میکروبیولوژی صنعتی – کاربرد میکروب ها در صنعت به زبان ساده


ممکن است با شنیدن کلمه میکروب اولین چیزی که به ذهن ما می‌رسد بیماری باشد. اما از میکروب‌های غیربیماری‌زا می‌توان در فرایندهای مختلف زیست‌شناسی استفاده کرد. برای مثال در مهندسی ژنتیک از میکروب‌ها برای مطالعه ژنوم و تولید پروتئین‌های نوترکیب استفاده می‌شود. در این فرایندها از تعداد کمی باکتری در محیط آزمایشگاه و معمولا برای انجام پروژه‌های تحقیقاتی استفاده می‌شود. اما از میکروب‌ها می‌توان در صنایع نیز استفاده کرد. میکروبیولوژی صنعتی علمی است که چالش‌ها و مزایای استفاده از میکروب‌ها در مقیاس بزرگ و صنایع را بررسی می‌کند.

در میکروبیولوژی صنعتی از رشد و واکنش‌های متابولیسمی باکتری‌ها و قارچ‌ها برای تولید موادغذایی، محصولات دارویی، تولید انرژی، تصفیه فاضلاب، تولید ترکیبات نگه‌دارنده و افزودنی‌های موادغذایی استفاده می‌شود. در ابتدای این مطلب از مجله فرادرس میکروبیولوژی صنعتی را تعریف و انواع میکرواورگانیسم‌های صنعتی را معرفی می‌کنیم. در بخش‌های بعدی نحوه گشت میکرواورگانیسم‌ها در صنعت را توضیح می‌دهیم و در آخر کاربرد میکروبیولوژی صنعتی در داروسازی، صنایع غذایی، تصفیه فاضلاب و تهیه آنزیم‌ها را مرور می‌کنیم.

میکروبیولوژی صنعتی چیست؟

میکروبیولوژی صنعتی شاخه‌ای از بیوتکنولوژی است. در این رشته از میکروب‌ها برای تولید محصولات صنعتی در مقیاس زیاد استفاده می‌شود. میکروبیولوژی صنعتی در صنایع داروسازی، صنایع غذایی و تخمیری، کشاورزی، تولید حلال‌های صنعتی و پاکسازی محیط زیست کاربرد دارد. در این صنایع از میکروب‌ها به ویژه باکتری‌ها و قارچ‌ها برای تولید آنتی‌بیوتیک‌ها، آنزیم‌ها، ویتامین‌ها و سوخت‌های زیستی استفاده می‌شود. برای تولید حداکثر محصول با روش‌های ژنتیکی سویه‌هایی از میکرواورگانیسم‌ها انتخاب می‌شوند که حداکثر بازدهی را دارند.

به علاوه از مهندسی ژنتیک برای تغییر ژنوم میکرواورگانیسم‌ها برای بهینه‌سازی تولید محصول، استفاده می‌شود. از میکروبیولوژی صنعتی در تجزیه ترکیبات آلی، تجزیه پسماندهای صنعتی و ترکیبات سمی، تجزیه نفت، کودهای زیستی و سوخت‌های زیستی کاربرد دارد. در ادامه این مطلب ابتدا ویژگی میکرواورگانیسم‌هایی که در صنعت کاربرد دارند را به همراه انواع محیط‌های کشت صنعتی و سیستم‌های تخریبی توضیح می‌دهیم و در ادامه کاربرد میکروبیولوژی صنعتی را در صنایع مختلف مرور می‌کنیم.

