تخمیر در صنایع شیمیایی

زندگی باكتريها يا به عبارت بهتر ميكروارگانيسمها بر روی زندگی ما تاثير بسياری دارد. اين جانداران با تخمیر یا تنفس بی هوازی می توانند مواد كاربردی بسياری را توليد نمايند. در واقع تخمير يا زندگی به صورت بی هوازی به ما می گويد كه روند حيات حتی بدون اكسيژن نيز امكان پذير است. حتی از قديم انسانها از تنفس ميكروارگانيسمها به صورت بی هوازی به نفع خود استفاده می كردند. امروزه نيز اثرات آن به خوبی در صنايع مختلف از جمله صنعت شيميايی ديده می شود. برای اطلاع از روند، مزايا و معايب اين نوع از حيات در صنايع شيميايی تا پايان مقاله با ما همراه باشيد.

بكارگيری ريزسازواره ها يا ميكروارگانيسمها به خصوص باكتری، در صنعت بسيار تاثيرگذار است. در واقع در محيط هايی كه اكسيژن كافی وجود ندارد، نشانه های زندگی به خوبی ديده می شود. علت آن هم وجود تخمير يا تنفس بی هوازی است. در واقع به دست آوردن انرژی از راه تخمير كردن امكان پذير است. به معنای ديگر، برخی جانداران می توانند از كربوهيدراتها انرژی موردنياز را دريافت نمايند. همچنين تعريف ديگر تخمير می گويد كه مولكولهای بزرگ مواد آلی به مولكولهای كوچكتر تجزيه می شوند. آزاد شدن كربن دی اكسيد و انرژی نيز نتيجه شكسته شدن آن می باشد.

حال زندگی اين ميكروارگانيسمها به اين روش، چه سودی برای انسان دارد؟ در واقع اين موجودات ريز به خوبی می توانند تغييرات شيميايی را بدون كمک اكسيژن به انجام برسانند. نوع الكلی و لاكتيكی تنفس بی هوازی در صنايع شيميايی بسيار كاربرد دارد. به عنوان مثال تخمير الكلی با شكسته شدن پيرويک اسيد آغاز می شود. در نهايت نيز طي واكنشهای شيمی، اتانول و كربن دی اكسيد در اختيار ما قرار می گيرد.

تخمیر در صنايع شيميايی چه اهميتی دارد؟

امروزه محصولات بسياری حاصل توليدات مربوط به صنايع شيميايی هستند. در واقع تمامی مواد خام در اين صنعت به محصولات مختلف تبديل می شوند. همين مسئله اهميت زياد صنايع شيميايی را مشخص می سازد. از اين رو باكتريها با تخمير يا تنفس بی هوازی خود می توانند نقش كليدی در توليدات داشته باشند. يكی از كاربردهای مهم اين دسته از ميكروارگانيسمها، توليد الكل است. با يک نگاه ساده به محصولات شيميايی متوجه می شويم كه توليد اين ماده مهم چقدر ضروری است. چرا كه كاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف بهداشتی، آرايشی، پليمر و غيره دارد. در تخمير، مخمرها طی واكنشهايی قند را به الكل تبديل می نمايند. همچنين در توليد آنزيمهای تجاری مختلفی مانند ليپاز و مايه پنير از اين ميكروارگانيسمها استفاده می شود.

نقش تخمیر در دیگر صنایع

ماده مهم ديگری نيز به نام اسيد لاکتیک وجود دارد. اين اسيد در بدن ما نيز به طور طبيعی يافت می شود. برای به عمل آمدن ماست يا شير وجود اسيد لاكتيک از طريق تخمير لاكتوز ضروری است. كارخانه های صنايع شيميايی با بكارگيری باكتريهای تخمير كننده، می توانند اسيد لاكتيک را برای توليد ساير محصولات به وجود آورند. به طور کلی استفاده از علم ميكروبيولوژی و فرآيند تخمير يا تنفس بي هوازی باكتريهای مختلف در صنايع شيميايی بسيار حياتی است. علاوه بر صنايع شيميايی، تنفس بی هوازی در صنعت غذایی نيز نقش كليدی دارد. به عنوان مثال اين روش در آبجوسازی و همچنين پختن نان بسيار كارآمد است. توليد اسيد استیک و اسيد سیتریک نيز يكی ديگر از كاربردها است. همچنين استفاده از اين ميكروارگانيسمها براي توليد برخی مواد دارويی، شوينده و مواد بهداشتی بسيار مهم می باشد.

پروسه تخمیر با موجودات ميكروسكوپی!

ممكن است برای شما سوال پيش آيد كه روند تخمير يا تنفس بی هوازی به چه صورت است؟ برای پاسخ به اين سوال بايستی مانند يک ميكروبيولوژيست نگاهی دقيق تر به اين مسئله داشته باشيم. همان طور كه می دانيد اغلب افراد تفاوتی برای تخمير و تنفس بی هوازی قائل نمی شوند.

از نظر علمی تخمير خود یک نوع تنفس بی هوازی است. بايد توجه داشت كه تفاوت اصلی به NADH مربوط می باشد. چرا كه اين مولكول در فسفريلاسيون اكسيداتيو دو مسير مجزا را ممكن است طی نمايد. در تنفس به صورت بی هوازی NADH برای توليد ATP مصرف می شود. اما در نوع تخميری آن، سرنوشت NADH به توليد چيزی ختم نمی شود. با اين حال هر دو واژه برای حيات باكتريهای بی هوازی استفاده می گردد. البته بايد گفت كه دو نوع لاكتيكی و الكلی وجود دارد كه هر دو آنها تخمير يا تنفس بی هوازی به حساب می آيند.

