استخدام التخمر المستمر   Use of continuous fermentation

 

لقد كان التخمر المتقطع هو المفضل على مدى السنين وذلك لسهولة القيام به وإمكانية استخدام عمالة ليست على قدر كبير نسبياً من المهارة وانخفاض تكاليفه وسهولة تقنيته نسبياً. إلا أن التخمر المستمر يختزل الوقت كثيراً ويزيد كثيراً من إنتاجية الإيثانول. وعلى الرغم من أن عمليات التخمر المستمر للمولاس استخدمت في روسيا منذ الستينيات إلا أن المراجع تذكر أن هناك فقط أربعة مشاريع ضخمة تستخدم التخمر المستمر (في الواقع تخمر شبه مستمر) في الولايات المتحدة لإنتاج الإيثانول، جميعها تستخدم الذرة لإنتاج الإيثانول ويتم فيها الحصول على مهروس التخمر خالياً من المواد الصلبة ويصل عدد خلايا الخميرة فيها إلى 6 ´810/مل كما أن معدل إنتاج الإيثانول يفوق معدل الإنتاج في حالة التخمر المتقطع بمقدار ثلاثة إلى أربعة مرات.

  أما التخمر المستمر الحقيقي فحتى الآن لم يتم استخدامه بشكل شائع في إنتاج الإيثانول على الرغم من ثبوت أفضليته على التخمر المتقطع. وتستخدم في البرازيل تقنية تدوير خلايا الخميرة في التخمير المتقطع حيث يتم الحصول على خلايا الخميرة عن طريق الطرد المركزي ثم يعاد تلقيح مخمرات أخرى بهذه الخلايا. كذلك تستخدم تقنية تدوير خلايا الخميرة في التخمر المستمر حيث تكون الخلايا المضافة متكيفة مع البيئة ولا تحتاج إلى فترة التكيف أو ما يسمى بالطور التأقلمي في نمو الكائنات الدقيقة. وبالإضافة إلى ذلك فإن استخدام نظام التخمر المستمر يقلل أو قد يمنع التلوث بميكروبات أخرى كما أنه قد لا يكون من الضروري إضافة مغذيات الخميرة. وفي التخمر المستمر يمكن استخدام تركيزات عالية من السكر في المادة  الخام مما يؤدي إلى زيادة معدل التخمر لكل وحدة حجم. وفي هذه الحالة ومع زيادة تركيز الإيثانول فإن حجم المخمر المطلوب يكون أقل كما أن تكلفة عملية استخلاص الكحول عن طريق التقطير تكون أيضاً أقل. وقد وجد أن إنتاجية الإيثانول عن طريق التخمر المستمر تزيد بمقدار 200% عن مثيلتها في التخمر المتقطع.

 

استخدام تقنية الخلايا المثبتة Use of cell immobilization technology

 

للحصول على معلومات تفصيلية عن نظم تثبيت الخلية يمكن الرجوع إلى كتب العبد الفقير إلى الله "أساسيات الميكروبيولوجيا الصناعية" أو "الإنزيمات الميكروبية وتطبيقاتها في الصناعة والطب". ولكن في هذا الجزء سوف نعطي معلومات عن تثبيت الخلايا التي تتناسب مع موضوع هذا الكتاب.

يتم تثبيت الإنزيمات المنتجة على حوامل صلبة في مجال تقنية الإنزيمات وذلك لزيادة كفاءتها ولتسهيل نقلها وتخزينها وتسمى هذه العملية تثبيت الإنزيمات Enzyme immobilization ولكن وجد أن هناك مشاكل كثيرة لا يمكن حلها عن طريق تثبيت الإنزيمات. وأهم هذه المشاكل هي أن الإنزيمات الداخلية تظل محتجزة داخل الخلية ولكي يتم تثبيتها على حوامل صلبة لابد من استخلاصها وتنقيتها أولاً، وقد وجد أن هذه الإنزيمات المستخلصة تكون في أغلب الأحيان غير ثابتة وغير مناسبة من الناحية العملية، كما أن عمليات الاستخلاص والتنقية هي عمليات مكلفة وغير اقتصادية وبالتالي فان حل هذه المشكلة يكون في تثبيت الخلية ككل. هذا هو السبب الرئيسي في ظهور ما يسمى بتثبيت الخلية Cell immobilization. وعملية التثبيت يمكن تعريفها على أنها أي نظام يتم فيه حجز أو حبس خلايا الخميرة داخل المخمر بغرض إعادة استخدامها بنفس الدرجة من الكفاءة. واستخدام هذه التقنية على المستوى التجاري يجب أن يؤدي إلى معدلات عالية في تحول الجلوكوز إلى إيثانول. وزيادة هذا النشاط تعود إلى وجود عدد كبير من الخلايا بالنسبة لكل وحدة مساحة من المخمر مما يساعد في تحول المادة الخام إلى إيثانول بدرجة أسرع. لا توجد حاجة لعملية التقليب في تقنية استخدام الخلايا المثبتة حيث أن المخمرات التي تستخدم هذا النظام يسمح فيها بدوران البيئة السائلة بشكل مستمر من المخمر إلى عمود يحتوي على الخلايا المثبتة ثم إلى المخمر مرة أخرى وهكذا. ولكن يجب إمداد البيئة بمغذيات الخميرة وذلك لضمان استمرار الحصول على معدلات عالية من إنتاجية الإيثانول. وكثيراً من التطبيقات الصناعية التي تستخدم التفاعلات الإنزيمية أصبحت الآن تستخدم الخلايا الميكروبية المثبتة كبديل لاستخدام الإنزيمات النقية.  ويمكن تلخيص مميزات الخلايا المثبتة بمواد صلبة فيما يلي :

