به نام خدا

مقدمه اي بر فرمانتاسيون و فرمانتورها
فرمانتاسيون فرايندي است که در انواع سلولها ازجمله باکتريها، قارچها، مخمر ها، سلولهاي گياهي و جانوري صورت گرفته و طي آن مقداري از انرژي مورد نياز سلولها تامين مي گردد.عمده ترين مسير بيولوژيکي فراهم کننده انرژي موجودات زنده، فرايند گليکوليز(Glycolises) است که طي آن مولکولهاي گلوکز ( و ساير قندهايي که قابليت تبديل به گلوکز را دارند) طي مراحل متعدد به مولکولهاي اسيد پيرويک تبديل شده و در حضور اکسيژن کافي، اين مولکولها با توليد بيشتر انرژي، انرژي مورد نياز سلولها را فراهم مي نمايند. مسير گليکوليز تا توليد اسيد پيرويک، يک فرايند بي هوازي است و در هر دو شرايط هوازي و بي هوازي قابل انجام است. در صورتي که در محيط اکسيژن کافي وجود داشته باشد، اسيد پيرويک تا مرحله توليد NADH پيش مي رود و انرژي توليد شده در مولکولهاي ذخيره کننده انرژي يعني ATP ذخيره مي گردد. در صورتي که سلول در شرايط کمبود و يا فقدان اکسيژن باشد مسير ديگري را جهت تامين انرژي از مولکولهاي اسيد پيرويک در پيش خواهد گرفت که نسبت به قبل ميزان توليد انرژي بالاتر بوده اما عمده آن بصورت حرارت در محيط آزاد شده و مقدار کمتري از آن در مولکولهاي ATP ذخيره مي گردد و عملا بازده انرژي آن نسبت به مرحله هوازي کمتر است. فرايند دوم فرمانتاسيون ناميده مي شود و امروزه با گسترش منابع جديد سهم عمده اي را در توليد محصولاتي مانند اسيدهاي آبي، داروها( آنتي بيوتيک ها و داروهاي نو ترکيب)، تصفيه فاضلابها، مواد غذايي، افزودنيها، مواد شيميائي و صنايع نفت و گاز بر عهده دارد.
در واقع فرمانتاسيون فرايندي است که با استفاده از انرژي حاصل از اکسيداسيون مواد آلي مانند کربوهيدراتها و استفاده از گيرنده هاي الکترون انجام مي شود. اين فرايند نتيجه اکسيداسيون – احيا درون سلولي واکنش هاي زنجيره اي دهنده و گيرنده الکترون مانند اکسيژن است. در صنعت اصطلاحا به فعل و انفعالات شيميائي که کاتاليزور آن ميکروارگانيسمها هستند، چه فرايند هوازي باشد و چه غير هوازي، فرمانتاسيون گفته مي شود. در اين فرايند سوبستراو مانند قندها به عنوان مواد مغذي و ميکرو ارگانيسمها نقش اساسي را ايفا مي کنند.
محصولات فرمانتاسيون تحت عنوان محصولات با ارزش و کم حجم شناخته مي شوند که همين روند طي پيشرفت روز افزون فرايند دنبال شده است.
فرايند فرمانتاسيون در دستگاههاي فرمانتور انجام مي گيرد که اين دستگاهها با توجه به کاربردشان داراي انواع مختلفي بوده و ظرفيت آنها، بسته به نوع کاربردهاي تحقيقاتي، آزمايشگاهي و صنعتي متفاوت است. همانطور که در شکل ديده مي شود قسمتهاي مختلف تشکيل دهنده فرمانتورها عمدتا شامل:
1- بخش تنظيم کننده
2- روتامتر (TMFE)
3- صفحه نمايشگر
4- سرنگ حذف نمونه هاي محيط کشت بدون تماس مستقيم با آن (sample assembly)
5- پوشش حرارتي (heat blanket vessels)
6- پمپهاي پري استالتيک (perstatic pump) با سرعت هاي ثابت
7- اتصال سريع براي ورود و خروج آب
8- اتصال براي PH/DO، پخش کننده، موتور، گرم کن و رديابهاي دمايي
9- يک نگهدارنده اضافي بطري
10- ظرف دو جداره حاوي آب
11- خروجي تحت فشار

