تخمیر فرآیندی است که طی آن مخمرها و برخی باکتری ها قندها را به ترکیباتی مانند الکل و اسید تبدیل می کنند. این فرآیند توسط صنایع زیستی و صنایع داروسازی و همچنین صنایع نوشیدنی و مواد غذایی مورد بهره برداری قرار می گیرد.
سیستم های تخمیر شرکت پترو صنعت تاراز به صورت سفارشی برای کشت محصولات میکروبی، مخمری و قارچی طراحی شده اند. این فرآیندها معمولاً بسیار پویا هستند. به دلیل زمان دو برابر شدن سلولی سریعتر در فرمانتور و نیازهای جذب اکسیژن بالاتر (OUR) زمان اجرا کوتاه تری دارند که منجر به جریان هوا و نیازهای هم زدن بیشتر می شود. در نتیجه، این نوع از میکروارگانیسم ها به تراکم سلولی بالاتری رشد می کنند و در نتیجه گرمای تولید شده از نرخ تنفس بالاتر، به کنترل دمای بهتری نیاز دارند.
شرکت پترو صنعت تاراز بیش از 20 سال است که در حال توسعه و ساخت سیستم های تخمیر برای کشت میکروارگانیسم ها، سلول های انسانی یا حیوانی است. چه برای تخمیرهای منفرد و چه برای سیستم های تخمیر چند مرحله ای، سازندگان بارها و بارها به کارخانه کارآمد و سفارشی شرکت پترو صنعت تاراز اعتماد می کنند.
صرف نظر از اینکه برنامه شما هوازی، بی هوازی، بیوتکنولوژیکی یا فرآیند بلوغ غذایی برای بهبود کیفیت مواد تشکیل دهنده است، شرکت پترو صنعت تاراز دارای تجربه و دانش فرآیندی برای ارائه راه حل های تخمیر کامل است که نیازهای خاص شما را برآورده می کند.
فرمانتور از قسمت های مختلفی ساخته شده، هر آنچه که از کارخانه تخمیر خود می خواهید، ما تجهیزات مورد نیاز شما را برای برآوردن هر شرایط یا شرایطی در اختیار داریم. ما از جدیدترین قطعات و فنآوریهای شیر برای تولید تخمیر و لغزش با کارایی بالا استفاده میکنیم. علاوه بر این، ما همچنین دستگاهها و ماژولهایی را برای تولید و ذخیرهسازی رسانه، برداشت محصول، ذخیرهسازی و توزیع رسانههای بسیار خالص/بخار تمیز و فرمولبندی APIها عرضه میکنیم.
مهندسان فرآیند با تجربه ما با ارائه خدمات کامل برای برآورده کردن هر نیاز و مشخصات شما، با شما همکاری خواهند کرد تا فناوری های نوآورانه و کارآمد فرآیند را برای برنامه های تخمیر خاص شما توسعه دهند.
تخمیر صنعتی استفاده عمدی از تخمیر در تولید محصولات مفید برای انسان است. علاوه بر تولید انبوه مواد غذایی و نوشیدنی های تخمیری , تخمیر صنعتی کاربردهای گسترده ای در صنایع شیمیایی دارد . مواد شیمیایی کالایی مانند اسید استیک ، اسید سیتریک و اتانول از طریق تخمیر ساخته می شوند. علاوه بر این، تقریباً تمام آنزیمهای صنعتی تولید شده تجاری مانند لیپاز ،اینورتاز و مایه پنیر از تخمیر با میکروب های اصلاح شده ژنتیکی ساخته می شوند . در برخی موارد، تولید زیست توده به خودی خود هدف است، همانطور که در مورد پروتئین های تک سلولی ، مخمر نانوایی ، و کشت های آغازین برای باکتری های اسید لاکتیک مورد استفاده در پنیرسازی صدق می کند.
به طور کلی تخمیرها را می توان به چهار نوع تقسیم کرد:
- تولید زیست توده (مواد سلولی زنده)
- تولید متابولیت های خارج سلولی (ترکیبات شیمیایی)
- تولید اجزای درون سلولی (آنزیم ها و سایر پروتئین ها)
- تبدیل بستر (که در آن بستر تبدیل شده خود محصول است)
این انواع لزوماً از یکدیگر جدا نیستند، اما چارچوبی برای درک تفاوتهای رویکرد فراهم میکنند. ارگانیسمهای مورد استفاده معمولاً میکروارگانیسمها ، به ویژه باکتریها ، جلبکها و قارچها مانند مخمرها و کپکها هستند ، اما تخمیر صنعتی ممکن است شامل کشتهای سلولی از گیاهان و حیوانات، مانند سلولهای CHO و سلولهای حشرات نیز باشد. ملاحظات ویژه ای برای ارگانیسم های خاص مورد استفاده در تخمیر، مانند سطح اکسیژن محلول ، سطوح مواد مغذی و دما لازم است.. سرعت تخمیر به غلظت میکروارگانیسمها، سلولها، اجزای سلولی و آنزیمها و همچنین دما، PH و سطح اکسیژن برای تخمیر هوازی بستگی دارد . بازیابی محصول اغلب شامل غلظت محلول رقیق می شود .
