فرمانتورهای صنعتی و تاثیر در فرایند تخمیر

فرمانتورهای صنعتی، به دو گروه هوازی و بی‌هوازی طبقه‌بندی می‌شوند. فرمانتورهای بی‌هوازی محتاج تجهیزات کمتری هستند ولی فرمانتورهای هوازی تجهیزات بیشتری نیاز دارند. این فرمانتورهای صنعتی عموماً باید مجهز به سیستم‌هایی برای هم زدن و هوادهی باشند. فرمانتورهای بزرگ غالباً از جنس فولاد ضد‌ زنگ (stainless steel) هستند. شکل این فرمانتورها استوانه‌ای بوده و جهت جلوگیری از تجمع میکروب و آلودگی، فاقد زاویه و گوشه می‌باشند (Biofilm).

برای استریل کردن فرمانتورهای صنعتی بخار آب گرم وارد آن می‌شود و همچنین برای سرد کردن، در جداره آن‌ها پوششی برای ورود آب سرد وجود دارد. در فرمانتورهای بزرگ‌تر که تبادل حرارتی کافی نمی‌باشد، علاوه بر پوشش جداره‌های فرمانتور که جریان هوای سرد در آن می‌تواند برقرار شود، لوله‌هایی جهت ورود جریان هوای گرم و سرد وارد فرمانتور می‌شود.

سیستم هوا دهی در فرمانتورهای صنعتی

یکی از سیستم‌های هوادهی در فرمانتورهای صنعتی سیستم Sparger است. Sparger در اصل یک حلقه فلزی واجد حفره می‌باشد که هوا با فشار توسط آن وارد فرمانتور می‌شود. عموماً هوا به صورت حباب‌های کوچکی به فرمانتور وارد می‌شود. بهترین سیستم Sparger سیستمی است که اندازه حباب‌های ایجاد شده توسط آن کوچک باشد. در مخزن‌های کوچک استفاده از سیستم Sparger به تنهایی کافی است. هم زدن داخل فرمانتورهای صنعتی دو نقش دارد.

1. مخلوط شدن حباب‌های گاز درون مایع
2. مخلوط شدن ارگانیسم‌های داخل فرمانتورهای صنعتی

گذشته از این موارد جهت ایجاد شرایط همگن از نظر تغذیه‌ای، مخزن‌های کوچک حاوی اسید و باز نیز به فرمانتور متصل است. در فرمانتورهای صنعتی عموماً شرایط حرارت، PH و میزان دور زدن هم زن یا هوادهی به صورت کامپیوتری کنترل می‌شود. البته سیستم باید به گونه‌ای طراحی شود که بتوان هم به صورت دستی و هم به صورت اتوماتیک و کامپیوتری با آن کار کرد.

کارایی انتقال اکسیژن در فرمانتورهای صنعتی

کارایی انتقال اکسیژن از حباب‌های هوایی که داخل محیط کشت فرستاده می‌شود به دو عامل بستگی دارد که در قسمت زیر به آن‌ها اشاره کرده‌ایم.

1. نسبت سطح حباب‌های هوا به کل حجم هوای ورودی
2. مدت زمان مجاورت حباب‌های هوا در محیط کشت

هرچه اندازه حباب‌ها کوچکتر باشد نسبت سطح کل آنها به حجم کل هوای ورودی افزایش می‌یابد. یکی از راه‌های کاستن از اندازه حباب‌ها، انتقال از یک دوش دارای سوراخ‌های متعدد کوچک، به جای استفاده از یک سوراخ بزرگ برای ورود هوا به داخل محیط است. راه دوم کاهش اندازه حباب‌ها، هم زدن شدید محیط کشت توسط یک هم زن است که علاوه بر کاهش اندازه حباب‌ها دو مزیت دیگر هم دارد.

یکی این که مدت زمان باقی ماندن حباب‌ها در محیط کشت افزایش می‌یابد. بدین ترتیب حباب‌ها در محیط کشت به جای عبور از یک مسیر مستقیم، مسیر مارپیچ را طی می‌نمایند. دیگر آن که هم زدن باعث تسهیل انتقال اکسیژن از مایع به سطح سلول‌ها می‌شود.

