فرمانتاسیون و فرمانتورها

فرمانتاسیون فرایندی است که در انواع سلولها ازجمله باکتریها، قارچها، مخمر ها، سلولهای گیاهی و جانوری صورت گرفته و طی آن مقداری از انرژی مورد نیاز سلولها تامین می گردد.  

  عمده ترین مسیر بیولوژیکی فراهم کننده انرژی موجودات زنده، فرایند گلیکولیز(Glycolises) است که طی آن مولکولهای گلوکز ( و سایر قندهایی که قابلیت تبدیل به گلوکز را دارند) طی مراحل متعدد به مولکولهای اسید پیرویک تبدیل شده و در حضور اکسیژن کافی، این مولکولها با تولید بیشتر انرژی، انرژی مورد نیاز سلولها را فراهم می نمایند. مسیر گلیکولیز تا تولید اسید پیرویک، یک فرایند بی هوازی است و در هر دو شرایط هوازی و بی هوازی قابل انجام است. در صورتی که در محیط اکسیژن کافی وجود داشته باشد، اسید پیرویک تا مرحله تولید NADH پیش می رود و انرژی تولید شده در مولکولهای ذخیره کننده انرژی یعنی ATP ذخیره می گردد. در صورتی که سلول در شرایط کمبود و یا فقدان اکسیژن باشد مسیر دیگری را جهت تامین انرژی از مولکولهای اسید پیرویک در پیش خواهد گرفت که نسبت به قبل میزان تولید انرژی بالاتر بوده اما عمده آن بصورت حرارت در محیط آزاد شده و مقدار کمتری از آن در مولکولهای ATP ذخیره می گردد و عملا بازده انرژی آن نسبت به مرحله هوازی کمتر است. فرایند دوم فرمانتاسیون نامیده می شود و امروزه با گسترش منابع جدید سهم عمده ای را در تولید محصولاتی مانند اسیدهای آبی، داروها( آنتی بیوتیک ها و داروهای نو ترکیب)، تصفیه فاضلابها، مواد غذایی، افزودنیها، مواد شیمیائی و صنایع نفت و گاز بر عهده دارد.

   در واقع فرمانتاسیون فرایندی است که با استفاده از انرژی حاصل از اکسیداسیون مواد آلی مانند کربوهیدراتها و استفاده از گیرنده های الکترون انجام می شود. این فرایند نتیجه اکسیداسیون – احیا درون سلولی واکنش های زنجیره ای دهنده و گیرنده الکترون مانند اکسیژن است. در صنعت اصطلاحا به فعل و انفعالات شیمیائی که کاتالیزور آن میکروارگانیسمها هستند، چه فرایند هوازی باشد و چه غیر هوازی، فرمانتاسیون گفته می شود. در این فرایند سوبستراو مانند قندها به عنوان مواد مغذی و میکرو ارگانیسمها نقش اساسی را ایفا می کنند.

محصولات فرمانتاسیون تحت عنوان محصولات با ارزش و کم حجم شناخته می شوند که همین روند طی پیشرفت روز افزون فرایند دنبال شده است.

  فرایند فرمانتاسیون در دستگاههای فرمانتور انجام می گیرد که این دستگاهها با توجه به کاربردشان دارای انواع مختلفی بوده و ظرفیت آنها، بسته به نوع کاربردهای تحقیقاتی، آزمایشگاهی و صنعتی متفاوت است. همانطور که در شکل دیده می شود قسمتهای مختلف تشکیل دهنده فرمانتورها عمدتا شامل:

1-  بخش تنظیم کننده

2-  روتامتر (TMFE)

3-  صفحه نمایشگر

4-   سرنگ حذف نمونه های محیط کشت بدون تماس مستقیم با آن (sample assembly)

5-  پوشش حرارتی (heat blanket vessels)