نمای کلی فرآیند تخمیر صنعتی
در اکثر تخمیرهای صنعتی، ارگانیسم ها یا سلول های یوکاریوتی در یک محیط مایع غوطه ور می شوند. در موارد دیگر، مانند تخمیر دانه های کاکائو ، گیلاس قهوه ، و میسو ، تخمیر روی سطح مرطوب محیط انجام می شود.
همچنین ملاحظات صنعتی در ساخت فرمانتور مربوط به فرآیند تخمیر وجود دارد. به عنوان مثال، برای جلوگیری از آلودگی فرآیند بیولوژیکی، محیط تخمیر، هوا و تجهیزات استریل می شوند. کنترل فوم را می توان با تخریب مکانیکی فوم یا عوامل شیمیایی ضد کف به دست آورد . چندین عامل دیگر مانند فشار ، دما ، قدرت شفت همزن و ویسکوزیته باید اندازه گیری و کنترل شوند. یک عنصر مهم برای تخمیرهای صنعتی، افزایش مقیاس است. این تبدیل یک روش آزمایشگاهی به یک فرآیند صنعتی است . در زمینه میکروبیولوژی صنعتی به خوبی تثبیت شده استاینکه آنچه در مقیاس آزمایشگاهی خوب عمل می کند ممکن است در اولین تلاش در مقیاس بزرگ ضعیف عمل کند یا اصلاً کار نکند. به طور کلی نمی توان شرایط تخمیر را که در آزمایشگاه کار کرده است و کورکورانه آنها را برای تجهیزات در مقیاس صنعتی اعمال کرد . اگرچه بسیاری از پارامترها برای استفاده به عنوان معیار افزایش مقیاس آزمایش شده اند، به دلیل تنوع در فرآیندهای تخمیر، فرمول کلی وجود ندارد. مهمترین روشها حفظ توان مصرفی ثابت در واحد آبگوشت و حفظ سرعت انتقال حجمی ثابت است.
مراحل تخمیر صنعتی
تخمیر زمانی آغاز می شود که محیط رشد با ارگانیسم مورد نظر تلقیح شود. رشد تلقیح بلافاصله رخ نمی دهد. این دوره سازگاری است که به آن مرحله تاخیر می گویند. پس از مرحله تاخیر، سرعت رشد ارگانیسم به طور پیوسته برای یک دوره معین افزایش مییابد – این دوره فاز لگاریتمی یا نمایی است.
پس از یک مرحله رشد تصاعدی، به دلیل کاهش مداوم غلظت مواد مغذی و/یا افزایش (انباشته شدن) غلظت مواد سمی، سرعت رشد کند می شود. این مرحله که در آن افزایش نرخ رشد بررسی می شود، مرحله کاهش است. پس از مرحله کاهش، رشد متوقف می شود و کشت وارد مرحله ایستا یا حالت پایدار می شود. زیست توده ثابت می ماند، مگر زمانی که برخی از مواد شیمیایی انباشته شده در کشت به طور شیمیایی سلول ها را در فرآیندی به نام کمولیز تجزیه می کنند . تا زمانی که میکروارگانیسم های دیگر کشت را آلوده نکنند، ساختار شیمیایی بدون تغییر باقی می ماند. اگر تمام مواد مغذی موجود در محیط مصرف شوند، یا اگر غلظت سموم خیلی زیاد باشد، سلول ها ممکن است پیر شوند.و شروع به مردن می کند. مقدار کل زیست توده ممکن است کاهش نیابد، اما تعداد موجودات زنده کاهش خواهد یافت.
