الكلام المهم في تصنيع الإيثانول: تغذية الخميرة

تغذية الخميرة Yeast nutrition

لابد من إمداد الخميرة أثناء إنتاج الإيثانول بقليل من الأكسجين، حيث أنه ضرورياً للتخليق الحيوي للأحماض الدهنية الغير مشبعة والليبيدات. وقد وجد أن الكمية اللازمة تتراوح من 05, إلى 1, مم زئبق وأي كمية من الأكسجين زيادة عن ذلك سوف تؤدي إلى نمو الخلايا على حساب إنتاج الإيثانول. والعناصر الغذائية الرئيسية التي تحتاجها خلايا الخميرة هي الكربون، والأكسجين، والنيتروجين، والهيدروجين، أما العناصر التي تليها في الأهمية فهي الفوسفور، والكبريت، والماغنسيوم، أما المعادن مثل المنجنيز، والكوبالت، والنحاس، والزنك، وعوامل النمو العضوية مثل الأحماض الأمينية والأحماض النووية والفيتامينات فهي مطلوبة بكميات ضئيلة جداً. تضاف في عملية إنتاج الإيثانول على مستوى صناعي العناصر السابقة منفردة في صورة أملاح مثل أملاح الأمونيوم ، والبوتاسيوم ، والفوسفات، أو قد يكون لها مصدر واحد رخيص مثل منقوع الذرة.إن تقديم الغذاء للخميرة في كل أنواع التخمرات التي تقوم بها هو أمر هام وتمت التوصية به منذ أكثر من 50 سنة وذلك لضمان الحصول على نمو كافي من الخميرة وتجنب التخمر البطيء، وكذلك توفير بيئة ذات سعة تنظيمية عالية. تشتمل العناصر الغذائية التي قد تحتاجها بيئات الخميرة على مصادر النيتروجين ذات الوزن الجزيئي المنخفض ، والفيتامينات ، والعنـاصر المعدنية مثل الزنك والفوسفور والكبريت والماغنسيوم والكالسيوم.

ويبدوا أن مصادر النيتروجين منخفضة الوزن الجزيئي مثل أيونات الأمونيوم، هي الوحيدة التي لها تأثير حقيقي على معدل تكون ثاني أكسيد الكربون أثناء التخمر. وقد خلص العلماء إلى أن إضافة المواد الغذائية تعتبر أساسية عندما يكون محتوى المهروس من السكر أكثر من 16% (وزن/حجم).

وكثير من التركيبات المحتوية على العناصر الغذائية اللازمة للخميرة المستخدمة في تخمرات الإيثانول، متاحة في الأسواق. وبصفة عامة فإن منتجي هذه التركيبات يزودونها بما يشبه النشرة الداخلية التي توضح تركيبها وفوائدها. وللأسف فإن كثيراً من الموظفين الذين يعملون في مصانع الإيثانول غالباً لا يهتمون بتركيب مغذيات الخميرة ولا بالغرض التي صنعت من أجله ولا بكيفية إفادتها للخميرة ولا حتى بمستوى آمان وقانونية هذه المواد.

وحتى عندما تكون أسباب إضافة المواد الغذائية للخميرة معروفة فإن الجرعات المثلى الاقتصادية ليس من السهل على الشخص غير المتخصص تقديرها. فعلى الرغم من أن تركيز النيتروجين المطلوب إضافته للتخمرات بصفة عامة يكون في حدود 150 مليجرام/لتر فإن هذا التركيز قد يتراوح في تخمرات معينة من 100 إلى 250 مليجرام/لتر بل ذكر بعض العلماء أن وجود كمية كبيرة من النيتروجين القابل للتمثيل (أكثر من 500 مليجرام/لتر) وفي وجود الأكسجين تؤدي إلى زيادة سرعة تخمر البيئات المحتوية على تركيزات عالية جداً من السكر. وخلاصة القول أن تركيز مغذيات الخميرة في بيئة التخمر يختلف باختلاف تركيب وظروف بيئة التخمر ولا يوجد تركيز ثابت لكل أنواع التخمر.

تعتبر أيونات الأمونيوم هي أحد أهم مصادر النيتروجين التي تستفيد بها الخميرة Saccharomyces spp، أما اليوريا فلا توجد حتى الآن في أي خليط يباع على المستوى التجاري كغذاء للخميرة على الرغم من أن اليوريا تستخدم كمصدر للنيتروجين بالنسبة للخميرة المستعملة في إنتاج الإيثانول كوقود. أما بالنسبة لاستخدام اليوريا كمصدر للنيتروجين للخميرة المستخدمة في إنتاج المشروبات الكحولية فإن هناك أسئلة كثيرة تتعلق بمدى أمان استخدام اليوريا كأحد مكونات التخمر. والسبب في ذلك هي تلك الأبحـاث  التي أجريت بواسطة Ingledew  سنة 1993م والتي جعلته يعتقد أن هناك تفاعل يتم بين اليوريا والإيثانول في وجود حرارة مرتفعة ليتكون المركب إيثايل كاربامات Ethyl carbamate. وقد ثبت أنه مسرطن وهذه تعتبر مشكلة كبيرة بالنسبة لصناعة المشروبات الكحولية وخصوصاً أنه لا يوجد ضمان يؤكد إمكانية فصل هذا المركب بالكامل بعد إتمام عملية التخمر.

