تقنيات التخمير وعلوم الميكروبات

تقنيات التخمير

ثقافات الميكروبات:
- عزل الكائنات الحية الدقيقة:
  - يتم عزلها من التربة والطمي في الأنهار والبحيرات.
  - تقنية "الشَوْط" (Shotgun technique)
    - يتم عزل عينات من الكائنات الدقيقة الحرة من المواد النباتية والتربة والصرف الصحي والمياه وتيارات النفايات ثم يتم فحصها بحثًا عن السمات المرغوبة.
  - تقنية "ثقافة الإثراء" (Enrichment culture technique)
    - يتم إثراء عينات من العينات البيئية بالركيزة المستهدفة لتشجيع نمو تلك الكائنات الحية التي تتمتع بالسمات المرغوبة.
- مُجَمّعات الثقافات:
  - توفر مُجَمّعات ثقافات الميكروبات مصدرًا غنيًا للكائنات الحية الدقيقة التي قد تكون ذات فائدة.
  - بعض هذه المُجَمّعات تشمل:
    - مجموعة الثقافة الأمريكية المُصنّفة (ATCC)
    - المجموعة الوطنية للثقافات النمطية (NCTC)
  - عادةً ما تتمتع الثقافات المستخدمة في التكنولوجيا الحيوية بالخصائص التالية:
    - تنمو في ثقافة نقية.
    - مستقرة وراثيًا.
    - قابلة للتلاعب الجيني.
    - تنمو بسرعة على مواد خام غير باهظة الثمن.
    - تقتصر حاجتها أو تنعدم إلى الفيتامينات وعوامل النمو الإضافية.
    - كفاءة إنتاج المنتج المستهدف.
    - آمنة وغير ممرضة.
    - سهولة حصادها من وسط التخمير.
    - تنمو بشكل جيد في ظروف قابلة للتطبيق (درجة الحموضة، درجة الحرارة، إلخ).
    - إنتاج منتجات ثانوية محدودة.

صيانة الثقافات:

التخزين على منحدرات الآجار عند 4 درجات مئوية وإعادة زراعتها كل 3 أشهر.
التخزين في ماء البوغ.
- عيوب هذه الطريقة: إنبات البوغ.
التجميد التجفيف (Lyophilization):
- يتم تجميد الثقافات بسرعة في أنبوب صغير أو أمبول، ثم تجفيفها تحت الفراغ، ثم يتم غلقها تحت الفراغ.
- هذه هي أفضل طريقة للحفاظ على الثقافات.
التخزين في الجلسرين عند -70 درجة مئوية في مجمد عميق.
**التخزين تحت النيتروجين السائل ( عند -150 درجة مئوية) **.
ثقافات التربة (أكثر ملاءمة للفطريات).
- يتم تلقيح التربة المعقمة الرطبة بالثقافات الميكروبية ثم يتم حضانتها وتجفيفها في درجة حرارة الغرفة وتخزينها.

المفاعلات الحيوية:

هو جهاز يتم فيه زراعة الكائنات الحية الدقيقة وتحفيزها لتكوين المنتجات المرغوبة.
هو وعاء يتم فيه زراعة الخلايا في ظل ظروف معقمة وظروف بيئية مناسبة.
تعدّ المفاعلات الحيوية حاويات احتواء لأي عملية إنتاج تعتمد على التكنولوجيا الحيوية، سواء كانت لعملية تخمير أو حمض عضوي أو أمينية أو مضادات حيوية أو إنزيمات أو لقاحات أو لمعالجة بيولوجية.
يجب تصميمها لتوفير البيئة المناسبة لتحسين نمو ونشاط التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة المخصصة.
تتجاوز المفاعلات الحيوية من حاويات بسيطة مُزودة بمُحرّكات أو غير مُزودة بمُحرّكات مفتوحة إلى أنظمة متكاملة معقمة معقدة تُشمل مستويات مختلفة من التحكم بواسطة الكمبيوتر المتطور.