محیط تخمیر در فرمانتور صنعتی
میکروبها یا سلولهای یوکاریوتی که برای تخمیر استفاده میشوند در (یا روی) محیط رشد طراحیشده مخصوصی رشد میکنند که مواد مغذی مورد نیاز ارگانیسمها یا سلولها را تامین میکند. محیطهای مختلفی وجود دارد، اما همیشه حاوی منبع کربن، منبع نیتروژن، آب، نمکها و ریز مغذیها هستند. در تولید شراب، واسطه، گل انگور است. در تولید اتانول زیستی در بیوراکتور، محیط ممکن است بیشتر از هر منبع کربن ارزان قیمت موجود باشد.
منابع کربن معمولاً قندها یا سایر کربوهیدراتها هستند، اگرچه در مورد تبدیل بستر (مانند تولید سرکه) منبع کربن ممکن است یک الکل یا چیز دیگری باشد. برای تخمیرهای در مقیاس بزرگ، مانند مواردی که برای تولید اتانول استفاده می شود، از منابع ارزان قیمت کربوهیدرات ها مانند ملاس ، مشروب تند ذرت ، آب نیشکر، یا آب چغندرقند برای به حداقل رساندن هزینه ها استفاده می شود. در تخمیرهای حساس تر ممکن است به جای آن از گلوکز خالص ، ساکارز ، گلیسرول یا سایر قندها استفاده شود که تنوع را کاهش می دهد و به اطمینان از خلوص محصول نهایی کمک می کند. ارگانیسم هایی برای تولید آنزیم هایی مانند بتا گالاکتوزیدازاینورتاز یا سایر آمیلازها ممکن است برای انتخاب ارگانیسم هایی که آنزیم ها را در مقادیر زیاد بیان می کنند، نشاسته تغذیه کنند .
منابع نیتروژن ثابت برای اکثر موجودات زنده برای سنتز پروتئین ها ، اسیدهای نوکلئیک و سایر اجزای سلولی مورد نیاز است. بسته به قابلیت های آنزیمی ارگانیسم، نیتروژن ممکن است به عنوان پروتئین حجیم، مانند کنجاله سویا ارائه شود. به عنوان پلی پپتیدهای از پیش هضم شده، مانند پپتون یا تریپتون . یا به صورت نمک های آمونیاک یا نیترات. هزینه نیز عامل مهمی در انتخاب منبع نیتروژن است. فسفر برای تولید فسفولیپیدها در غشاهای سلولی و برای تولید اسیدهای نوکلئیک مورد نیاز است.. مقدار فسفاتی که باید اضافه شود به ترکیب آبگوشت و نیاز ارگانیسم و همچنین هدف تخمیر بستگی دارد. به عنوان مثال، برخی از کشت ها در حضور فسفات متابولیت های ثانویه تولید نمی کنند.
فاکتورهای رشد و مواد مغذی کمیاب در آبگوشت تخمیر موجوداتی که قادر به تولید تمام ویتامین های مورد نیاز خود نیستند، گنجانده شده است. عصاره مخمر منبع رایج ریزمغذی ها و ویتامین ها برای محیط های تخمیر است. مواد مغذی غیر آلی، از جمله عناصر کمیاب مانند آهن، روی، مس، منگنز، مولیبدن و کبالت معمولاً در منابع کربن و نیتروژن تصفیه نشده وجود دارند، اما ممکن است در صورت استفاده از منابع کربن و نیتروژن خالص شده، اضافه شوند. تخمیرهایی که مقادیر زیادی گاز تولید می کنند (یا نیاز به افزودن گاز دارند) تمایل به تشکیل لایه ای از کف دارند، زیرا آبگوشت تخمیر معمولاً حاوی انواع مختلفی از پروتئین ها، پپتیدها یا نشاسته های تقویت کننده کف است. برای جلوگیری از ایجاد یا تجمع این کف، مواد ضد کفممکن است اضافه شود. نمک های بافر معدنی مانند کربنات ها و فسفات ها ممکن است برای تثبیت PH نزدیک به حد مطلوب استفاده شوند. هنگامی که یون های فلزی در غلظت های بالا وجود دارند، استفاده از یک عامل کیلیت ممکن است ضروری باشد.
توسعه یک محیط بهینه برای تخمیر یک مفهوم کلیدی برای بهینهسازی کارآمد است. یک عامل در یک زمان (OFAT) انتخاب ترجیحی است که محققان برای طراحی یک ترکیب متوسط از آن استفاده می کنند. این روش شامل تغییر تنها یک عامل در یک زمان و ثابت نگه داشتن غلظت های دیگر است. این روش را می توان به چند زیر گروه تقسیم کرد. یکی آزمایش های حذف است. در این آزمایش تمام اجزای محیط یک به یک حذف شده و اثرات آنها بر روی محیط مشاهده می شود. آزمایشهای مکمل شامل ارزیابی اثرات مکملهای نیتروژن و کربن بر تولید است. آزمایش نهایی یک آزمایش جایگزین است. این شامل جایگزینی منابع نیتروژن و کربن است که اثر افزایشی در تولید مورد نظر نشان می دهد.
