التخمير الصناعي

تبدأ عملية التخمر بمجرد تلقيح وسط النمو بالكائن الحي المطلوب. لا يحدث نمو الملقح فورًا، بل هي فترة تكيف تُسمى طور الكمون. ^{[ 7 ]} بعد طور الكمون، يزداد معدل نمو الكائن الحي تدريجيًا لفترة معينة، تُعرف هذه الفترة بالطور اللوغاريتمي أو الأسي. ^{[ 7 ]}

بعد مرحلة النمو الأسي، يتباطأ معدل النمو نتيجةً لانخفاض تركيز المغذيات باستمرار و/أو ازدياد تركيز المواد السامة (تراكمها). تُعرف هذه المرحلة، التي يتوقف فيها معدل النمو، بمرحلة التباطؤ. بعد مرحلة التباطؤ، يتوقف النمو وتدخل المزرعة في مرحلة الثبات أو حالة الاستقرار. تبقى الكتلة الحيوية ثابتة، إلا عندما تقوم بعض المواد الكيميائية المتراكمة في المزرعة بتحليل الخلايا كيميائيًا في عملية تُسمى التحلل الكيميائي . ما لم تُلوث كائنات دقيقة أخرى المزرعة، يبقى التركيب الكيميائي دون تغيير. إذا استُهلكت جميع المغذيات في الوسط، أو إذا كان تركيز السموم مرتفعًا جدًا، فقد تُصاب الخلايا بالشيخوخة وتبدأ بالموت. قد لا تنخفض كمية الكتلة الحيوية الإجمالية، ولكن سينخفض ​​عدد الكائنات الحية القادرة على البقاء.

تنمو الميكروبات أو الخلايا حقيقية النواة المستخدمة في التخمير في (أو على) وسط نمو مصمم خصيصًا يوفر العناصر الغذائية اللازمة للكائنات الحية أو الخلايا. توجد أنواع مختلفة من أوساط النمو، ولكنها تحتوي دائمًا على مصدر للكربون، ومصدر للنيتروجين، وماء، وأملاح، وعناصر غذائية دقيقة . في إنتاج النبيذ، يكون وسط النمو هو عصير العنب. أما في إنتاج الإيثانول الحيوي، فقد يتكون وسط النمو في الغالب من أي مصدر كربون رخيص متوفر. ^{[ 8 ]}

عادةً ما تكون مصادر الكربون سكريات أو كربوهيدرات أخرى، مع أن مصدر الكربون في عمليات تحويل الركائز (مثل إنتاج الخل) قد يكون كحولًا أو مادة أخرى تمامًا. في عمليات التخمير واسعة النطاق، كتلك المستخدمة في إنتاج الإيثانول، تُستخدم مصادر كربوهيدرات رخيصة، مثل دبس السكر ، أو سائل نقع الذرة ، أو عصير قصب السكر، أو عصير بنجر السكر، لتقليل التكاليف. أما في عمليات التخمير الأكثر حساسية، فقد يُستخدم الجلوكوز النقي ^{، أو السكروز} ، أو الجلسرين ، أو سكريات أخرى، مما يقلل التباين ويضمن نقاء المنتج النهائي. ويمكن تغذية الكائنات الحية المُخصصة لإنتاج إنزيمات مثل بيتا جالاكتوزيداز ، أو إنفرتاز ، أو أميليزات أخرى، بالنشا لاختيار الكائنات التي تُنتج هذه الإنزيمات بكميات كبيرة.

