فرایند تغییر شیمیایی است که بوسیله ارگانیسم‌ها یا محصولات آنها ایجاد می‌شود و معمولا همراه تولید حباب و گرما می‌باشد.

ریشه لغوی

تکنولوژی تخمیری ، قدیمی‌ترین فرایند همه بیو تکنولوژری‌هاست. این واژه مشتق شده از فعل لاتین fevere به معنای جوشیدن است. این به خاطر ظاهر عصاره های میوه‌ای تخمیر یافته می‌باشد که مثلا ایجاد الکل می‌کند.

تخمیر و تنفس در سلول

تاریخچه

از لحاظ تاریخی به 6000 سال قبل برمی‌گردد، یعنی از زمانی که انسان به این فکر افتاد تا بتواند محصولات اولیه‌ای چون پنیر ، ماست ، شراب و... تولید کند. اما اولین تولید صنعتی به صورت پیشرفته در 1980 صورت گرفته است.

مفاهیم کلی

در بیو تکنولوژی ، مفهوم میکرو بیولوژیکال تخمیر اهمیت دارد، یعنی اینکه: هر فرایند تولید کننده محصول بوسیله یک توده محیط کشت از میکرو ارگانیسم‌ها. اما از نظر بیو شیمیت‌ها ، تخمیر به عنوان یک فرایند تولید کننده انرژی از ترکیبات آلی می‌باشد که این ترکیبات ، هم دهنده الکترون هستند و هم گیرنده الکترون آن. بنابراین تخمیر ، یک فرایند غیر هوازی است که انرژی تولید شده ، بدون شرکت اکسیژن یا گیرنده‌های الکترونی معدنی دیگر صورت می‌گیرد.

چند گونه میکرو ارگانیسمی می‌توانند تخمیر انجام دهند:

• پروکاریوت: تک سلولی (باکتری‌ها ، سیانو باکتری‌ها) _ چند سلولی (سیانو باکتری‌ها)
• یوکاریوتها: تک سلولی (مخمرها ، جلبک‌ها) _ چند سلولی و پر سلولی (قارچها ، جلبک‌ها)
  
  

جانداران تک سلولی و میکرو ارگانیسم‌ها ، بندرت در تخمیر استفاده می‌شوند، در حالیکه سلولهای ایزوله شده جانوران چند سلولی ، بطور رایج استفاده می‌گردند.

طراحی فرایند تخمیر صنعتی

نیاز به موارد زیر دارد:

• محیط کشت خالص از ارگانیسم انتخاب شده در مقدار مناسب و در وضعیت فیزیولوژیکی صحیح.
• محیط کشت دقیق و استریلیزه برای رشد ارگانیسم.
• فرمانتور (دستگاهی که تخمیر درآن صورت می‌گیرد) کوچک برای رشد و شروع فرایند در اندازه کوچک و بعد انتقال آن به فرمانتوز بزرگ.
• فرمانتور تولید کننده یا مدل بزرگ که بتوانند حجم‌های وسیعی از ارگانیسم مورد نظر را جای دهد.
• ابزارهای جهت:
  
  
  • طراحی محیط کشت در وضعیت پایدار
  • جداسازی سلولها
  • جمع آوری مواد شناور
  • تخلیص محصول
  • قسمت بیرون ریزنده
    
    
• همچنین فرمانتورها و بیو اکتورها (برای کشت سلولهای جانوری و گیاهی استفاده می‌شوند نه میکروارگانیسم ها) مجهز شده اند با یک هوا دهنده برای تامین اکسیژن در فرایندهای هوازی و نیز یک حرکت دهنده برای یکنواخت ساختن غلظت محیط کشت و یک ترموستات برای تنظیم دما و دتکتور PH و وسیله‌های کنترلی مشابه دیگر.

