تخمر صناعي

يشير مصطلح التخمر الصناعي (بالإنجليزية: Industrial fermentation)‏ إلى الاستخدام المقصود لعملية التخمر بواسطة الكائنات الدقيقة كالبكتريا وال فطريات، بهدف تصنيع منتجاتٍ مفيدةٍ للبشرية. حيث تمثل المنتجات المخمرة تطبيقاتٍ عدةٍ ومنها تصنيع الغذاء وكذلك في مجال الصناعة العامة.

تخمر الغذاء

(بالإنجليزية: Fermentation (food))‏

يمكن تأريخ عمليات التخمر القديمة والتي منها على سبيل المثال صناعة الخبز، الخمر، الجبن، خثارة اللبن (بالإنجليزية: curd)‏، الإدلي (بالإنجليزية: Idli)‏، الدوسا (بالإنجليزية: Dosa)‏، إلخ إلى الألفية الخامسة ق م. حيث كان قد تم تطويرها قبيل أن يكون للإنسان أية معرفةٍ بمشاركة مثل تلك الكائنات الدقيقة الميكروبية في عملية التخمر بعهدٍ طويلٍ من الزمن. هذا وتمثل عملية التخمر حافزاً اقتصادياً مؤثراً للدول شبه الصناعية، وذلك من خلال إرادتها لتصنيع الإيثانول الحيوي.

الأدوية وصناعة التقانة الحيوية

توجد خمسة مجموعاتٍ رئيسيةٍ من التخمرات الهامة اقتصادياً:

1. الخلية الميكروبية أو الكتلة الحيوية كمنتجٍ، ومثال ذلك البروتين أحادي الخلية (بالإنجليزية: Single cell protein)‏، خميرة بيكر (بالإنجليزية: Baker's yeast)‏، الملبنة (بالإنجليزية: Lactobacillus)‏، الإشريكية القولونية، إلخ.
2. الإنزيمات الميكروبية: الكاتالاز، الأميليز (بالإنجليزية: Amylase)‏، البروتيز (بالإنجليزية: protease)‏، البكتيناز (بالإنجليزية: Pectinase)‏، إيزوميراز الجلوكوز (بالإنجليزية: Glucose isomerase)‏، السيلولاز (بالإنجليزية: Cellulase)‏، الهيمسيلاز (بالإنجليزية: hemicellulase)‏، الليباز (بالإنجليزية: lipase)‏، اللكتاز (بالإنجليزية: Lactase)‏، الستربتوكيناز (بالإنجليزية: Streptokinase)‏،...إلخ.
3. الآيضات الميكروبية:
   1. الآيضات الأولية –الإيثانول، حمض الليمون، حمض الجلوماتيك (بالإنجليزية: glutamic acid)‏، الليسين، الفيتامينات، عديد السكاريد...إلخ.
   2. الآيضات الثانوية- كل تخمرات الأجسام المضادة.
4. المنتجات المؤتلفة: الإنسولين، لقاح الالتهاب الكبدي الوبائي ب (بالإنجليزية: Hepatitis B vaccine)‏، الانترفيرون، عامل تحفيز المستعمرة المحببة (بالإنجليزية: Granulocyte colony-stimulating factor)‏، الستربتوكيناز.
5. التحولات الحيوية: فينيل أسيتول الكربينول (بالإنجليزية: phenyl acetyl carbinol)‏، تحول الستيرويد الحيوي (بالإنجليزية: biotransformationsteroid)‏، إلخ.

من متطلبات عملية التخمر الصناعي توفير وسيطٍ للنمو، حيث أن أي ميكروب يتطلب توفير المياه، (الأكسجين)، مصدر للطاقة، مصدر للكربون، مصدر للنيتروجين، ومغذياتٍ دقيقةٍ من أجل النمو. كربون ومصدر للطاقة + مصدر نتروجين + O₂ + متطلبات أخرى → كتلة حيوية + منتج + منتجات ثانوية + CO₂ + H₂O + حرارة

عناصر أثرية (بالإنجليزية: Trace element)‏: الحديد، الزنك، النحاس، المغنسيوم، الموليبدنوم، الكوبالت

عناصر مضادة للرغوة (بالإنجليزية: Antifoaming agent)‏: إستر، أحماض دهنية، السيليكون، السلفونات، مادة البولي بروبيلين غليكول

مصدات (بالإنجليزية: Buffer)‏: كربونات الكالسيوم، الفوسفات.

عوامل النمو: لا تستطيع بعض الميكروبات تصنيع مكونات الخلية المطلوبة بنفسها ومن ثم تحتاج إلى أن يتم تكميلها ودعمها بها، ومثال ذلك مع الثيامين، البيوتين، بينتوثينات الكالسيوم (بالإنجليزية: calcium pentothenate)‏.

العوامل الطليعية (بالإنجليزية: Penicillin G)‏: يتم دمجها مباشرةً ضمن المنتج المرغوب: دمج فينيل الإيثيلامين ضمن بنزيال البنسلين، وكذلك دمج حمض الفينيل الخلي ضمن مجموعة البنسلين.

مثبطات الإنزيم: للحصول على المنتجات المحددة: ومثال ذلك باربيتال الصوديوم من أجل الريفاميسين (بالإنجليزية: rifamycin)‏.