همچنين هر فرمانتور داراي يک چرخاننده(Impeller) است که بر اساس نوع فرايند مورد نظر و انواع سلولها، داراي انواع مختلفي است و کار عمده آنها، هوادهي به سلولهاي مورد کشت است. در فرمانتورها مي توان انواعي از سلولهاي ميکروبي، گياهي، جانوري و سلولهاي پستانداران را کشت داد که نوع کشت ها ممکن است به صورتهاي کشت مداوم batch, fed batch باشد. در کشت مداوم (continues culture) ، از سويي محيط کشت به دستگاه اضافه شده و از سوي ديگر محصولات استخراج مي گردند. در fed batch به تدريج محيط کشت اضافه شده و محصول نيز به تدريج خارج مي شود و در نوع batch، سلولها با تاخير کشت داده مي شوند.
همچنين فرمانتورها داراي يک بخش تنظيمي (Reactor Prcess Contoller) هستند که فرايندهاي متعددي را کنترل مينمايند.
با توجه به صنعتي شدن فرمانتاسيون ،يکي از مهمترين مواردي بايد مورد توجه قرار گيرد افزايش کيفيت توليدات،کاهش هزينه ها و باز يافت مواد زايد حاصل از اين فرايند است و يکي از مهمترين گزينه ها جهت کاهش هزينه ها و افزايش کارايي و بهره وري ،تفکيک مراحل فرمانتاسيون و تخصيص محصولات است .
آنچه که در فرمانتاسيونهاي مايع وجود دارد ،ترکيبي است از سلولها، موادي که در آنها ساخته ميشود و در همانجا باقي مانده و يا به خارج سلولها ترشح ميشوند، سولترها ي تغيير يافته و يا ترکيباتي که قابلييت تغيير ندارند. جدا سازي هريک از مراحل فرمانتاسيون نه تنها به نوع آن فرايند بيولوژيکي، محل محصولات توليد شده سلولي (داخل يا خارج سلول )، اندازه، وزن و قابليت حلاليت بستگي دارد، بلکه به مقياس فرايند انجام شده و ارزش محصولات نيز وابسته است .
براي مثال کروماتوگرافي فرايندي است که در مراحل توليد مواد دارويي يا بيولوزيکي ارزشمند همانند هورمونها، آنتي باديها وآنزيمها مفيد است اما در هنگام توليد انبوه ودر مقياس صنعتي، پر هزينه و مشکل ميباشد.
نکته ديگري که بايد مد نظر قرار گيرد اين است که در فرمانتورها، اندکي پس از تشکيل محصولات، خود به عنوان ممانعت کننده عمل کرده و باعث کاهش توليد ميگردند. از سويي ديگر، در هنگام توليد محصولاتي همچون پروتئنهاي تک سلولي ((SCP)SINGEL CELL PROTEINS ) و آنزيمهاي خارج سلولي مانندپروتئازها ،آميلازها و غيره به علت غلظت پايئن محصولات، هزينه بالاي بازيافت مواد پيچيدگي ترکيبات به ويژه هنگامي که مواد داخل سلولي در اثر تخريب از آنها خارج ميگردند ،خالص سازي توليدات و جداسازي آنها را با مشکل مواجه مينمايد .
جهت انجام فرمانتاسيون در مقياس صنعتي بايد موارد زير را مورد توجه قرار داد :
1- انتخاب ارگانيسم با توجه به نوع سولبترا، ويژگي محصولات مورد نظر، توانايي ارگانيسم و قدرت بقاي آن در شرايط پر تنش، قدرت زيست آن در هنگام
مراحل بازيافت، ويژگيهاي فيزيولوژيکي( از جمله سرعت رشد، نيازهاي تنفسي و …) ويژگيهاي ژنتيکي
2- قابليت دستکاري سلول از نظر متابوليکي: بهبود ويژگيهاي ارگانيسم موجود، قابليت تسهيل بازيافت محصولات، افزايش بهترسوبستراو محصول و قابليت انجام فرمانتاسيون در شرايط غير استاندارد.
3- بهينه سازي فرايند فرمانتاسيون: از طريق بهينه سازي محيط کشت و پارامترهايي که در بازيافت محصول و خالص سازي آن موثر بوده و باعث کاهش مواد اوليه مورد نياز جهت انجام کشت مي شود و با حفظ سلولها و بازيافت آنها باعث افزايش دانسيته سلولها مي گردند.
4- تلفيق فرمانتاسيونهاي استخراجي، الکترودياليز و تفکيک غشايي