1-    نشاط الخلايا يكون عالياً جداً مقارنة بالخلايا الحرة (الخلايا غير المثبتة).

2-    ثبات نشاط الخلايا يكون عالياً جداً لأن الخلايا المثبتة تتحمل الظروف البيئية غير المناسبة بدرجة كبيرة.

3-    تكاليف إنتاج الإيثانول باستخدام الخلايا المثبتة منخفضة كثيراً بالمقارنة بالخلايا الحرة.

4-    يمكن استخدام هذا النظام في عمليات التفاعلات الحيوية التي تحتاج إلى أكثر من إنزيم.

5-    الاستغناء عن عمليات استخلاص أو تنقية الإنزيمات.

6-  الخلايا المثبتة يمكن إعادة استخدامها أكثر من مرة لإنتاج الإنزيم وقد يصل عدد مرات الاستخدام إلى أكثر من خمس مرات.

وبالإضافة إلى ما سبق فهناك ميزة مهمة جداً وهو أن حجم بيئة التخمير في حال استخدام نظم الخلايا المثبتة يكون أصغر بكثير منه في حال استخدام الخلايا الحرة وذلك لأن الخلايا المثبتة يمكنها أن تنشط في تركيز عالي جداً من المادة الأولية بالمقارنة بالخلايا الحرة وهذا يؤدي إلى تقليل فرصة التلوث ،ويجعل عملية الإنتاج ناجحة اقتصادياً. ففي التخمرات الميكروبية وعلى سبيل المثال إذا فرض أن هناك محلول يحتوي على 5% سكر و أن هناك ميكروب يمكنه أن ينتج كحول من هذا المحلول بما يوازي 90% من القيمة النظرية فإن الكحول الناتج يكون تركيزه حوالي 2.25%  وإذا كان تركيز السكر مثلاً 30% فإن نفس الميكروب ينتج حوالي 13.5% كحول وعلى ذلك فإن زيادة تركيز السكر تعتبر مهمة جداً في عملية إنتاج الكحول من الناحية الاقتصادية ولكن المشكلة هي أن الميكروب المستخدم في عملية الإنتاج لا يستطيع أن يعيش في تركيز عالي من السكر وقد وجد أن حل هذه المشكلة هو التلقيح بميكروبات مثبتة على مواد صلبة وبهذه الطريقة يمكن للميكروب أن يتحمل تركيز سكر قد يصل إلى 40 أو 45% .

وعلى أي حال يمكن القول أنه خلال السنوات القليلة الماضية تطورت طرق ربط أو تثبيت الخلايا بمواد تزيد من نشاطها تطوراً شديداً ومعظم إن لم يكن كل عمليات التخمر الميكروبي بما فيها محطات معالجة مياه المجاري، سوف تستخدم مستقبلاً نظام الخلايا الميكروبية المربوطة أو المثبتة على مادة صلبة.   

وقد نشرت في الآونة الأخيرة أبحاث كثيرة جداً عن طرق تحميل أو ربط أو تثبيت الخلايا الميكروبية، إلا أنه يمكن القول أنه لا توجد طريقة واحدة حتى الآن يمكن تعميمها على كل أنواع الخلايا الميكروبية، ولذلك فمن المهم في الصناعات الميكروبية اختيار الطريقة التي تناسب الميكروب المستخدم وتناسب ظروف التفاعل.

 

في مقال قادم سوف نلقي الضوء على أهم طرق تثبيت الخلايا إن شاء الله

 

المصدر: جابر زايد بريشة: تكنولوجيا الخمائر
gaberbresha

Prof. Gaber Breisha

  • Currently 60/5 Stars.
  • 1 2 3 4 5
20 تصويتات / 1152 مشاهدة

ساحة النقاش

Prof. Gaber Breisha

gaberbresha
بسم الله الرحمن الرحيم: أعدكم جميعاً أن أعمل جاهداً ليكون هذا الموقع مفيداً لكل من يريد أن يستمتع بالمعرفة، وأتمنى أن يشعرني هذا العمل أنني أديت دوري في الحياه، وأنني جدير أن أكون ضمن الذين كلفهم الله بعمارة الأرض وأقرر أنني لا أبتغي من وراء ذلك شيئ سوى أن يكون »

ابحث

تسجيل الدخول

عدد زيارات الموقع

490,162