6-  پمپهای پری استالتیک (perstatic pump) با سرعت های ثابت

7-  اتصال سریع برای ورود و خروج آب

8-  اتصال برای PH/DO، پخش کننده، موتور، گرم کن و ردیابهای دمایی

9-  یک نگهدارنده اضافی بطری

10-   ظرف دو جداره حاوی آب

11-   خروجی تحت فشار

 
همچنین هر فرمانتور دارای یک چرخاننده(Impeller) است که بر اساس نوع فرایند مورد نظر و انواع سلولها، دارای انواع مختلفی است و کار عمده آنها، هوادهی به سلولهای مورد کشت است. در فرمانتورها می توان انواعی از سلولهای میکروبی، گیاهی، جانوری و سلولهای پستانداران  را کشت داد که نوع کشت ها ممکن  است  به صورتهای کشت مداوم batch, fed batch باشد. در کشت مداوم (continues culture) ، از سویی محیط کشت به دستگاه اضافه شده و از سوی دیگر محصولات استخراج می گردند. در fed batch به تدریج محیط کشت اضافه شده و محصول نیز به تدریج خارج می شود و در نوع batch، سلولها با تاخیر کشت داده می شوند.      

   همچنین فرمانتورها دارای یک بخش تنظیمی (Reactor Prcess Contoller) هستند که فرایندهای متعددی را کنترل مینمایند.

با توجه به صنعتی شدن فرمانتاسیون ،یکی از مهمترین مواردی باید مورد توجه قرار گیرد افزایش کیفیت تولیدات،کاهش هزینه ها و باز یافت مواد زاید حاصل از این فرایند است و یکی از مهمترین گزینه ها جهت کاهش هزینه ها و افزایش کارایی و بهره وری ،تفکیک مراحل فرمانتاسیون و تخصیص محصولات است .

   آنچه که در فرمانتاسیونهای مایع وجود دارد ،ترکیبی است از سلولها، موادی که در آنها ساخته میشود و در همانجا باقی مانده و یا به خارج سلولها ترشح میشوند، سولترها ی تغییر یافته و یا ترکیباتی که قابلییت تغییر ندارند. جدا سازی هریک از مراحل فرمانتاسیون نه تنها به نوع آن فرایند بیولوژیکی، محل محصولات تولید شده سلولی (داخل یا خارج سلول )، اندازه، وزن و قابلیت حلالیت بستگی دارد، بلکه به مقیاس فرایند انجام شده و ارزش محصولات نیز وابسته است .

   برای مثال کروماتوگرافی فرایندی است که در مراحل تولید مواد دارویی یا بیولوزیکی ارزشمند همانند هورمونها، آنتی بادیها وآنزیمها مفید است اما در هنگام تولید انبوه ودر مقیاس صنعتی، پر هزینه و مشکل میباشد.

   نکته دیگری که باید مد نظر قرار گیرد این است که در فرمانتورها، اندکی پس از تشکیل محصولات، خود به عنوان ممانعت کننده عمل کرده و باعث کاهش تولید میگردند. از سویی دیگر، در هنگام تولید محصولاتی همچون پروتئنهای تک سلولی ((SCP)SINGEL CELL PROTEINS ) و آنزیمهای خارج سلولی مانندپروتئازها ،آمیلازها و غیره به علت غلظت پایئن محصولات، هزینه بالای بازیافت مواد پیچیدگی ترکیبات به ویژه هنگامی که مواد داخل سلولی در اثر تخریب  از آنها خارج میگردند ،خالص سازی تولیدات و جداسازی آنها را با مشکل مواجه مینماید .

جهت انجام فرمانتاسیون در مقیاس صنعتی باید موارد زیر را مورد توجه قرار داد :

1-  انتخاب ارگانیسم با توجه به نوع سولبترا، ویژگی محصولات مورد نظر، توانایی ارگانیسم و قدرت بقای آن در شرایط پر تنش، قدرت زیست آن در هنگام 

مراحل بازیافت، ویژگیهای فیزیولوژیکی( از جمله سرعت رشد، نیازهای تنفسی و ...) ویژگیهای ژنتیکی

2- قابلیت دستکاری سلول از نظر متابولیکی: بهبود ویژگیهای ارگانیسم موجود، قابلیت تسهیل بازیافت محصولات، افزایش بهترسوبستراو محصول و قابلیت انجام فرمانتاسیون در شرایط غیر استاندارد.

