بخشی از مقاله
انواع بیوراکتورهای تخمیر حالت جامد برای تولید متابولیت های غذایی
چکیده
هدف: فرایند تخمیر در بیوراکتورها نقش اساسی در تولید فرآوردههای غذایی و دارویی است. در این مطالعه ضمن مقدمهای کوتاه درباره انواع مدلسازی و معرفی پدیده های میکروسکوپی و ماکروسکوپی در تخمیر حالت جامد، به معرفی بیوراکتورهای مصرفی در تخمیر حالت جامد پرداخته شده و نگاهی اجمالی به مزایا و معایب انواع بیوراکتورها صورت گرفته است.
مواد و روشها: سوبسترای مورد استفاده در تخمیر حالت جامد اکثرا شامل فراوردههای جانبی کشاورزی و فرآوری غذایی است. طراحی بیوراکتورها مرحله کلیدی در فرایند تخمیر حالت جامد است. مقاله مروری حاضر با جستجوی کلمههای کلیدی ذیل در بین 12 مقاله کامل ISI و مجله های زیستفناوری از ساال 1997 تا 2009 در رابطه با انواع بیوراکتورهای تخمیر حالت جامد انجام گردید. انتخاب مقالات بر اساس زمان برداشت دادهها و ارتباط موضوعی آنها با هدف این مقاله مروری انجام گردیده است. از متدولوژی و یافتههای تمامی مقالات واجد شرایط استفاده شد.
نتایج و بحث: انواع مختلف بیوراکتور بر اساس نوع هوادهی و همزدن شامل سینیدار، بستر آکنده با هوادهی اجباری، استوانه ای دوار مداوم و غیرمداوم و نیز بستر بهم خورده غیرمداوم با هوادهی اجباری میباشد. مدلسازی ریاضی یک ابزار قدرتمند در طراحی بیوراکتورها و بهینه سازی نحوه عملکرد انها میباشد. به وسیله مدل میتوان عوامل موثر در فرایندهای رشد و تشکیل محصول را ارزیابی نمود.
نتیجه گیری کلی: فرایند تخمیر حالت جامد از اهمیت روز افزون برخوردار و جمعیت رو به افزایش جهان باعث افزایش فشار و خطر بر منابع زیست محیطی شده است. بنابراین استفاده از مواد ضایعات جامد آلی تحت فرایند تخمیر حالت جامد میتواند راهکاری موثر در جهت حل این معضل باشد.
کلمات کلیدی: تخمیر حالت جامد، بیوراکتور، مدلسازی
مقدمه
تخمیر حالت جامد( SSF) 1، به رشد میکروارگانیسم ها بر روی سوبسترای جامد مرطوب در غیاب آب آزاد اطلاق میشود. در SSF، رطوبت بطور جـذب شـده، پیچیده در شبکه جامد یا در حالت پیوند با مواد جامد است، که این امر مزیت بیشتری برای رشد میباشد زیرا امکان انتقال مؤثرتر اکسیژن را فـراهم مـیآورد. در این نوع تخمیر، مقدار آب بسیار اندک است و میکروارگانیسم برخلاف کشت غوطهور(SmF) 2،تقریباً در تماس با گاز اکسیژن در هـوا مـیباشـد SSF .[1] فرایند مناسبی برای تولید فرآورده هایی است که به روش متداول تخمیر یعنی کشت غوطه ور تولید نمی شوند یا دارای بازده تولید کمتری میباشـند. از جملـه
1
این مواد به فرآوده هایی مانند آنتی بیوتیک ها، سموم دفع آفات، پروتئین افزودنی به خوراک دام و طیور، آنزیمهای صنعتی و سایر مواد شیمیایی میتوان اشـاره کرد.[2] همچنین در فرایندهای زیستی همچون زیست سالم سازی3 و تخریب زیستی ترکیبات سمی مورد استفاده قرار میگیردS .[3]
SF بسیار ساده تر از کشت حالت غوطه ور می باشد و نیاز به انرژی کمتری در طول فرآیند دارد. همچنین میزان محصول آن بیشتر و هوادهی به آسانی صـورت می پذیرد 1]و.[4 سوبسترا و مواد جامد مورد استفاده در این نوع تخمیر دارای هدایت حرارتی پائینی بوده، در نتیجه انتقال حرارت در طـی فراینـد بـه کنـدی صورت می پذیرد. بنابراین عمده ترین مشکل SSF، تجمع گرما در حین فرآیند در اثر فعالیت متابولیکی میکروارگانیسم میباشد .[3] برای توسعه فرآینـد SSF باید به جنبه های مختلف مسئله توجه نمود. از آن جمله می توان بـه انتخـاب میکروارگانیسـم و سوبسـترای مناسـب، بهینـه کـردن عوامـل مـؤثر در فرآینـد، جداسازی و خالص سازی محصول اشاره نمود. اندازه ذرات، رطوبت اولیه، pH و پیش تیمار سوبسترا، رطوبت نسبی، دما، همزدن، هوادهی، سن و اندازه تلقـیح، مکمل های مغذی P)، N، عناصر کم مقدار، مکمل منبع کربن و محرک)، استخراج و تخلیص محصول از جمله عوامل فیزیکیوشیمیایی و بیوشـیمیایی هسـتند .[3]
