كيانوش خسروي داراني: دانشيار گروه تحقيقات علوم و صنايع غذايي    

فاطمه يزديان: استاديار گروه گروه مهندسی علوم زیستی، دانشكده علوم و فنون، دانشگاه تهران  

سعيده اسمعيلي: كارشناس ارشد علوم و صنایع غذایی، گروه علوم و صنایع غذایی، دانشگاه علوم پزشکي شهيد بهشتي

چکيده

زیست‌پليمر پلي‌هيدروکسي‌بوتيرات (PHB) داراي کاربرد وسيع در صنعت بسته‏ بندي مي‏باشند و ويژگی‏های منحصر به فرد جذابیت آن را سبب شده، اما توليد صنعتي پلیمر هنوز توجیه اقتصادی ندارد. لذا امروزه راهبردهاي كاهش قيمت آن ارائه شده است. یکی از عوامل مهم و موثر بر هزينه توليد قيمت سوبسترا است. در این مقاله گاز طبیعی به عنوان سوبسترای ارزان قیمت و دردسترس کشور برای تولید PHB معرفي مي‌شود. از آنجا كه اولين و مهم‌‌ترين مساله در تولید این پلیمر، رشد توده زيستي از گاز مي‌باشد، لذا در اين مقاله به بيوراكتورهاي توليد توده زيستي از گاز طبيعي پرداخته شده تا زمينه جهت انتخاب مناسب بيوراكتور در توليد بيشتر PHB از گاز طبيعي آماده شود.

واژگان كليدي: پلي‌هيدروكسي بوتيرات، بيوراكتور، رشد توده زیستی و گاز طبيعي

 

1-مقدمه

شرط لازم و مقدمه هر تولید به دست آوردن توده زیستی است. فرمانتور براي توليد توده زيستي از متان بايد بتواند در هر مقياس (آزمايشگاهي و صنعتي) امکان انتقال جرم مناسب از هوا به مايع را فراهم نماید. در این ارتباط بهترين راه حل، استفاده از فرمانتورهاي حلقوی معرفی شده است که در آنها با گردش محيط کشت، اختلاط و هوادهي به طور توام انجام مي‏شود. در اين سامانه‌ها انتقال گرما، جرم و اختلاط سوبسترا و هوادهي به بهترين نحو صورت مي‏گيرد. در فرمانتورهاي لوپ نياز به نمونه گيري و آناليز محلي است و همين طور کنترل کامپيوتري گاز ورودي لازم است. اين فرمانتورها داراي ارتفاع زياد هستند، و در همه حالات حرکت محيط کشت توسط يک پمپ در لوپ خارجي (که به بدنه اصلي متصل است) انجام مي‏شود. در اين فرمانتورها علاوه بر مزاياي ياد شده، انرژي مورد نياز براي انتقال هر کيلوگرم اکسيژن کمتر بوده و انتقال گرما به صورت مستقل و به آساني قابل کنترل است. همچنين اشاره شده است که با بوجود آوردن فشار هيدرواستاتيکي در فرمانتورهاي لوپ که داراي ارتفاع زياد هستند( در پايين برج)، طبق قانون هنري، باعث افزايش حلاليت اکسيژن مي‏شود. هوا در پايين فرمنتور از طريق لوله هاي بالارونده( که با تيغه‏هايي ثابت استوار شده است)، تزريق مي‏شود. در قسمت فوقاني محيط کشت فضاي باز بزرگي قرار دارد که CO2به سوي آن خارج مي‏شودو براي جا دادن حجم کفي که به ناچار در تخمير تشکيل مي‏شود، کافي است. مايع محيط کشت در لوله هاي بالارونده سنگين‏تر است بطوريکه گاز محلول خود را از دست داده و بنابراين با لوله ‏هاي متحدالمرکز کوچکتر و پايين رونده به سمت پايين حرکت مي‏کند و گردش در فرمنتور همراه با انتقال جرم عالي اکسيژن و اختلاط خيلي خوب صورت مي‏گيرد [1].