تولید زیست توده در مخزن بیوراکتور
سلول های میکروبی یا زیست توده گاهی اوقات محصول مورد نظر تخمیر است. به عنوان مثال می توان به پروتئین تک سلولی ، مخمر نانوایی ، لاکتوباسیلوس ، E. coli و غیره اشاره کرد. در مورد پروتئین تک سلولی، جلبک ها در حوضچه های باز بزرگ رشد می کنند که امکان فتوسنتز را فراهم می کند. اگر قرار است از زیست توده برای تلقیح سایر تخمیرها استفاده شود، باید مراقب بود تا از وقوع جهش جلوگیری شود .
متابولیت ها را می توان به دو گروه تقسیم کرد: متابولیت هایی که در مرحله رشد ارگانیسم تولید می شوند تولید می شوند که متابولیت های اولیه نامیده می شوند و متابولیت ها در مرحله ساکن تولید می شوند که متابولیت های ثانویه نامیده می شوند . چند نمونه از متابولیت های اولیه عبارتند از اتانول ، اسید سیتریک ، اسید گلوتامیک ، لیزین ، ویتامین ها و پلی ساکاریدها . برخی از نمونه های متابولیت های ثانویه عبارتند از پنی سیلین ، سیکلوسپورین A ، جیبرلین و لواستاتین .
متابولیت های اولیه
متابولیت های اولیه ترکیباتی هستند که در طی متابولیسم معمولی ارگانیسم در مرحله رشد ساخته می شوند. یک مثال رایج اتانول یا اسید لاکتیک است که در طی گلیکولیز تولید می شود . اسید سیتریک توسط برخی از گونههای آسپرژیلوس نایجر به عنوان بخشی از چرخه اسید سیتریک تولید میشود تا محیط خود را اسیدی کند و از تصاحب رقبا جلوگیری کند. گلوتامات توسط برخی از گونههای میکروکوکوس و برخی Corynebacterium تولید میشود گونه ها لیزین، ترئونین، تریپتوفان و سایر اسیدهای آمینه تولید می کنند. همه این ترکیبات در طول “تجارت” طبیعی سلول تولید شده و در محیط آزاد می شوند. بنابراین نیازی به پاره شدن سلول ها برای بازیابی محصول نیست.
متابولیت های ثانویه
متابولیت های ثانویه ترکیباتی هستند که در فاز ساکن ساخته می شوند. به عنوان مثال، پنی سیلین از رشد باکتری هایی که می توانند با آنها رقابت کنند، جلوگیری می کندکپک های پنی سیلیوم برای منابع رقابت کنند، جلوگیری می کند. برخی از باکتری ها، مانند گونه های لاکتوباسیلوس ، قادر به تولید باکتریوسین هستند که از رشد رقبای باکتریایی نیز جلوگیری می کند. این ترکیبات برای انسان هایی که مایل به جلوگیری از رشد باکتری ها هستند، چه به عنوان آنتی بیوتیک و چه به عنوان ضد عفونی کننده (مانند gramicidin S )ارزش آشکاری دارندقارچ کش ها مانند گریزئوفولوین نیز به عنوان متابولیت های ثانویه تولید می شوند. معمولاً متابولیتهای ثانویه در حضور گلوکز یا سایر منابع کربنی که رشد را تشویق میکنند تولید نمیشوند، و مانند متابولیتهای اولیه بدون پارگی غشای سلولی در محیط اطراف آزاد میشوند.
در روزهای اولیه صنعت بیوتکنولوژی ، بیشتر محصولات بیودارویی در E. coli ساخته می شدند . تا سال 2004 بیوداروهای بیشتری در سلولهای یوکاریوتی مانند سلولهای CHO نسبت به میکروبها تولید شد، اما از سیستمهای بیوراکتور مشابه استفاده میشد . سیستم های کشت سلولی حشرات در دهه 2000 نیز مورد استفاده قرار گرفت.