از نقطه نظر مهندسی بیوشیمی، انتقال جرم و حرارت از جمله اساسی ترین وجه و مهمترین مشکل فرآیند SSF است زیرا در حین تخمیر دمای بستر افـزایش مییابد و این افزایش بر رشد میکروارگانیسم، تولید اسپور و جوانه زدن، تولید محصول و همچنین غلظت اکسیژن اثر نـامطلوب مـیگـذارد. انتقـال حـرارت بـا هوادهی ارتباط مستقیم دارد. از سوی دیگر رطوبت بالا، باعث کاهش تخلخل سوبسترا و در نتیجه مانع از نفوذ میشود. این امر ممکـن اسـت موجـب آلـودگی باکتریایی شود. از سوی دیگر، مقدار کم رطوبت ممکن است منجر به دسترسی کمتر به مواد مغذی و در نتیجه کاهش رشد میکروبـی شـود. بنـابراین فعالیـت آب محیط کشت عامل اساسی در انتقال جرم آب و جزء حل شده، از دیواره سلولی میکروب است .[3]
در انواع مختلف فرمانتورها، روشها و راهکارهایی برای کاهش مقاومت های انتقال جرم و حـرارت صـورت مـی پـذیرد. در بیوراکتورهـای سـینی دار بـا کـاهش ضخامت سوبسترا بر سطح سینی و دمیدن هوای مرطوب و در بیوراکتورهای استوانهای دوار با همزدن سوبسـترا بـر ایـن مشـکل غلبـه مـی شـود. از هـوادهی اجباری در بیوراکتورهای بسترآکنده بهمنظور تأمین اکسیژن و انتقال حرارت مناسب استفاده می شود. تحقیقات تجربی نشان میدهد که شیب دمـایی نسـبت به شیب جرمی (انتقال اکسیژن) محدودیت بیشتری را در عملکرد بیوراکتورهای بستر آکنده در SSF ایجاد مینماید 5] و .[6 در این بیوراکتورهـا سـه حالـت انتقال حرارت (هدایت، جابجایی و خنک کردن تبخیری) وجود دارد که باعث شیب حرارتی در جهت شعاعی و محوری میشوند. خنک کردن تبخیـری، باعـث تبخیر آب در طول بستر میشود که این امر با افزایش دما و ظرفیت حمل آب در هوا در دماهای بالاتر افزایش مییابد .[7]
به منظور پیش بینی مراحل واکنشهای زیستی و نیز شیب غلظت و حرارت برای رسیدن به کمترین شیب و بیشترین شدت واکـنش نیـاز بـه مـدلهای ریاضـی می باشد. این مدلهای ریاضی بر اساس قوانین ترمودینامیکی بقای جرم و انرژی حاصل مـیشـود. مـدلهای ریاضـی بـه عنـوان ابـزاری قدرتمنـد بـرای ارزیـابی بزرگنمایی4 یا افزایش مقیاس بیوراکتورها تلقی می شود .[8] در بعضی از این مدلها (به ویژه در بیوراکتورهای بسترآکنده)، اثر تبخیر در انتقال حـرارت نادیـده گرفته شده است و جابجایی به نحوی است که به نظر میآید جامدات همراه با هوا به حرکت در مـیآینـد 9]و.[10 از سـوی دیگـر تـا سـال 1999 کـه وبـر و همکاران انتقال جرم را در کنار انتقال حرارت در نظر گرفتند، در هیچ یک از مدلهای قبلی انتقال جرم در نظر گرفته نشده است .[11] با توجه به کاستیهـای مدلهای ارائه شده، باید آنها را اصلاح کرد و ارزیابی صحیح مدل ضروری است. در حالی که هیچ یک از مدلهای پیشنهاد شده به خوبی ارزیـابی نشـدهانـد . [8] در مطالعهای قارچ آسپرژیلوس نایجر بعنوان میکروارگانیسم، مدل استفاده شده و معادله کینتیک رشد قارچ بر روی سبوس گندم بدست آمـد. نتـایج حـاکی از آنست که مدل لجستیک خصوصا در ابتدای تخمیر، قادر به بیان کینتیک رشد بطور کامل نمیباشد. از اینرو برای بیان رشد توده زیسـتی در SSF، دو مرحلـه برای مدل رشد در نظر گرفته شد. این دو مرحله شامل مدل نمایی و به دنبال آن مدل لجستیک می باشد. نتایج تجربی در مقیاس آزمایشگاهی نشـان داد کـه مدل دو مرحله ای بخوبی قادر به توصیف رشد نسبت به سایر مدلهای ارائه شده، میباشـد. در ایـن تحقیـق مقایسـهای بـین بیوراکتـور بسـترآکنده معمـولی و زیموتیس در مقیاس آزمایشگاهی صورت پذیرفت و برای بررسی چگونگی تغییرات دما و رطوبت بستر در بیوراکتور بسترآکنده از روابط انتقال حـرارت و جـرم دو بعدی به همراه رابطه کینتیک رشد دو مرحله ای استفاده شد. نتاج بررسیها نشان میدهد در بیوراکتور بسترآکنده معمولی در سرعتهای هوادهی معمـولی، شیب دمایی شدید در جهت محوری و شعاعی به رشد ناهمگون در محیط تخمیر منجر شده و همچنین باعث کاهش مقدار زیادی رطوبت سوبسـترا مخصوصـا در نزدیکی نقطه هوادهی می شود. این در حالیست که استفاده از آب خنککننـده در بیوراکتـور زیمـوتیس باعـث کـاهش سـرعت هـوادهی و حفـظ رطوبـت سوبسترا در سطح مناسب رشد میشود.