2-تانك تخمير

در تانک تخمير يک باکتري متانوتروف کشت سترون داده شده، منبع کربن و انرژي آن، گاز طبيعي، و منبع نيتروژن آمونياک بوده و توسط کامپيوتر کنترل مي‏شود [2]. در اين دستگاه توده زيستي با کشت در حضور گاز متان، منبع نيتروژن و نمکهاي معدني انجام مي‏شود. غلظت متان و اکسيژن حل شده در فرمانتور ثابت نگه داشته مي‏شود. مقدار گازي که اضافه مي‏شود در حد نياز براي نگهداري فعاليت بهينه کشت است. اين مسئله باعث کاهش قابل توجهي در مصرف گاز مي‏شود (در مقايسه با روشهاي قديمي تر که مستلزم هدر رفتن مقدار زيادي گاز بدليل دبي بالاي گاز بود). از آنجا که حدود 75% هزينه توليد را قيمت گاز تشکيل مي‏دهد، اين مسئله به سود بخش بودن فرآيند کمک فراوان مي‏کند [2]. فرمانتور مورد استفاده مي‏تواند سربسته باشد( به عنوان تانک تحت فشار)، تا اينکه حلاليت گازهاي مغذي افزايش يابد. حلاليت گاز ها متناسب با فشار جزئي آنهاست.

3-راکتورهاي حلقوي

از اين دستگاه مي‏توان براي براي انجام تخميرهايي که در آن يک يا چند گاز به سيال تخمير اضافه مي‏شوند و توده زيستي و يا محصولات ديگر بدست مي‏آيد، استفاده نمود [3]. در اکثر بيوراکتورهاي صنعتي، اختلاط گازها در فرمنتور توسط همزن هاي مکانيکي که در مرکز فرمنتور قرار دارند، انجام مي‏گيرد. تيغه هاي اين همزن ها توليد اغتشاش مي‏کنند و باعث مي‏شوند که گازي که از پايين به راکتور تزريق مي‏شود، بتواند به صورت حبابهاي کوچکي در سيال پخش شود. در اين نوع راکتورها اختلاط يکنواختي بدست مي‏آيد ولي عيب آنها، سختي افزايش مقياس است. زيرا رسيدن به همان ميزان اختلاط همگن و همان ميزان انتقال جرم در راکتور بزرگ، مشکل است [3]. براي دوري از همزنهاي مکانيکي، انواع راکتورهاي با هواي بالا رونده طراحي شده است، که بسياري از آنها همانند اين دستگاه، حلقه‌اي خوانده مي‏شوند، و شامل دو بخش پايين دستي و بالادستي هستند. يک يا چند گاز وارد پايين قسمت بالا دستي مي‏شوند و بصورت حبابهاي ريزي در مي‏آيند. اين حبابها با سيال مخلوط مي‏شوند و به دليل کاهش دانسيته، مخلوط گاز- مايع با مايع جديد از قسمت پايين دستي جايگزين مي‏شود [3].

در اين دستگاه، مخلوط گاز از پايين وارد قسمت بالادستي مي‏شود. اختلاط گاز با سيال در چند مکان مختلف در قسمت بالادستي انجام مي‏گيرد. يک پمپ وظيفه گردش سيال در داخل دستگاه را به عهده دارد. جداسازي گاز از مايع نيز در قسمت بالايي دستگاه رخ مي‏دهد. در حين کار دستگاه، اجزاء واکنش در يک لوله پر و بصورت يک جريان پيستوني به گردش در مي‏آيند، و در طول فرآيند با يک يا چند بهم زن در داخل لوله برخورد مي‏کنند. اين بهم زن هاي در خط، ترجيحاً بصورت همزن ايستا مي‏باشند، که بتوانند اجزاء واکنش را به کمک تقسيم جريانهاي اصلي سيال، با هم مخلوط کنند. منظور از جريان پيستوني عبارتست از يک الگوي جريان ايده آل، که در آن الگوي متوالي جريان سيال در داخل دستگاه هميشه همانند الگوي جريان ورودي سيال باقي بماند و اختلاط پسين وجود نداشته باشد.استفاده از اين نوع راکتور بجاي يک راکتور همزن دار، بطور کلي مصرف انرژي را پايين مي‏آورد. از ديگر عوامل سهيم در پايين نگهداشتن مصرف انرژي، انتخاب منبع سوبسترا و تنظيم سرعت جريان پيستوني بر مبناي اندازه گيري غلظت اجزاء واکنش است [3].