تُعدّ مصادر النيتروجين الثابتة ضرورية لمعظم الكائنات الحية لتخليق البروتينات والأحماض النووية والمكونات الخلوية الأخرى. وبحسب القدرات الإنزيمية للكائن الحي، يُمكن توفير النيتروجين على شكل بروتين خام، مثل دقيق الصويا؛ أو على شكل ببتيدات مُهضّمة مُسبقًا، مثل الببتون أو التريبتون ؛ أو على شكل أملاح الأمونيا أو النترات. كما تُعدّ التكلفة عاملًا مهمًا في اختيار مصدر النيتروجين. أما الفوسفور، فهو ضروري لإنتاج الفوسفوليبيدات في الأغشية الخلوية ولإنتاج الأحماض النووية . وتعتمد كمية الفوسفات المُضافة على تركيبة الوسط الغذائي واحتياجات الكائن الحي، فضلًا عن هدف التخمر. فعلى سبيل المثال، لا تُنتج بعض المزارع الأيضات الثانوية في وجود الفوسفات. ^{[ 10 ]}

تُضاف عوامل النمو والعناصر الغذائية النادرة إلى مرق التخمير للكائنات الحية غير القادرة على إنتاج جميع الفيتامينات التي تحتاجها. يُعد مستخلص الخميرة مصدرًا شائعًا للعناصر الغذائية الدقيقة والفيتامينات في أوساط التخمير. تتواجد العناصر الغذائية غير العضوية، بما في ذلك العناصر النادرة مثل الحديد والزنك والنحاس والمنغنيز والموليبدينوم والكوبالت، عادةً في مصادر الكربون والنيتروجين غير المكررة، ولكن قد يلزم إضافتها عند استخدام مصادر الكربون والنيتروجين المنقّاة. تميل عمليات التخمير التي تُنتج كميات كبيرة من الغاز (أو التي تتطلب إضافة الغاز) إلى تكوين طبقة من الرغوة، نظرًا لاحتواء مرق التخمير عادةً على مجموعة متنوعة من البروتينات أو الببتيدات أو النشويات التي تُعزز الرغوة. ولمنع تكوّن هذه الرغوة أو تراكمها، يمكن إضافة عوامل مضادة للرغوة . يمكن استخدام أملاح التخزين المؤقت المعدنية، مثل الكربونات والفوسفات، لتثبيت درجة الحموضة بالقرب من المستوى الأمثل. عند وجود أيونات المعادن بتراكيز عالية، قد يكون من الضروري استخدام عامل مُخلِّب .

يُعدّ تطوير بيئة مثالية للتخمير مفهومًا أساسيًا في التحسين الفعال. وتُعتبر طريقة تغيير عامل واحد في كل مرة (OFAT) الخيار المُفضّل لدى الباحثين لتصميم تركيبة الوسط. تتضمن هذه الطريقة تغيير عامل واحد فقط في كل مرة مع الحفاظ على ثبات تركيزات العوامل الأخرى. ويمكن تقسيم هذه الطريقة إلى عدة مجموعات فرعية، منها تجارب الإزالة، حيث تُزال جميع مكونات الوسط واحدًا تلو الآخر وتُراقَب آثارها على الوسط. أما تجارب التكميل فتتضمن تقييم آثار مكملات النيتروجين والكربون على الإنتاج. والتجربة الأخيرة هي تجربة الاستبدال، حيث يتم استبدال مصادر النيتروجين والكربون التي تُظهر تأثيرًا مُحسِّنًا على الإنتاج المُستهدف. وبشكل عام، تُعدّ طريقة تغيير عامل واحد في كل مرة (OFAT) ميزة رئيسية على طرق التحسين الأخرى نظرًا لبساطتها. ^{[ 11 ]}

المستقلبات الأولية هي مركبات تُنتج خلال عملية الأيض الطبيعية للكائن الحي أثناء مرحلة النمو. ومن الأمثلة الشائعة عليها الإيثانول أو حمض اللاكتيك، اللذان يُنتجان خلال عملية تحلل الجلوكوز . كما تُنتج بعض سلالات فطر الرشاشية السوداء حمض الستريك كجزء من دورة حمض الستريك لتحمض بيئتها ومنع المنافسين من السيطرة عليها. وتُنتج بعض أنواع بكتيريا المكورات الدقيقة الغلوتامات ، ^{[ 13 ]} وتُنتج بعض أنواع بكتيريا الوتدية الليسين والثريونين والتريبتوفان وأحماض أمينية أخرى. تُنتج جميع هذه المركبات خلال العمليات الحيوية الطبيعية للخلية وتُطلق في البيئة المحيطة. لذلك، لا حاجة لتمزيق الخلايا لاستخلاص هذه المركبات.