تولید اجزای داخل سلولی
آنزیم های میکروبی : کاتالاز ، آمیلاز ، پروتئاز ، پکتیناز ، سلولاز ، همی سلولاز ، لیپاز ، لاکتاز ، استرپتوکیناز و بسیاری دیگر از اجزای درون سلولی مورد توجه اولیه هستند. پروتئین های نوترکیب مانند انسولین ، واکسن هپاتیت B ، اینترفرون ، فاکتور محرک کلنی گرانولوسیت ، استرپتوکیناز و غیره نیز از این طریق ساخته می شوند. بزرگترین تفاوت بین این فرآیند با سایر فرآیندها این است که سلول ها باید در پایان تخمیر پاره شوند (لیز شوند) و محیط باید برای به حداکثر رساندن مقدار محصول دستکاری شود. علاوه بر این، محصول (معمولا یک پروتئین) باید از تمام پروتئین های سلولی دیگر در لیز جدا شود تا خالص شود.
تبدیل بستر
تبدیل بستر شامل تبدیل یک ترکیب خاص به ترکیب دیگر است، مانند در مورد فنیل استیل کاربینول ، و تبدیل زیستی استروئیدی ، یا تبدیل یک ماده خام به محصول نهایی، در مورد تخمیر مواد غذایی و تصفیه فاضلاب.
تخمیر مواد غذایی
در تاریخ غذا ، فرآیندهای تخمیر شده غذایی باستانی مانند تهیه نان ، شراب ، پنیر ، کشک ، ادلی ، دوسا و غیره را می توان به بیش از هفت هزار سال قبل نسبت داد . آنها مدت ها قبل از اینکه بشریت از وجود میکروارگانیسم های درگیر آگاهی داشته باشد، توسعه یافتند. برخی از غذاها مانند مارمیت محصول فرعی فرآیند تخمیر، در این مورد در تولید آبجو هستند.
تخمیر اتانول
تخمیر، منبع اصلی تولید سوخت اتانول به روش صنعتی است. محصولات رایج مانند نیشکر ، سیب زمینی ، کاساوا و ذرت توسط مخمر تخمیر می شوند تا اتانول تولید شود که بیشتر برای تبدیل شدن به سوخت پردازش می شود.
تصفیه فاضلاب در فرمانتور صنعتی
در فرآیند تصفیه فاضلاب ، فاضلاب توسط آنزیم های ترشح شده توسط باکتری ها هضم می شود. مواد آلی جامد به مواد بی ضرر و محلول و دی اکسید کربن تجزیه می شوند. مایعات حاصل برای حذف عوامل بیماری زا قبل از تخلیه به رودخانه ها یا دریا ضد عفونی می شوند یا می توان از آنها به عنوان کود مایع استفاده کرد. جامدات هضم شده که به لجن نیز معروف است، خشک شده و به عنوان کود استفاده می شود. محصولات فرعی گازی مانند متان می توانند به عنوان بیوگاز مورد استفاده قرار گیرند برای سوخت رسانی به ژنراتورهای الکتریکی استفاده شوند. یکی از مزایای هضم باکتریایی این است که حجم و بوی فاضلاب را کاهش می دهد و در نتیجه فضای مورد نیاز برای تخلیه را کاهش می دهد. عیب اصلی هضم باکتریایی در دفع فاضلاب این است که فرآیند بسیار کندی دارد.
خوراک کشاورزی
طیف گسترده ای از ضایعات کشاورزی صنعتی را می توان برای استفاده به عنوان غذا برای حیوانات، به ویژه نشخوارکنندگان تخمیر کرد . قارچ ها برای تجزیه ضایعات سلولزی به منظور افزایش محتوای پروتئین و بهبود قابلیت هضم آزمایشگاهی استفاده شده اند.
تخمیر دقیق
تخمیر دقیق رویکردی برای تولید محصولات کاربردی خاص است که قصد دارد تولید محصولات جانبی ناخواسته را از طریق استفاده از زیست شناسی مصنوعی به حداقل برساند ، به ویژه با تولید “کارخانه های سلولی” مصنوعی با ژنوم های مهندسی شده و مسیرهای متابولیکی بهینه شده برای تولید ترکیبات مورد نظر به طور موثر. تا حد امکان با منابع موجود تخمیر دقیق میکروارگانیسمهای اصلاحشده ژنتیکی ممکن است برای تولید پروتئینهای مورد نیاز برای محیطهای کشت سلولی استفاده شود، محیطهای کشت سلولی بدون سرم در فرآیند تولید گوشت کشتشده فراهم میشود . یک انتشار در سال 2021 نشان داد که تولید پروتئین میکروبی مبتنی بر فتوولتائیک می تواند 10 برابر زمین کمتری را برای مقدار معادل پروتئین در مقایسه با کشت سویا استفاده کند.