4-راكتور همزندار

در راکتور همزن دارهواي فشرده شده و گاز طبيعي به طور جداگانه از فيلتر عبور کرده و بعد از سترون شدن به طور مداوم وارد فرمانتور مي‌شوند. محيط کشت توسط بخار در دستگاه سترون شده و محصول خروجي از فرمنتور از طريق خط، گرفته شده و به واحد فيلتراسيون در خط فرستاده مي‏شود. در اين قسمت سلولها توسط فيلتر کردن و يا سانتريفوژ جدا شده و توسط آب

موجود در تانک  از طريق خط شسته مي‏شوند. آب استفاده شده از طريق خط  برگردانده مي‏شود. سلول جدا شده در خشک کن  با هواي گرم خشک مي‏شود. بخشي از محصول فيلتر شده که شامل سلولها و محيط کشت است از طريق خط برگردانده مي‏شود. باقيمانده ها نيز با مواد غذايي کمکي بهبود يافته و از طريق خط در مخزن مخلوط مي‏شوند. يون آمونياک به صورت گاز آمونياک به عنوان يکي از گازهاي ورودي و يا بطور جداگانه از طريق شير توزيع کننده وارد فرمنتور مي‏شود [4]. توده زيستي با كشت ریزسازواره - ترجيحاً باكتري متانوتروف- در يك محيط كشت مايع توليد مي‏شود، كه در يك راكتور حلقه‌اي گردش مي‏كند. راكتور داراي يك ناحيه گاززدايي است كه در آن CO2 از راكتور خارج مي‏شود. بدين منظور در جريان بالادستي راكتور(ناحيه گاززدايي) يك گاز پيش راننده تزريق مي‏شود، تا دي اكسيد كربن را از فاز مايع خارج و به فاز گاز منتقل كند. همچنين در ناحيه بالا رونده، گاز خوراكي شامل اكسيژن و متان در نقاط مختلف وارد مي‏شود و با محيط كشت مايع در راكتور مخلوط مي‏شود [5]. در اين فرآيند سنجش ميزان CO2، اكسيژن و متان موجود در گاز و نيز ميزان توده زيستي، نيتروژن، اكسيژن محلول، فسفات و مواد معدني موجود در محيط كشت بايد انجام گيرد. نيتروژن، فسفات و مواد معدني با استفاده از روش‏هاي مختلف از جمله جذب اتمي اندازه‏گيري مي‏شود. اندازه‏گيري متان و CO2 توسط طيف سنجي مادون قرمز انجام مي‏گيرد. براي جلوگيري از ايجاد كف در سطح مايع در درون جداكننده، مايع گردشي معمولاً بر روي سطح مايع در داخل ناحيه گاز زدايي افشانده مي‏شود.

 نتيجه گيري

زیست‌پليمر پلي‌هيدروکسي‌بوتيرات (PHB) با ويژگی‏های منحصر به فرد داراي کاربرد وسيع در صنعت بسته‏بندي مي‏باشد، اما توليد صنعتي پلیمر هنوز توجیه اقتصادی ندارد. کاهش قيمت سوبسترا راهبردهاي كاهش قيمت تمام شده محصول است. با توجه به شرایط کشور ما از جهت دارا بودن منابع عظیم گاز طبیعی و از سوی دیگر نیاز شدید جامعه بشری برای تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر برای اهداف بسته بندی کاملا توجیه دارد. این مهم با استفاده از کشت باکتري متانوتروف انجام می گیرد. انواع مختلف فرمنتور برای این منظور قابل استفاده است که مشهورترین آنها عبارتند از تانک تخمیر، راکتور حلقوی و همزن دار. هر یک از تجهیزات یاد شده محدودیتها و مزایای خود را دارند. در تانک تخمير در مقايسه با روشهاي قديمي باعث کاهش قابل توجهي در مصرف گاز مي‏شود (به دلیل دبي کم ورود گاز). از آنجا که حدود 75% هزينه توليد را قيمت گاز تشکيل مي‏دهد، اين مسئله به توجیه اقتصادی فرآيند کمک مي‏کند. فرمانتور مورد استفاده مي‏تواند سربسته باشد ( به عنوان تانک تحت فشار)، تا اينکه حلاليت گازهاي مغذي افزايش يابد.  استفاده از راکتورهاي حلقوي بجاي يک راکتور همزن دار، بطور کلي مصرف انرژي را پايين مي‏آورد.

References

[1] F. Uwe, P. Prave, Biotechnology: biomass from methane and methanol, Hoechst Aktiengesell schaft, (1972) 83-107.

[2] L. Jorgensen, Method and means for the production of a microorganism cell mass, EP. Pat. No. 0306466 A2 (1989).

[3] D.I.C. Wang, Fementation and enzyme technology; John Wiley, New York, (1979).

[4] K. Koerts, N.M.G. Oosterhuis, Method and device for the carrying out of a microbiological or enzymatic process, EP. Pat. No. 0185407 A2, (1985).

[5] H. Eriksen, K. Strand, L. Jorgensen, Method of fermentation, W.O. Pat. No. 016460A1, (2003).