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).