فیلم آموزش میکروبیولوژی صنعتی در فرادرس

کلیک کنید

مشکلات میکروبیولوژی صنعتی چیست؟

کشت میکروب‌ها در مقیاس صنعتی با مشکلاتی همراه است. انتخاب ارزان‌ترین محیط کشت که بیشترین کارایی و رشد میکرواورگانیسم را داشته باشد، یکی از مشکلات میکروبیولوژی صنعتی است. جلوگیری از آلودگی میکروب‌های انتخاب شده با سویه‌های دیگر و ویروس‌ها یکی دیگر از مشکلات میکروبیولوژی صنعتی است. به همین دلیل محیط کشت و تمام ابزارهایی که برای کشت میکرواورگانیسم استفاده می‌شود، باید استریل باشد. آلودگی‌های محیط ممکن است رشد میکروب هدف یا سنتز متابولیت‌ها را مهار کند. خالص‌سازی سویه‌ها در کشت صنعتی میکروب‌ها دشوار است. در این شرایط ممکن است سویه‌های جهش‌یافته با سویه‌های اصلی مخلوط شود.

طراحی روشی ارزان و سریع برای جدا کردن محصولات موردنظر یکی دیگر از مشکلاتی است که میکروبیولوژیست‌ها در صنعت با آن مواجه می‌شوند. محصولات بسیاری از فرایندها پایداری کمی دارند و جداسازی آن‌ها از ترکیبات دیگر محیط کشت و ترکیبات سلولی دشوار است. بعد از تولید محصول، مواد زائده و باقی‌مانده‌های کشت باید با روشی ارزان و بی‌خطر از بین برود. مواد زاسد ترکیبات آلی هستند که اگر بدون تغییر دفع شوند، محیط زیست را آلوده می‌کنند.

میکرواورگانیسم های صنعتی

میکرواورگانیسم‌های صنعتی، میکروب‌هایی که به‌طور طبیعی در محیط اطراف ما وجود دارند یا گونه‌های جهش‌یافته آزمایشگاهی هستند. قارچ‌ها (مخمرها و کپک‌ها) و باکتری‌ها میکرواورگانیسم‌های اصلی هستند که در صنایع مختلف از آن‌ها استفاده می‌شود. به طور کلی میکرواورگانیسم‌هایی که در صنایع استفاده می‌شوند باید ویژگی‌های زیر را داشته باشند.

  • توانایی رشد و تولید محصول در مقیاس زیاد مهم‌ترین ویژگی است که باید در انتخاب میکرواورگانیسم‌ها برای اهداف صنعتی در نظر گرفته شود.
  • سرعت رشد این میکرواورگانیسم‌ها باید زیاد باشد تا در مدت زمان کم حداکثر محصول تولید شود.
  • میکرواورگانیسم‌های صنعتی باید توانایی رشد در محیط‌های ساده و ازران‌قیمت‌تر را داشته باشند. به علاوه در بیشتر صنایع از محیط‌های مایع برای کشت میکربو‌ها استفاده می‌شود. بناتبراین باید میکرواورگانیسم‌هایی که در محیط‌های مایع رشد می‌کنند، انتخاب شوند.
  • میکرواوگانیسم‌های صنعتی نباید پاتوژن‌های انسانی، گیاهی یا جانوری باشند. به دلیل حجم زیاد سلول‌ها در محیط کشت‌های صنعتی، احتمال آلودگی محیط بسیار زیاد و استفاده از پاتوژن‌ها بسیار خطرناک است.
  • میکرواورگانیسم‌های صنعتی باید از بین سویه‌هایی انتخاب شود که امکان تغییرات ژنتیکی آن وجود دارد.

باکتری های صنعتی

آرکئاباکتری‌ها، میکرواورگانیسم‌های پروکاریوتی هستند که در محیط‌های سخت (دمای بسیار پایین، دمای بسیار بالا، محیط به شدن اسیدی، محیط به شدت قلیایی یا محیط‌هایی با غلظت نمک زیاد) رشد می‌کنند و یکی از میکروب‌هایی هستند که مصرف صنعتی دارند. مولکول‌ها و آنزیم‌های این میکرواورگانیسم‌ها در شرایط سخت فرایندهای صنعتی ساختار و عملکرد خود را حفظ می‌کنند. برای مثال «پیروکوس فوریوسوس» (Pyrococcus furiosus) آرکئاباکتری است که در محیط‌هایی با دمای بسیار بالا رشد می‌کند. از این آنزیم DNA پلیمراز این میکرواورگانیسم می‌توان برای تکثیر DNA در واکنش زنجیره پلیمراز استفاده کرد. به علاوه آنزیم‌های آمیلاز و گالاکتوزیداز این میکرواورگانیسم در صنایع غذایی کاربرد دارد.