برای هم زدن از دو نوع پروانه می‌توان استفاده نمود. یکی معروف به پروانه دریایی است و دیگری پروانه راشتون است. محیط کشت را معمولاً با استفاده از پروانه‌های نوع راشتون به هم می‌زنند، چرا که این پروانه‌ها برای کاهش اندازه حباب‌ها مؤثرتر از پروانه‌های معمولی نوع دریایی هستند. تعداد تیغه‌های پروانه و ابعاد آن‌ها نسبت به ابعاد فرمانتورهای صنعتی، در کارایی انتقال اکسیژن تأثیر قابل توجهی را دارند.

کشت مخمر در حال رشد سریع به مقدار زیادتری اکسیژن نیازمند می‌باشد (به عبارتی به اکسیژن محلول نیازمند است). گاز اکسیژن باید در محیط کشت به صورت محلول درآید تا بتواند با سیستم‌های انتقال الکترون متصل به غشاء تداخل نماید و به این ترتیب کوفاکتورهای نوکلئوتید پیریدینی احیا شده را به شکل اکسید شده در آورد.

مشکلات فرایندهای تبخیری

مشکل اساسی تأمین اکسیژن کافی این است که این گاز در سیستم‌های آبی بسیار نامحلول است. بدیهی است که هرچه دمای محیط افزایش یابد، از حلالیت اکسیژن در آب کاسته می‌شود و همچنین حلالیت اکسیژن در آب با افزایش غلظت سایر مواد حل شده در آب کاهش می‌یابد. میزان حلالیت اکسیژن در محیط کشت را می‌توان با بالا بردن فشار فاز گازی افزایش داد.

دما (درجه سانتی‌گراد)	حلالیت اکسیژن در آب (میلی‌گرم بر لیتر) در 1 اتمسفر فشار
10	10/93
15	9/90
20	8/87
25	8/10
30	7/46
35	6/99
40	6/59

دومین مشکل در بسیاری از فرآیندهای تخمیری و به خصوص در تخمیر میکروارگانیسم‌های رشته‌ای مانند قارچ‌ها و آکتینومیست‌ها، ویسکوزیته فوق العاده زیاد محیط کشت است. در این شرایط، عامل و شاخص کنترل کننده، انتقال اکسیژن از فاز گازی به فاز مایع نمی‌باشد بلکه انتقال اکسیژن محلول به سلول‌ها عامل تعیین کننده است.

فراهم سازی اکسیژن

برای محیط‌های کوچک و کمتر از یک لیتر، فراهم سازی اکسیژن از طریق کشت میکروب‌ها در فلاسک ارلن مایر و قرار دادن آن در محیط در حال حرکت و نوسانات دائمی امکان پذیر است. تکان خوردن ظرف حاوی محیط کشت باعث تسهیل انتقال اکسیژن از فاز گازی به محیط مایع داخل فلاسک می‌شود، مشروط بر این که محیط کشت داخل فلاسک بیش از 10 تا 20 درصد حجم کل فلاسک نباشد.

به این ترتیب قبل از این که محیط دچار کمبود اکسیژن شود، می‌توان به چگالی سلولی معادل 1 تا 2 گرم وزن خشک بر لیتر دست یافت ولی همین که میزان چگالی سلولی از این مقدار فراتر رود، مصرف اکسیژن بیش از میزان انتقال آن به فاز مایع خواهد بود. در محیط کشت‌های بزرگ و یا در شرایطی که به علت تراکم زیاد میکروب‌ها نیاز به اکسیژن بیشتر است، مقدار هوای مورد نیاز محیط کشت را فقط از طریق هوادهی تحت فشار می‌توان تأمین نمود. این کار در عمل با فرستادن جریانی از هوا به داخل محیط کشت انجام می‌شود.

گردآورنده: احسان اندیشمند (مدیر فنی شرکت تولیدی زکریا جهرم)