مشكلة توقف التخمر أثناء عملية إنتاج الإيثانول من حبوب الذره

 توقف التخمر Stuck fermentation

المقصود بتوقف التخمر هو أن يكون معدل تمثيل السكر بطئ جداً خصوصاً في المراحل الأخيرة للتخمر. ويسبب هذا مشكلة كبيرة في إنتاج الإيثانول بغرض استخدامه كوقود. وقد أوضحت الأبحاث أن نقص العناصر الغذائية الخاصة بنمو الخميرة في المهروس هي السبب الرئيس لما يسمى بتوقف التخمر. أهم العناصر التي تسبب توقف التخمر هو نقص النيتروجين الصالح للخميرة ولذلك فقد أوضح Ingledew سنة 1986م ، أنه يجب إضافة النيتروجين القابل للتمثيل بواسطة الخميرة إلى المهروس الذي ينقصه هذا العنصر. ويجب أن يعلم المنتجين أن الخميرة المستخدمة في الإنتاج الصناعي للكحول ليست ميكروبات هادمة للبروتين ولكنها تستطيع فقط الاستفادة من المواد النيتروجينية منخفضة الوزن الجزئي.  ويقدر العلماء كمية النيتروجين القابلة للتمثيل والمفروض إضافتها للتخمرات التي تعاني من مشكلة توقف التخمر بحوالي 150 مليجرام/لتر ولكن يجب أن يكون معلوماً أن هذه الكمية تعتمد على تركيز السكر في البيئة، فكلما زاد تركيز السكر كلما زادت الكمية المطلوبة من النيتروجين القابل للتمثيل.

وقد وجد أنه من الممكن تجنب مشكلة توقف التخمر في المهروس الذي ينقصه العناصر الغذائية للخميرة نهائياً إذا أمكن زيادة أعداد خميرة  اللقاح لتصل إلى حوالي 8 ´ 710 خلية/مل حيث فسر العلماء ذلك بأن العناصر الغذائية اللازمة لنمو الخميرة تتحرر من الخلايا الميتة وتصبح ميسرة للخلايا النشطة. ولكن من ناحية أخرى فإن هذا المستوى المرتفع من اللقاح يعتبر غيـر عملـي ، كمـا أن استخـدام لقـاح من الخميرة الجافة النشطة ليعطي هذا العدد يعتبر مكلف ، ولذلك فإن استخدام تقنيات أخرى مثل تقنية إعادة تدوير الخميرة Yeast-recycling technique يمكن أن تكون مفيدة وعملية. وعلى أية حال فإن هناك أبحاث كثيرة تتناول المتطلبات النيتروجينية للخميرة الجافة النشطة التي تستخدم كلقاح في إنتاج الإيثانول كوقود وهذه الأبحاث تتناول العلاقة المعقدة بين العناصر الميسرة وبين مقدرة الخميرة على أن تخمر كميات كبيرة من السكر بكفاءة عالية وهي كلها علاقات فسيولوجية لا تدخل في الغرض من هذا الكتاب.

الأكسجين من العناصر الهامة الأخرى التي تدخل تحت العوامل المسئولة عن توقف التخمر.  فلابد أن يدرك المنتج أن عملية إنتاج الإيثانول هي عملية غير هوائية ولكن من المدهش أن الخميرة أيضاً لا يمكن أن تنمو في غياب كامل للأكسجين فهو عنصر شديد الأهمية (بكميات صغيرة) بالنسبة للخميرة حتى يمكنها أن تصنع الأحماض الدهنية غير المشبعة والإسترولات وهي مواد أساسية في تركيب الغشاء الخلوي للخميرة. ومستحيل أن تنمو الخميرة بدون وجود تركيزات معينة من هذه المواد التي لا تستطيع تصنيعها إلا في وجود الأكسجين ولو بكمية قليلة. ولذلك فإن الضخ الروتيني لكمية من الأكسجين مقدارها 8 مليجرام/لتر هي عملية ضرورية خصوصاً في الإنتاج الصناعي للإيثانول والذي فيه يعاد استخدام الخميرة التي تنتجها عملية التخمر. وقد أوضحت أبحاث O’Connor-Cox و Ingledew سنة 1990م، أن الوقت الأمثل لضخ كمية من الأكسجين هو 10-14 ساعة بعد بداية التخمر، حيث أن الخميرة في هذه المرحلة تكون قد نمت واستهلكت الأكسجين الموجود في المخمر في تصنيع الغشاء الحيوي.

وفي تخمرات عصير العنب يحدث أيضاً بطئ أو توقف عندما ينفد الأكسجين أثناء تحضير العصير وأثناء التخمر ويصبح هذا التأثير أكثر وضوحاً عندما لا يتوفر النيتروجين القابل للتمثيل. وهذا هو السبب في أن الخميرة الجافة النشطة هي التي يوصي بها العلماء لكي تستخدم كلقاح في الإنتاج الصناعي للكحول، ذلك لأن هذه الخميرة تنتج تحت مستوي عالي جداً من التهوية ولذلك تحتوي خلاياها على كميات كبيرة من الأحماض الدهنية غير المشبعة والإسترولات والتي تساعدها على الاستمرار في التكاثر تحت الظروف التي يقل فيها الهواء حيث تستطيع الخلية الجديدة مشاركة الخلية الأم في هذه المركبات. وعلى أية حال فقد وجد العلماء أن إضافة الإرجوسترول Ergosterol وحامض الأوليك Oleic acid يمكن أن تغني عن إضافة الأكسجين. كما وضح العلماء أن الأكسجين ضروري فقط حتى الوصول إلى عدد كافي من الخلايا يكون قادراً على تحويل تركيزات عالية من السكر إلى إيثانول في وقت معقول.