بهينه سازي فرمانتاسيونهاي مايع:
جهت افزايش بازده فرمانتاسيونهاي مايع، هر ماده اي که منجر به توليد محصول نمي شود بايد از محيط حذف گردد. براي مثال محيط کشت هايي که در اغلب موارد استفاده مي شود ترکيبي از عصاره جو يا ذرت است که به عنوان منابعي ارزان و غني از نيتروژن، نمکها و ويتامينها مي باشد اما ممکن است داراي ترکيبات و عناصري باشندکه به طور مستقيم تاثيري در فرايند تخمير نداشته و در مراحل پاياني اختلالات زيادي را ايجاد نمايند. در برخي موارد مي توان پيش از مراحل پاياني، اين مواد مضر را حذف و بازده فرايند را افزايش داد.
از طرفي در مراحل پاياني فرمانتاسيون، جداسازي برخي مواد راحت تر از سايرين صورت مي گيرد. براي مثال اسيدهاي آلي بسيار ساده تر از نمکها جدا مي گردند. در صورتي که PH مناسب باشد مي توان فرايند را طوري هدايت کرد تا عمده محصول توليد شده در مراحل پاياني، اسيدها باشند و اين امر در فرمانتاسيونهايي که در شرايط اسيدي مطلوب تر هستند باعث صرفه جويي در مقدار اسيد، محيط کشت پايه، کاهش مواد زائد و هزينه ها مي گردد.
از ديگر موارد مي توان به استفاده مجدد از محيط کشت و مواد زنده سلولي (Biomass) اشاره نمود که انجام آن مستلزم استفاده از روش هاي پيشرفته و مشکل است اما بکارگيري آن سهم مهمي در کاهش هزينه ها دارد. البته سلولهاي مورد بازيافت بايد عاري از آلودگي به موار فرمانتاسيون بوده، تحت استرس هاي نا مطلوب قرارگرفته و قدت بقاي خود را حفظ نموده باشند.
همچنين مي توان از تمام يا بخشي از مواد بر جاي مانده محيط کشتو بيوماس در فرماناسيون تعدي استفاده نمود که باعث کاهش نياز به افزايش مواد غذايي به فرايند بعدي و کاهش هزينه ها مي گردد.
در بسياري از فرمانتاسيونها، تجمع محصولات در مراحل پاياني مي تواند يکي از عوامل مهم ممانعت کننده انجام فرايند و کاهش بازده شود. در صورتيکه به طور پيوسته بتوان محصولات را از ساير مواد تشکيل دهنده جدا کرد مي توان بازده توليد محصول را به طور قابل توجهي افزايش داد. به همين دليل مي توان از فرمانتاسيونهاي دو فازي استفاده کرد که در آن محصولات از فاز مايع استخراج شده و باقيمانده مواد که فاز ارگانيکي و حاوي بيوماس مي باشد مي تواند مجددا مورد استفاده قرار گيرد.
از جمله موارد ديگر مي توان به کاهش آب در محيط فرمانتاسيون اشاره کرد. به طور شاخص، بالغ بر 90% محيط فرمانتاسيون آب است که بايد تا حد امکان کاهش يابد که جداسازي آن نه تنها هزينه بر است بلکه در مراحل بازيافت ايجاد اختلال مي نمايد. رعايت موارد زير مي تواند در کاهش مقدار آن، نقش قابل توجهي داشته باشد:

– افزايش غلظت بيوماس ( براي مثال استفاده از فرمانتاسيونهاي HCD High cell Desity )
– استفاده از ارگانيسمهاي مهندسي شده جهت تحمل شرايط محيطي با غلظت بالاتر
– حذف عوامل ممانعت کننده انجام فرمانتاسيون

منابع:

Hoek, P. V. , Aristidon, A., Fermentation goes large scale“, biotechnology,pp.37-42(2003).
Williams s, J. A., “keys to bioreactor  selection. chem. Eng. Progress98 (3) ,pp. 34-41(2002).
Bohlmann, G. M. , “ Biodegradable polymer life cycle assessment“. Chapter 6, Menlo Park, CA (2001)