ولعله من المعروف جيداً أن الخمائر لا تستطيع تمثيل الببتيدات (فيما عدا عدد قليل من ثنائيات الببتيدات) وهذا هو السبب في أن مصادر النيتروجين اللازمة لخميرة التخمر لابد أن تكون مركبات نيتروجينية منخفضة الوزن الجزيئي، حيث أن المركبات النيتروجينية المعقدة غير صالحة. وتركيز النيتروجين الميسر في كثير من المواد الخام قد يكون كافياً لعملية التخمر، فقد وجد على سبيل المثال أن عصائر العنب تحتوي على مصادر ميسرة للنيتروجين تزيد عن حاجة الخميرة.

يعتبر عنصرا الكبريت والفوسفور من العناصر المهمة جداً لنمو ونشاط الخميرة ولكن التركيز المطلوب منهما يجب أن لا يزيد عن 1 و 4%  على الترتيب من وزن الخميرة الجاف المتوقع الحصول عليه. أما بالنسبة لتركيزات العناصر الأخرى فهي صغيرة جداً على الرغم من أن مستويات عنصري الكالسيوم والماغنسيوم تختلف اختلاف كبير من غذاء إلى آخر. ولكن بصفة عامة وجد العلماء أن الماغنسيوم ضروري للحصول على إنتاج أمثل من الإيثانول كما أن نقص الماغنسيوم والكالسيوم يؤدي إلى بطئ عملية التخمر.

والاتجاه السائد في صناعة الكحول هو مراعاة الناحية الاقتصادية، فمصانع التخمر الكبيرة التي تستخدم تركيز عالي من السكر القابل للتخمر تسمح بإنتاج تركيز عالي من الإيثانول في نفس الظروف الطبيعية ونفس العمالة تقريباً ونفس الخدمات التي توجد في المصانع الصغيرة. وقد يكون الفرق الوحيد هو تغذية الخميرة، هذا العامل الذي يهمله كثير من المنتجين الذين لا تتوفر لديهم الخبرة الكافية. ومعنى ذلك أنه لابد من الاهتمام الشديد بتغذية الخميرة عند تطبيق تقنية متقدمة تمكن من الاستفادة من تركيز عالي من السكر, ولابد من تحليل مغذيات الخميرة ومعرفة محتواها الكمي من العناصر الغذائية، ومعرفة حاجات الخميرة الحقيقية من مختلف العناصر، وحساب الكميات المطلوبة على حسب كمية الخميرة المتوقع الحصول عليها.                        

إن تركيز غذاء الخميرة في إنتاج الإيثانول بغرض استخدامه كوقود ليس محدد بالقانون لحسن الحظ كما هو في حالة إنتاج الإيثانول في المشروبات الكحولية.

ولابد أن تستمر الأبحاث في مجال الاستفادة من العناصر الغذائية السائدة في المواد الخام كمغذيات للخميرة. فعلى سبيل المثال في مهروس بعض الحبوب وفي عصير العنب فإن الحامض الأميني السائد في صورة حرة هو البرولين Proline. ونظراً لأن هذا الحامض لا يستفاد منه عادة في التخمرات فإنه يعتبر من مصادر النيتروجين الفاقدة، ولذلك توجهت الأبحاث في الفترة الأخيرة تجاه تعريف الظروف التي تجعل الخميرة تستفيد من هذا الحامض في مراحل النمو الأولى وقد أظهرت نتائج بعض الأبحاث أن الخميرة يمكن أن تستفيد من هذا الحامض ولكن فقط عندما يكون الأكسجين ميسر. أما بالنسبة لمهروس القمح فعلى الرغم من أنها تحتوي على كل الأحماض الأمينية التي تكفي الخميرة كمصدر للنيتروجين، إلا أن الأبحاث أثبتت أن وجود الحامض الأميني ليسين Lysine  والحامض الأميني جليسين Glycine  يسبب فقد حيوية الخميرة . ومعنى كل ذلك أنه في حالة استخدام القمح كمادة خام لابد من مراعاة مصدر النيتروجين جيداً فقد يكون المصدر متوفر ولكن قد يكون غير صالح، أو قد يؤدي إلى ضرر، ولذلك فإن إضافة النيتروجين القابل للتمثيل يجنب المنتج هذا الضرر، ويتم ذلك بإضافة إنزيم البروتييز الذي يتفاعل مع بروتينات القمح أو الببتيدات لتوفير النيتروجين اللازم للخميرة.