المحفزات: غالبية الإنزيمات المستخدمة في عملية التخمر الصناعية هي محفزات ويتم تركيبها كاستجابةٍ للمحفزات: ومثال ذلك النشا من أجل الأميلاز (بالإنجليزية: amylases)‏، المالتوز (بالإنجليزية: maltose)‏ من أجل البولولاناز (بالإنجليزية: pollulanase)‏، البكتين (بالإنجليزية: pectin)‏ من أجل البكتيناز (بالإنجليزية: pectinase)‏، هذا ويستخدم زيت الزيتون والتوين (بالإنجليزية: tween)‏ في بعض الأحيان.

الخالب (التمخلب أو التكالب): تمثل الخوالب عناصراً كيميائيةً تستخدم لتجنب ترسيب الأيونات المعدنية. حيث تستخدم الخوالب والتي منها حمض ثنائي أمين الإيثيلين رباعي حمض الخل، حمض الليمون، وأملاح الفوسفات المتعدد (بالإنجليزية: Polyphosphate)‏ بتركيزاتٍ منخفضةٍ.

التخلص من مياه الصرف الصحي

يتم هضم مياه الصرف الصحي في عملية معالجة مياه الصرف الصحي بواسطة إنزيمات تفرزها البكتريا. فيتم تكسير المواد العضوية الصلبة إلى موادٍ قابلةٍ للانحلال غير ضارةٍ وكذلك إلى ثاني أكسيد الكربون. هذا ويتم تطهير السوائل الناجمة بهدف إزالة الممرضات قبيل تفريغ الشحنة إلى داخل مياه الأنهار أو البحار أو حتى إعادة استخدامها كأسمدةٍ سائلةٍ. في حين يتم تجفيف المواد الصلبة المهضومة والمعروفة باسم الرسوب أو الطين اللزج واستخدامها كمخصباتٍ أو أسمدةٍ. في حين يمكن استخدام المنتجات الغازية كالميثان كوقود حيوي لتشغيل المولدات. ومن مزايا الهضم البكتيري تقليل كتلة ورائحة مياه الصرف الصحي، ومن ثم تقليص المساحة المطلوبة للضخ، وعلى الجانب الآخر، من المساويء الرئيسية للهضم البكتيري في عملية معالجة مياه الصرف الصحي هو أنها عمليةٌ بطيئةٌ جداً.

مراحل النمو الميكروبي

عندما يتم وضع كائن عضوي ما ضمن وسط نموٍ معينٍ، يتم تلقيح الوسط بذلك العظيّ المحدد. وهنا نلاحظ أن نمو الملقح لا يحدث في التو واللحظة بمجرد الدمج، إلا أنه يأخذ وقتاً ما لحدوث ذلك. وهي تتمثل في الفترة الزمنية اللازمة للتكيف، والتي يطلق عليها مرحلة التأخر (بالإنجليزية: lag phase)‏. ويلي مرحلة التأخر تلك، مرحلة معدل نمو الكائن الحي بازديادٍ مطردٍ بثباتٍ، ولمدةٍ محددةٍ – ويطلق على تلك الفترة فترة السجل أو الفترة الأسية. حيث بعد مرور فترةٍ محددةٍ من المرحلة الأسية، فإن معدل النمو يبدأ في التباطؤ، بسبب النقص المستمر في تركيزات المغذيات و/ أو التزايد المستتمر في تركيزات (مجمعة) المواد السامة. وتلك المرحلة، والتي يتم فحص معدل التزايد في النمو فيها، يطلق عليها اسم مرحلة التباطؤ. وبعد مرور مرحلة التباطؤ، يتوقف النمو وتدخل المزرعة الميكروبية مرحلةً جامدةً أو مرحلةً استقرار أو ثبات. حيث تظل الكتلة الحيوية ثابتة، إلا عندما تقوم موادٌ كيميائيةٌ مجمعةٌ ومحددةٌ في المزرعة بتحليل الخلايا (التحليل الكيميائي). وإذا لك تقوم الميكروبات الأخرى بتلويث المزرعة، تظل البنية الكيكميائية غير متغيرةٍ كما هي. كما أن تحور وتغير عضيات المزرعة قد يمثل مصدراً للتلوث كذلك، والذي يُطلق عليه التلوث الداخلي.

انظر أيضاً

• رقعة تغذية (بالإنجليزية: Fed-batch)‏
• ناظم كيميائي (بالإنجليزية: Chemostat)‏
• علم الأحياء الدقيقة الصناعي (بالإنجليزية: Industrial microbiology)‏
• علم الأحياء الدقيقة الغذائي

وصلات خارجية

مجلات مرتبطة

• تقانة الغذاء الحيوية
• الهندسة والتقانة الحيوية
• مجلة تقنية التخمر

المراجع

• Schutyser, M.A.I., 2003, Solid state fermentation, PhD Thesis, Wageningen UR
• Biochemical Engineering Fundamentals by J.E. Bailey and P.F. Ollis, McGraw Hill Publication
• Principles of fermentation technology by Stansbury, P.F., A. Whitaker and S.J. Hall, 1997
• Penicillin: A Paradigm for Biotechnology by Richard I Mateles ISBN 1-891545-01-9

• بوابة علم الأحياء
• بوابة تقانة
• بوابة تقانة حيوية