این مطالعه پس از مقدمه ای کوتاه درباره انواع مدلسازی، به پدیدههای میکروسکوپی پرداخته و ضـمن نگـاهی اجمـالی بـه مزایـا و معایـب انـواع بیوراکتورهـا، مدلسازی پدیدههای ماکروسکوپی در انواع فرمانتورها تشریح خواهد شد.
2
مدلسازی در SSF
در دهه اخیر پیشرفتهای چشمگیری در زمینه چگونگی طراحی، عملیات، افزایش مقیاس و کنترل بیوراکتورهای SSF بوجـود آمـده اسـت. رمـز موفقیـت در بکارگیری مدلسازی ریاضی، درک پدیده های بیولوژیکی و پدیده های انتقال در داخل سیستم می باشد .[8] مدلهای ریاضـی مختلـف در زمینـه SSF را بـه دو دسته کلی تقسیم می شوند که عبارتند از مدلهای مربوط به پدیدههای مرئی (با تمرکز بر عملیات بیوراکتورها، توصیف فرآیند انتقال حـرارت و جـرم در طـول بستر و تشریح پدیده در سطح یک ذره خاص به روش فوق العاده ساده) و نامرئی ( با تمرکز بر پدیدههای انجام شده بـر سـطح و درون یـک ذره خـاص، بـدون توصیف عملکرد کل بیوراکتور) .[8]
بدیهی است که پدیده های کل بستر و نیز پدیده های داخل ذرات بر عملکرد بیوراکتور SSF تأثیر دارند.در مدلهای بیوراکتـور SSF ، هـدف توضـیح چگـونگی اثرپذیری عملکرد بیوراکتور توسط متغیرهای مختلف عملیاتی است. این متغیرها را می توان برای کمک به کنترل فرآیند دستکاری نمود. مدل ریاضی قادر بـه پیش بینی چگونگی تأثیر شدت جریان، رطوبت و دمای هوای ورودی بر دما و مقدار آب بستر جامد می باشد و پیش بینی تأثیر متغیرهـای سیسـتم بـر رشـد میکروبی و تولید محصول امکان پذیر می باشد. بنابراین مدلهای بیوراکتور شامل مدل های کینتیکی و انتقال / موازنه است. قسمت انتقال مدل، انتقـال جـرم و حرارت را درون و بین فازهای مختلف بیوراکتور توصیف می کند، در حالیکه کینتیک رشد، چگونگی وابستگی شدت رشد میکروارگانیزم به متغیرهای محیطـی را بیان مینماید.[13]
مدلسازی پدیدههای میکروسکوپی ( نامرئی) در SSF
مدلسازی پدیده های میکروسکوپی به دلیل نیاز به توصیف رشد میکروبی و فهم بهتر محدودیت رشد در SSF توسط فرآیندهای میکروسکوپی انجام مـیشـود . بدلیل پیچیدگی ناشی از غیر یکنواخت فضایی، روابط نسبتاً ساده ای برای توصیف کینتیک رشد در بیوراکتورها بکار گرفته می شود و به سادگی از پدیدههـای انتقال میکروسکوپی صرف نظر می شود. در صورتیکه هدف از مدلسازی فهم پدیده های انتقال موضعی باشد، پدیدههای انتقال میکروسـکوپی لحـاظ مـیشـود .[8] اگرچه انواع معادلات کینتیک رشد خطی، نمایی و لجستیک در SSF مورد مطالعه قرار گرفتهاند، اما در اکثر مدلها برای سادگی از معادله لجستیک بـرای توصیف کینتیک رشد استفاده شده است. چون افزایش دما در بسترهای جامد، یکی از مهمترین مشکلات در بیوراکتورهای SSF با مقیاس بالا میباشد، تـأثیر دما بر سینتیک رشد و مرگ در مدلهای مربوط به عملکرد بیوراکتور با یکدیگر تلفیق شده است. بعنوان مثال، زمانیکه از معادله لجسـتیک بـرای بیـان رشـد استفاده میشود، در مدلهای مربوط به کارآیی بیوراکتورها معمولاً شدت رشد ویژه و غلظت های بیشتر تـوده زیسـتی ثابـت نبـوده و تـابعی از دمـای موضـعی میباشند. این توابع معمولاً به صورت تجربی با استفاده از دادههای آزمایشی و به شکل توابع چند جملهای یا نوع آرینوسی تنظیم میگردند .[8] علاوه بر دمـا، رطوبت نیز بر xm' m تأثیر دارد که متأسفانه مطالعات اندکی در این زمینه صورت پذیرفته است.