آنزیم «تک‌پلیمراز» (Taq Polymerase)، DNA پلیمرازی است که از آرکئاباکتری «ترموس آکوآتیکوس» (Thermus Aquaticus) استخراج می‌شوند. ترموس آکوآتیکوس در محیط‌هایی با دمای بسیار بالا رشد می‌کند و از DNA پلیمراز آن برای تکثیر DNA در PCR استفاده می‌شود. DNA لیگاز، آنزیم دیگری است که از این میکرواورگانیسم استخراج و در تکنیک‌های زیست‌شناسی مولکولی استفاده می‌شود.

سیانوباکتری‌ها، گروهی از باکتری‌های فنوسنتزکننده هستند که در محیط‌های متنوعی رشد می‌کنند و در صنایع غذایی برای تولید آمینواسیدها از آن‌ها استفاده می‌شود. «کورینه‌باکتریوم گلوتامیکوس» (Corynebacterium glutamicum) یکی از میکرواورگانیسم‌ها است که برای تولید آمینواسیدهای گلوتامیک‌اسید و لیزین استفاده می‌شود. به علاوه این باکتری برای تجزیه تجزیه استروئیدها و هیدروکربن‌ها کاربرد دارند. گلوتامیک‌اسید یکی از افزودنی‌های صنایع غذایی است، تجزیه استروئیدها در صنایع داروسازی اهمیت زیادی دارد و تجزیه هیدروکربن‌ها به پاکسازی محیط زیست کمک می‌کند.

«گزانتوموناس» (Xanthomonas) یکی از پاتوژن‌های سلول گیاهی است. از این باکتری برای تولید اگزوپلی‌ساکاریدهای اسیدی (پلیمر کربوهیدرات) استفاده می‌شود. نام تجاری این ترکیب چسب گزانتان است و به عنوان تثبیت‌کننده در صنایع غذایی و لوازم آرایشی کاربرد دارد.

قارچ های صنعتی

کپک‌ها و مخمرها، قارچ‌هایی هستند که کاربرد صنعتی دارند. «اپسپرژیلوس» (Aspergillus) شاخه‌ای از کپک‌ها هستند که به چندصد نوع کپک تقسیم می‌شوند. «اسپرژیلوس نایجر» (Aspergillus niger) کپکی است که برای سنتز سیتریک‌اسید در تولید شوینده‌های خانگی، دارو، مواغذایی و لوازم آرایشی استفاده می‌شود. از مخمرها می‌توان در تولید موادغذایی تخمیری، اتانول صنعتی، داروها، محلول‌های صنعتی و مواد ضدعفونی‌کننده استفاده کرد. ساکارومایسس سرویزیه یکی از پرکاربردترین مخمرهای صنعتی است که به دلیل کاربرد زیادی که در تهیه خمیر نان دارد، به آن مخمر نان گفته می‌شود.

متابولیسم میکروب ها

متابولیت‌های باکتریایی ترکیبات حدواسط یا نهایی هستند که در واکنش‌های بیوشیمیایی تولید می‌شوند. این ترکیبات به دو دسته اولیه و ثانویه تقسیم می‌شوند. بعضی از ترکیبات تولیدی در میکروبیولوژی صنعت متابولیت‌های اولیه و بعضی از آن‌ها متابولیت‌های ثانویه هستند. متابولیت‌های اولیه ترکیباتی هستند که در مرحله رشد لگاریتمی باکتری‌ها تولید می‌شوند. این ترکیبات در رشد و فیزیولوژی میکروب‌ها نقش کلیدی دارند و به آن‌ها متابولیت‌های مرکزی گفته می‌شود. ویتامین‌ها، آمینواسیدها، نوکلئوتیدها، پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها و لیپیدها متابولیت‌های اولیه هستند که میکرواورگانیسم برای رشد مصرف می‌کند و اتانول، استون و اسیدهای آلی میتابولیت‌های اولیه هستند که برای تولید انرژی استفاده می‌شوند. سیتریک‌اسید یکی از متابولیت‌های اولیه است که کاربرد صنعتی دارد.