المستقلبات الثانوية هي مركبات تُنتج في الطور الثابت؛ فالبنسلين، على سبيل المثال، يمنع نمو البكتيريا التي قد تنافس فطر البنسيليوم على الموارد. بعض البكتيريا، مثل أنواع اللاكتوباسيلس ، قادرة على إنتاج البكتيريوسينات التي تمنع نمو البكتيريا المنافسة أيضًا. لهذه المركبات قيمة واضحة للإنسان الذي يرغب في منع نمو البكتيريا، سواء كمضادات حيوية أو كمطهرات (مثل غراميسيدين إس ). كما تُنتج مبيدات الفطريات ، مثل غريزوفولفين، كمستقلبات ثانوية. ^{[ 10 ]} عادةً لا تُنتج المستقلبات الثانوية في وجود الجلوكوز أو مصادر الكربون الأخرى التي من شأنها أن تحفز النمو، ^{[ 10 ]} ومثل المستقلبات الأولية، تُطلق في الوسط المحيط دون تمزق غشاء الخلية.

في بدايات صناعة التقنية الحيوية ، كانت معظم المنتجات الصيدلانية الحيوية تُصنع في بكتيريا الإشريكية القولونية ؛ وبحلول عام ٢٠٠٤، أصبح إنتاج المستحضرات الصيدلانية الحيوية في الخلايا حقيقية النواة، مثل خلايا CHO ، أكثر شيوعًا من إنتاجها في الميكروبات، ولكن باستخدام أنظمة مفاعلات حيوية مماثلة . ^{[ ٦ ]} كما دخلت أنظمة زراعة خلايا الحشرات حيز الاستخدام في العقد الأول من الألفية الثانية. ^{[ ١٤ ]}

في تاريخ الغذاء ، تعود عمليات التخمير القديمة، مثل صناعة الخبز والنبيذ والجبن واللبن الرائب والإيدلي والدوسا ، وغيرها ، إلى أكثر من سبعة آلاف عام . ^{[ 16 ]} وقد طُوّرت هذه العمليات قبل أن يعرف الإنسان بوجود الكائنات الدقيقة المستخدمة في التخمير . بعض الأطعمة ، مثل المارميت، هي نتاج ثانوي لعملية التخمير، وتحديدًا في إنتاج البيرة .

يُعد التخمير المصدر الرئيسي ^{[ 17 ]} للإيثانول في إنتاج وقود الإيثانول . وتُخمر محاصيل شائعة مثل قصب السكر والبطاطس والكسافا والذرة بواسطة الخميرة لإنتاج الإيثانول الذي يُعالج لاحقًا ليصبح وقودًا .

في عملية معالجة مياه الصرف الصحي ، تُهضم هذه المياه بواسطة إنزيمات تفرزها البكتيريا. تتحلل المواد العضوية الصلبة إلى مواد غير ضارة قابلة للذوبان وثاني أكسيد الكربون. تُعقّم السوائل الناتجة لإزالة مسببات الأمراض قبل تصريفها في الأنهار أو البحر، أو يمكن استخدامها كأسمدة سائلة. تُجفف المواد الصلبة المهضومة، والمعروفة أيضًا بالحمأة، وتُستخدم كسماد. يمكن استخدام الغازات الناتجة، مثل الميثان، كغاز حيوي لتشغيل المولدات الكهربائية . من مزايا الهضم البكتيري أنه يقلل من حجم مياه الصرف الصحي ورائحتها، مما يقلل المساحة اللازمة للتخلص منها. أما عيبه الرئيسي فهو بطء العملية.

يمكن تخمير مجموعة واسعة من مخلفات الصناعات الزراعية لاستخدامها كغذاء للحيوانات، وخاصة المجترات. وقد استُخدمت الفطريات لتحليل المخلفات السليلوزية لزيادة محتوى البروتين وتحسين الهضم في المختبر . ^{[ 18 ]}