نیازمندی‌های محیط کشت

سیستم‌های زیادی امروزه بوسیله کامپیوتر کنترل می‌شوند که شرایط مناسب را برای رشد ارگانیسم‌ها تامین می‌کنند. از آن جمله ، ترکیبات شیمیایی خاص به عنوان ماده غذایی یا واسط رشدی ، PH ، دما ، خلوص ارگانیسم کشت رشد و... که در رشد کثیری و در نتیجه در تولید بیو مس و نیز ترکیبات مختلف تاثیرگذار است. منابع غذایی برای تخمیر صنعتی صنعتی به صورت زیر می‌باشد:

منبع کربن

• گلوکز (قند ذرت ، نشاسته ، سلولز)
• ساکارز (قند نیشکر ، چغندر)
• لاکتوز (شیر)
• چربی (چربی‌های گیاهی)
• هیدروکربن (ذره‌های نفت خام)

منبع نیتروژن

• پروتئین (ذرت ، شیره لوبیایی جوشیده همراه شیر)
• آمونیاک (نمکهای آمونیاکی یا آمونیاک خالص)
• نیترات (نمکهای نیترواتی)
• هوا (نیتروژن)

منبع فسفر

• نمکهای فسفات

انواع سیستم‌های کشتی در تخمیر صنعتی

batch (پردازش دسته‌ای)

در این روش ، در مرحله stationary یا سکون ، محیط کشت تخریب می‌گردد تا بیو مس (سلولها ، ارگانیسم‌ها) و ترکیبات اضافه شده و جدید را برداشت کنند. بهترین جهت مثبت این روش ، سطح مناسب بازده است و نقطه منفی آن ، مواد زائد غذایی استفاده نشده توسط ارگانیسم‌ها می‌باشد.

continouse (مداوم)

در این روش ، محیط کشت بر اساس یک یا دو ترکیب محدود کننده طراحی می‌شود. زمانیکه مقدار اولیه این ترکیبات ، کم باشد، رشد متوقف نشده و به وضعیت سکون می‌رسد. اما رشد دوباره با افزودن ترکیب محدود کننده آغاز می‌گردد و چون این روش ، بوسیله ماده محدود کننده ، کنترل می‌شود، به این روش کموستات هم می‌گویند.

fed-batch (روش پردازش دسته ای - تغذیه ای)

در این نوع ، یک تحریک کننده محیط کشت بطور مداوم یا یریودیک اضافه می‌گردد. در این روش ، فمانتور برای حجم‌های بزرگی طراحی شده است. تولید پنی سیلین که یک متابولیت ثانویه است، با این روش صورت می‌گیرد که دارای دو مرحله است: یکی فاز شروع که با فاز ایدیوفاز دنبال می شود که در سطح پائین فنیل استات اسید بطور مداوم پنی سیلین تولید می‌گردد. اما در غلظت بالا ، فنیل استات اسید ، به عنوان ماده سمی برای ارگانیسم‌ها می‌باشد.

دستگاه تخمیر

تولید آنزیم‌ها توسط تخمیر صنعتی

تولید صنعتی آنزیم‌ها ، برای تولید اقتصادی غذا و نوشیدنی نیازمند است. آنزیمها همچنین در آنالیزهای صنعتی و تکنیکی استفاده می‌شوند و امروزه به پودرهای شوینده (مثل سلولاز ، پروتئاز ، لیپاز) افزوده می‌شوند. آنزیمهای تولید شده بوسیله محیطهای کشت جانوری یا گیاهی یا میکروبی یا در فاز تروپوفاز مثل آمیلاز و یا در ایدیوفاز صورت می‌گیرد.

محصولات غذایی در صنعت

یک دامنه وسیعی محصولات مثل کره ترش ، ماست ، پنیر ، نان ور آمده ، نوشیدنی‌های الکلی ، سرکه ، سبزیجات خشک شده ، ترشیجات و... ، از طریق فرایندهای تخمیر میکروبی تولید می‌شوند. رفته رفته ، از گونه‌های مناسب‌تر ارگانیسم‌ها و فرایندهای بهتر استفاده می‌شود تا محصولات به قیمت مناسب‌تر به فروش برسند.

چشم‌انداز بحث

تکنولوژی DNA نوترکیب ، استفاده از ژنهایی انتقال یابنده از ارگانیسم به ارگانیسم دیگر و ایجاد گونه‌های ترانژنیک را ممکن کرده است که بعدا برای تولید محصولات ژنی استفاده می‌گردند. مثلا Ecoli ، ساکارو مایسس سروزیا و مخمرهای دیگر ، حتی قارچهای میله‌ای برای تولید اینتروفرون ، انسولین ، سرم انسانی و چند محصول دیگراستفاده می‌شوند.

مباحث مرتبط با عنوان

• باکتریو لوژی
• بیو تکنولوژی
• بیو شیمی
• پنی سیلین
• تولید صنعتی پنی سیلین
• زیست شیمی
• شیمی مواد غذایی
• صنعت غذایی
• مخمر نان
• میکرو بیولوژی