برای اندازه گیری فعالیت متابولیکی میکروارگانیسم تنها راه موجود اندازه گیری مقدار بیومس میکروارگانیسم نمی باشد، مصرف اکسیژن، تولید دیاکسـیدکربن، استفاده از سوبسترا و تولید آنزیم، متابولیت ها، حرارت، ATP از دیگر روشهای دستیابی به سینتیک رشد می باشد. این در حالی است کـه انـدازهگیـری مقـدار بیومس در SSF بسیار مشکل میباشد. حمیدی و همکاران [12]، به تشریح مدلهای مربوط به پدیدههای میکروسکوپی پرداخته اند.
بیوراکتورهای SSF و مدلسازی پدیدههای ماکروسکوپی
از نظر حجمی بیوراکتورهای فرآیندهای SSF دو دسته اند: مقیاس آزمایشگاهی (مقدار کم محیط کشت جامد از چند گرم تا چند کیلـوگرم) و مقیـاس نیمـه صنعتی و صنعتی (دهها کیلوگرم تا چندین تن مواد اولیه). علی رغم انجام تحقیقات زیاد در طراحی بیوراکتورهـای دسـته اول، تحقیقـات بسـیار حـدودی در مورد بیوراکتورهای دسته دوم انجام شده است .[14] در میان فرمانتورهـای SSF در مقیـاس صـنعتی، فرمانتورهـای نـوع سـینی دار و دوار بـیش از سـایرین استفاده شده اند .[15] دلایل زیادی محدود بودن انواع بیوراکتورهای SSF در مقیاس صنعتی را تشریح می کنند .[14] افزایش مقدار سوبسترا باعـث اشـکال در خروج گرما و نیز فشردگی و ایجاد کانال هوا و چروکیدگی میشود. مقاومت میکروارگانیسم درمقابل همزدن و نیاز آنها به اکسـیژن و دمـا متفـاوت اسـت و امکان از بین رفتن میسلیوم با همزن مکانیکی وجود دارد. بنابراین لایه کشت باید نازک باشد تا انتقال حرارت بخوبی صورت پذیرد. ماهیت سوبسترا و نیـاز یـا عدم نیاز به پیش تیمار، روش مناسب تلقیح و درجه سترون سازی متفاوت است. دستمزد کارگران در هر کشور و وابستگی بعضی از تکنولوژیها به قدرت بـدنی کارگر موثر است. حمل و نقل و جابجایی (پر، خالی و تمیز کردن بیوراکتور) نیز مشکلاتی را مطرح میسازد. مشکلات انتقال جرم و حـرارت ناشـی از هـوادهی ضعیف است و راهکارهای حل آن عبارتند از گردش هوا در اطراف لایه های سوبسترا؛ جریان هوا از میان سوبسترا (بدون همـزدن، همـزدن متنـاوب و همـزدن مداوم) در ادامه به انواع بیوراکتورهای مورد استفاده در فرآیندهای SSF، مزایا و معایب و همچنین مدلسازی هـای انجـام شـده در هـر کـدام از آنهـا خـواهیم پرداخت.
بیوراکتورهای سینیدار استفاده از بیوراکتورهای سینی دار برای تهیه کوجی، به 1000سال قبل در ژاپـن و آسـیای جنـوب شـرقی و احتمـالاً بـه 3000 قبـل در چـین برمـیگـردد.
همچنین تمپه و میسو از غذاهای سنتی و تخمیری هستند که در سینی های کم عمق تهیه می شوند .[15] از میان انـواع فرمانتورهـا همچـون بسـتر آکنـده،