3- بهینه سازی فرایند فرمانتاسیون: از طریق بهینه سازی محیط کشت و پارامترهایی که در بازیافت محصول و خالص سازی آن موثر بوده و باعث کاهش مواد اولیه مورد نیاز جهت انجام کشت می شود و با حفظ سلولها و بازیافت آنها باعث افزایش دانسیته سلولها می گردند.

3- تلفیق فرمانتاسیونهای استخراجی، الکترودیالیز و تفکیک غشایی

بهینه سازی فرمانتاسیونهای مایع:

  جهت افزایش بازده فرمانتاسیونهای مایع، هر ماده ای که منجر به تولید محصول نمی شود باید از محیط حذف گردد. برای مثال محیط کشت هایی که در اغلب موارد استفاده می شود ترکیبی از عصاره جو یا ذرت است که به عنوان منابعی ارزان و غنی از نیتروژن، نمکها و ویتامینها می باشد اما ممکن است دارای ترکیبات  و عناصری باشندکه به طور مستقیم تاثیری در فرایند تخمیر نداشته و در مراحل پایانی اختلالات زیادی را ایجاد نمایند. در برخی موارد می توان پیش از مراحل پایانی، این مواد مضر را حذف و بازده فرایند را افزایش داد.

   از طرفی در مراحل پایانی فرمانتاسیون، جداسازی برخی مواد راحت تر از سایرین صورت می گیرد. برای مثال اسیدهای آلی بسیار ساده تر از نمکها جدا می گردند. در صورتی که PH مناسب باشد می توان فرایند را طوری هدایت کرد تا عمده محصول تولید شده در مراحل پایانی، اسیدها باشند و این امر در فرمانتاسیونهایی که در شرایط اسیدی مطلوب تر هستند باعث صرفه جویی در مقدار اسید، محیط کشت پایه، کاهش مواد زائد و هزینه ها می گردد.

   از دیگر موارد می توان به استفاده مجدد از محیط کشت و مواد زنده سلولی (Biomass) اشاره نمود که انجام آن مستلزم استفاده از روش های پیشرفته و مشکل است اما بکارگیری آن سهم مهمی در کاهش هزینه ها دارد. البته سلولهای مورد بازیافت باید عاری از آلودگی به موار فرمانتاسیون بوده، تحت استرس های نا مطلوب قرارگرفته و قدت بقای خود را حفظ نموده باشند.

همچنین می توان از تمام یا بخشی از مواد بر جای مانده محیط کشتو بیوماس در فرماناسیون تعدی استفاده نمود که باعث کاهش نیاز به افزایش مواد غذایی به فرایند بعدی و کاهش هزینه ها می گردد.

  در بسیاری از فرمانتاسیونها، تجمع محصولات در مراحل پایانی می تواند یکی از عوامل مهم ممانعت کننده انجام فرایند و کاهش بازده شود. در صورتیکه به طور پیوسته بتوان محصولات را از سایر مواد تشکیل دهنده جدا کرد می توان بازده تولید محصول را به طور قابل توجهی افزایش داد. به همین دلیل می توان از فرمانتاسیونهای دو فازی استفاده کرد که در آن محصولات از فاز مایع استخراج شده و باقیمانده مواد که فاز ارگانیکی و حاوی بیوماس می باشد می تواند مجددا مورد استفاده قرار گیرد.

 از جمله موارد دیگر می توان به کاهش آب در محیط فرمانتاسیون اشاره کرد. به طور شاخص، بالغ بر 90% محیط فرمانتاسیون آب است که باید تا حد امکان کاهش یابد که جداسازی آن نه تنها هزینه بر است بلکه در مراحل بازیافت ایجاد اختلال می نماید. رعایت موارد زیر می تواند در کاهش مقدار آن، نقش قابل توجهی داشته باشد:

-        افزایش غلظت بیوماس ( برای مثال استفاده از فرمانتاسیونهای HCD  High cell Desity )

-        استفاده از ارگانیسمهای مهندسی شده جهت تحمل شرایط محیطی با غلظت بالاتر

-        حذف عوامل ممانعت کننده انجام فرمانتاسیون