تخمر المواد الصلبة الذائبة عالية التركيز Very high-gravity fermentation

يحتاج كل مصنع لإنتاج الإيثانول إلى تحسينات مستمرة في عملية التخمر نفسها. وقد وجد العلماء أن الطريقة الابتدائية لتقليل تكلفة الإنتاج هي الآليات التي تؤدي إلى زيادة التركيز النهائي للإيثانول في المهروس المتخمرة، هذا الهدف بالإضافة إلى زيادة معدل التخمر هما أساس التقنيات الحديثة في إنتاج الإيثانول. بمعنى آخر إذا أمكن زيادة تركيز الإيثانول عن طريق زيادة تركيز المادة الأولية (المادة الخام) وفي نفس الوقت زيادة معدل تصنيع الإيثانول بواسطة خلايا الخميرة وتقليل كمية الماء المستخدم ونتيجة ذلك يقل زمن التخمر، فإن كل ذلك سوف يؤدي إلى تقليل تكلفة عمليـة الإنتـاج . إلا أن كثيـر من العلمـاء سنة 1986م وجدوا أن تخمير البيئات التي تحتوي على أكثر من 18% سكر لم يكن ناجحاً على المستوى التجاري بسبب طول الوقت اللازم لاكتمال التخمر. وكما ذكرنا من قبل فإن محتوى البيئة من المواد الصلبة الذائبة يعبر عنه بدرجة تسمى بلاتو ( وهي كمية المواد الصلبة بالجرام/100 جرام من المحلول)، وقد وجد العلماء أن بيئات إنتاج المشروبات الكحولية المحتوية على أكثر من 24° بلاتو لا يكتمل تخمرها.

ولكن تمكن كاتب هذه السطور (Zayed, 1987)  من التوصل إلى تخمير بيئات تحتوي على تركيزات عالية جداً من المواد الصلبة الذائبة (أكثر من 40° بركس) أي 40 جرام من المواد الصلبة الذائبة/100 جرام من المحلول. وقد تم التوصل إلى ذلك من إدراك الحقيقة التي مؤداها أن خميرة الـ Saccharomyces spp تكون متحملة لتركيز عالي من الكحول عندما يكون الأكسجين ومصادر النيتروجين القابـل للتمثيـل عند مستويـات مثلـى ،لأن هذه الظروف تؤدي إلى الوصول إلى أعلى عدد من الخميرة بحيث يكون هذا العدد كافي لتخمير الكربوهيدرات الزائدة وبذلك لا يتوقف التخمر. هذه التقنية تسمح بإنتاج كميات أكبر من الكحول في نفس المصنع وبنفس العمالة، وهذا بدورة يؤدي إلى استخدام المصنع لكميات أكبر من الحبوب ورطوبة أقل مع إنتاج كبير للإيثانول. ويمكن باستخدام هذه التقنية أن ينتج الإيثانول بتركيز أكثر من 22% من حبوب القمح في تخمر متقطع بدون استخدام خمائر معدلة وراثياً. ويصل عدد الخمائر في هذه التخمرات إلى حوالي 1.6 ´810  /مل.

ولكي تتم ترجمة هذه البحوث إلى مستوى تجاري لإنتاج الإيثانول بغرض استخدامه كوقود فإن مهروس التخمر الذي ينتج من المواد الخام لابد أن تحتوي على تركيز عالي من الكربوهيدرات. وفي دراسة حديثة لكاتب هذه السطور  (Zayed 2010) أمكن تخمير محلول سكري يحتوي على 35% سكروز إلى 16% إيثانول وذلك عن طريق تغذية الخميرة بشكل دقيق أثناء التخمر وإمدادها بكميات من النيتروجين تتناسب مع تركيز السكر وبكميات محسوبة من الأكسجين فقط أثناء الإثني عشرة ساعة الأولى من التخمر.

بدون إزالة المواد غير الذائبة من الذرة أو الشعير عن طريق الطرد المركزي أو الترشيح قبل التخمير أو بدون ضبط السكريات الذائبة عن طريق الإضافة إلى المهروس لا يمكن الوصول إلى ظروف ما يسمى تخمر البيئة ذات المواد الصلبة الذائبة العالية جداً في التركيز Very high-gravity fermentation وذلك لإنتاج الإيثانول كوقود. ومن ناحية أخرى فإن تحمل خلايا الخميرة للإيثانول يقل عندما تزيد الحرارة، فعند حرارة قريبة من أو أعلى من 30°م فإن الوصول إلى هذه المستويات من الإيثانول غير ممكن. إلا أن العلماء وجدوا أنه من المؤكد أن هذه الدرجات من الحرارة لن تؤثر سلباً   على التخمر إذا توفرت المواد الغذائية الميسرة للخميرة. يجب أن يلم بهذه المعلومة كل منتجي الإيثانول سواءً أكان بغرض استخدامه كوقود أو في المشروبات الكحولية .

وما زال تحمل الخميرة لتركيزات عالية من الإيثانول حقلاً جيداً للبحث العلمي ويسترعى انتباه العلماء ويمكن القول أن مجمل رأي العلماء في زيادة مقدرة الخميرة على تحمل تركيزات عالية من الكحول تتلخص أيضاً في توفير المواد الغذائية الميسرة للخميرة. ويعتقد أن سمية الإيثانول بالنسبة للخميرة تـرجع إلى تأثير الإيثانول على الغشاء الخلوي. وعلى أية حال فإن تحمل الخميرة لتركيزات عالية من الإيثانول يتحكم فيه بصفة عامة مغذيات الخميرة، ومستوى الكربوهيدرات في المادة الخام، ودرجة الحرارة، ودرجة الـ pH، والضغط الأسموزي، وبعض النواتج النهائية الأخرى لعملية التخمر. وكل سلالة من الخميرة قد تتفاعل مع هذه العوامل بطريقة تختلف عن السلالات الأخرى.