معايير المواد المستخدمة في تصميم المفاعلات الحيوية (المخمرات):

يجب أن تكون جميع المواد والمحاليل التي تدخل المفاعل الحيوى مقاومة للتآكل لمنع تلوث العملية بمعادن ضئيلة.
يجب أن تكون المواد غير سامة.
يجب أن تتحمل مواد المفاعل الحيوى التعقيم المتكرر باستخدام بخار مرتفع الضغط.
يجب أن يكون نظام مُحرّك المفاعل ومنافذ الدخول وألواح النهاية قابلة للتشغيل بسهولة وذات صلابة كافية لعدم التشوه أو التكسر تحت الضغط الميكانيكي.
يجب استخدام مواد المفاعل الحيوى الشفافة إن أمكن (للتفتيش البصري).

إرشادات لتحسين نظام المفاعل الحيوي:

يجب تصميم المفاعل الحيوي لضمان عدم دخول الكائنات الحية الملوثة.
يجب أن يبقى حجم الثقافة ثابتًا (بدون تسرب أو تبخر).
يجب الحفاظ على مستوى الأكسجين المذاب، ويتم تحريك الثقافة للكائنات الهوائية.
يجب التحكم في المعايير البيئية مثل درجة الحرارة، درجة الحموضة، إلخ، ويجب خلط حجم الثقافة بشكل جيد.

أنواع المفاعلات الحيوية: حسب التعقيم:

أنظمة غير معقمة: حيث لا يكون من الضروري تمامًا العمل بثقافات نقية.
- أمثلة: تخمير البيرة، أنظمة معالجة المياه العادمة.
أنظمة معقمة: في بعض الأحيان يكون التعقيم شرطًا أساسيًا لنجاح تشكيل المنتج.
- يُشكل هذا النوع من العمليات تحديات كبيرة من حيث البناء الهندسي والتشغيل.
- أمثلة: المضادات الحيوية، الفيتامينات، البوليساكرايدات والبروتينات المُعاد تكوينها.

أنواع المفاعلات الحيوية: حسب متطلبات الأكسجين:

أنظمة هوائية: حيث يتم استخدام الأكسجين وعمود مُحرّك للعمليات الهوائية.
- يمكن أن تكون المفاعلات الحيوية الهوائية خزانات مُزودة بمُحرّكات أو أوعية غير مُزودة بمُحرّكات.
أنظمة لاهوائية: تم استخدام المفاعلات الحيوية اللاهوائية أو المُهضمات لفترة طويلة لمعالجة مياه الصرف الصحي.
- في غياب الأكسجين الحر، تنجح بعض الروابط الميكروبية في تحويل المواد العضوية القابلة للتحلل إلى الميثان وثاني أكسيد الكربون وكتلة حيوية ميكروبية جديدة.

أنواع المفاعلات الحيوية: حسب طريقة التشغيل (طريقة التخمير):

ثقافة دفعة (Batch Culture):
- يتم تلقيح الكائنات الحية الدقيقة في حجم ثابت من الوسط.
- يتم تحريك الوسط، وإضافة العناصر الغذائية والتحكم في ظروف التشغيل.
- يتم إزالة المنتج عندما يصل التخمير إلى الذروة.
- يُستخدم غالبًا لعمليات التخمير قصيرة الأجل.
ثقافة متصلة (Continuous Culture):
- يتم تغذية الوسط إلى المفاعل بشكل مستمر.
- يتم إزالة جزء من ثقافة الخلايا مع الوسط "المُفقَد" من أجل الحفاظ على حجم الثقافة ثابتًا.
- يُستخدم في إنتاج المنتجات التي تتطلب وقتًا طويلًا للنمو.
- يعدّ هذا النظام فعالًا من حيث التكلفة مقارنةًا بث culture دفعة.
ثقافة مُغذي (Fed-Batch Culture):
- يُمكن تعديل هذه الثقافة لعملية تخمير مستمرة عبر إضافة المواد الغذائية.
- يمكن أن تكون أسرع من ثقافة متصلة.
- تُستخدم لزيادة كثافة الخلايا.
نموذج ثقافة (Modeling Culture):
- تُستخدم لنمذجة السلوك الفيزيولوجي للكائنات الحية الدقيقة.
- غالبًا ما يُستخدم لإنشاء نماذج رياضية للنمو ونشاط التمثيل الغذائي.
- تُستخدم هذه المعلومات لتحسين عملية التخمير.