر به کار برده شد. به طور کلی هر گونه کنش هوشمندانه بشر در آفرینش، بهبود و عرضه فرآورده‌های گوناگون با استفاده از جانداران، به ویژه از طریق دستکاری آن‌ها در سطح مولکولی در حیطه این مهم‌ترین، پاک ‌ترین و اقتصادی‌ترین فناوری سده حاضر، زیست ‌فناوری، قرار می‌گیرد.

زیست ‌فناوری از جمله واژه‌های پر سرو صدای سال‌های اخیر است.این واژه را درست یا نادرست به مفهوم همه چیز برای مردم به کار می‌برند. زیست ‌فناوری را در یک تعریف کلی به کارگیری اندامگان یا ارگانیسم یا فرایندهای زیستی در صنایع تولیدی یا خدماتی دانسته‌اند. تعریف ساده این پدیده نوین عبارت است از دانشی که کاربرد یکپارچه زیست‌شیمی، میکروب‌شناسی و فناوری‌های تولید را در سامانه‌های زیستی به دلیل استفاده‌ای که در سرشت بین رشته‌ای علوم دارند مطالعه می‌کنند.

 در تعریف دیگر زیست ‌فناوری را چنین تشریح کرده‌اند

فنونی که از موجودات زنده برای ساخت یا تغییر محصولات، ارتقا کیفی گیاهان یا حیوانات و تغییر صفات میکروارگانیسم‎ها برای کاربردهای ویژه استفاده می‌کند. زیست ‌فناوری به لحاظ ویژگی‌های ذاتی خود دانشی بین رشته‌ای است. کاربرد این گونه دانش‌ها در مواردی است که ترکیب ایده‌های حاصل در طی همکاری چند رشته به تبلور قلمرویی با نظام جدید می‌انجامد و زمینه‌ها و روش‌شناسی خاص خود را دارد و در نهایت حاصل برهم‌کنش بخش‌های گوناگون زیست‌شناسی و مهندسی است. زیست ‌فناوری در اصل هسته‌ای مرکزی و دارای دو جزء است: یک جزء آن در پی دستیابی به بهترین کاتالیزور برای یک فرایند یا عملکرد ویژه‌است و جزء دیگر سامانه یا واکنشگری است که کاتالیزورها در آن عمل می‌کنند.