تخمیر در صنعت

برای انجام تخمير الكلی در دستگاه های صنعتی بزرگ، ابتدا مخمر يا باكتريها را وارد دستگاه های بزرگ می كنند. از آن جايی كه شرايط لازم برای انجام واكنش مهيا است، ميكروارگانيسمها شروع به تخمير می كنند. 3 مرحله مهم گلیکولیز، چرخه کربس و انتقال الکترون در اين روش وجود دارند. در واقع هدف، دكربوكسيله شدن اسـید پیروویک می باشد. آنزيم تبديل كننده آن نيز پيرووات دكربوكسيلاز می باشد. در پايان با آزاد شدن استالدئيد و احيا شدن الكل دهيدروژناز، اتانول به وجود می آيد. روند به انجام رسيدن تخمير لاكتيكی نيز مانند الكلی است اما نتيجه نهايی آن فرق دارد. در نوع لاكتيكی نیمی از گلوکز به لاکتیک اسید تبدیل می شود. نصف ديگر به كربن دی اكسيد، الکل، اسید فرمیک یـا اسـید لاکتیک مبدل می گردد.

مزايای تخمیر در صنايع شیمیایی

يكي از مزايای تخمير، خنثی نمودن مواد مضر مانند اسيد فيتيک در غلات است. همچنين توليد اسيد لاكتيک و استفاده از آن در صنعت غذایی، باعث جذب بالای ويتامينها می شود. اگر تخمير جامد به جای مايع انجام شود، بهره وری بالاتر می رود. همچنين محصولات به دست آمده از حالت جامد آن پايدارتر هستند. تنفس بی هوازی در بستر جامد از نظر هزينه بصرفه تر يا ارزان تر است. بد نيست بدانيد كه در فرآيندهای بی هوازی، بيومس يا مواد زائد كمتری نيز توليد می گردد.

معایب تخمیر در صنایع شیمیایی

در كنار مزايای تخمير، معايبی نیز وجود دارد. مثلا به سبب كند بودن روند تخمير، مراحل توليد بيشتر طول می كشد و محصولی كه از اين روش حاصل می شود، دارای ناخالصی است. از اين رو بايد طی یک فرآيند ديگر، خالص سازی شود. همين نيز باعث می شود كه هزينه بيشتری طی توليد محصول صرف شود. در صورتی كه بنابر هر دليلی ميكروارگانيسم هوازی وارد دستگاه شود، در پايان نتيجه اشتباهی به دست می آيد، چون حساسيت فرآيندهای بی هوازی به تغييرات محيط بسيار زياد است. از اين رو كاركنان بايستی فضای موردنظر را بدون اكسيژن نگه دارند. همچنين تخمير در صنايع شيميايی بهتر است در يك محيط مايع صورت بگيرد. چرا که ميكروارگانيسمها برای واكنش دادن، غوطه ور شدن و رشد به آب نياز دارند. از اين رو اگر تخمير در محيط جامد انجام شود، بايستی یک ماده غير محلول به عنوان تكيه گاه وجود داشته باشد.

سوالات متداول تخمیر در صنایع شیمیایی

1- ميزان تخمير در صنايع غذایی به چه چیزی وابسته است؟

ميزان به انجام رسيدن اين روند به عوامل مختلفی بستگی دارد. از جمله مواردی مانند غلظت ميكروارگانيسمها، سلولها، آنزيمها و دمای محيط مربوطه می توانند تعيين كننده باشند.

2- كدام ميكروارگانيسمها از تنفس بی هوازی استفاده می كنند؟

به طور كلی پروكاريوتها و يوكاريوتهای تک سلولی مانند مخمر می توانند از اين روش استفاده كنند. بد نيست بدانيد كه منظور از پروكاريوتها، باكتريها و آركيها می باشد.

3- آيا باكتريهای بی هوازی می توانند اسيد استیک نيز توليد كنند؟

باكتريها ابتدا الكل مورد نظر را از طريق تنفس بی هوازی به دست می آورند. اما سپس برای تبديل اين الكل به اسيد استيك بایستی اكسيژن در اختيار داشته باشند. در نتيجه تنها تنفس بی هوازی برای توليد اسيد استيك کافی نيست.

4- گرمای توليد شده در روند تخمير در صنايع شيميايی به حالت جامد چگونه است؟

همانطور كه می دانيد، تخمير در بستر مايع و جامد قابل انجام است. اگر اين واكنش در بستر جامد انجام شود، گرمای بسيار بيشتری توليد می كند. در نتيجه ميزان انرژي گرمايی به دست آمده در پايان زيادتر خواهد بود.

5- مصرف سوبسترا در واكنشهای بی هوازی به چه صورت است؟

هر واكنشی برای آغاز شدن به سوبسترا يا ماده واكنش دهنده نياز دارد. در اين خصوص بايد بدانيد كه نرخ مصرف سوبسترا در تنفس به صورت بی هوازی بيشتر است. از اين رو بايستی مواد واكنش دهنده بيشتری وجود داشته باشد.