متابولیت‌های ثانویه، ترکیبات آلی هستند که از تغییر متابولیت‌های اولیه در انتهای فاز لگاریتمی یا فاز ایستا تولید می‌شوند. این ترکیبات در رشد و تقسیم سلولی نقش ندارند. بیشتر این ترکیبات در پاسخ میکرواورگانیسم به تغییرات محیطی نقش دارند. برای مثال آنتی‌بیوتیک‌ها و رنگدانه‌ها متابولیت‌های ثانویه هستند که کارکرد دفاعی دارند.

تهیه میکروب های صنعتی

میکرواورگانیسم‌های طبیعی را می‌توان از زیستگاه‌های طبیعی آن‌ها جدا یا از بانک‌های سلولی تهیه کرد. میکرواورگانیسم‌های صنعتی در هوا، آب، خاک، سطح گیاهان و بدن جانوران وجود دارند، اما خاک و گل دریچه‌ها رودخانه‌ها مهم‌ترین منبع استخراج این میکروب‌ها است. زیستگاه جداسازی میکروب‌ها براساس نوع محصول متنوع است. برای مثال اگر هدف از کشت باکتری استخراج آنزیم‌های مقاوم به گرما است، بهترین محل جداسازی میکرواورگانیسم چشمه‌های آب گرم است. روش‌های متفاوتی برای جداسازی باکتری هدف از سایر سویه‌ها وجود دارد. اما با هیچ روش مشترکی نمی‌توان تمام میکرواورگانیسم‌های یک نمونه را جدا کرد. تیمار خاک، استفاده از مهارکننده‌های انتخابی، تغییر pH، دما، موادغذایی و تغییر میزان اکسيژن روش‌های جداسازی میکرواورگانیسم‌ هدف از زیستگاه طبیعی است.

پس از تهیه نمونه، میکرواورگانیسم‌های موردنظر را می توان با غربالگری اولیه و ثانویه جدا کرد. در غربالگری اولیه، میکرواورگانیسم‌هایی که می‌توانند محصول مورد نظر را تولید کنند، بر اساس تست‌های کیفی از سایر میکرواورگانیسم‌ها جدا می‌شوند. در این روش ویژگی‌های جزئی میکرواورگانیسم‌ها بررسی نمی‌شود و بیشتر زمانی استفاده می‌شود که نمونه‌های زیادی برای ارزیابی وجود دارد. این تست‌ها وجود یا عدم وجود یک ویژگی را بررسی می‌کنند. بررسی فعالیت هیدرولازی، تغییرات pH، رشد در محیط کشت جامد، بررسی مورفولوژی کلونی و مشاهده کلونی‌ها زیر میکروسکوپ ازجمله تست‌های غربالگری اولیه هستند.

در غربالگری ثانویه، بهترین میکرواورگانیسم‌ها برای تولید محصول، به‌وسیله روش‌های کیفی و کمی از سایر میکروب‌ها جدا می‌شوند. بررسی فعالیت آنزیمی، اندازه‌گیری میزان متابولیت مورد نظر به‌وسیله اسپکتروفتومتری یا HPLC و اندازه‌گیری میزان گاز تولید شده ازجمله تست‌های غربالگری ثانویه هستند.

توسعه مایه تلقیح

مایه تلقیح محیط کشت حاوی میکرواورگانیسم است که به عنوان منبع سلول در کشت‌های آزمایشگاهی و صنعتی از آن استفاده می‌شود. در مرحله اول تهیه مایه تلقیح، میکرواورگانیسم‌های فعال از محیط کشت اولیه پس از آن به محیط کشت مایع براث منتقل می‌شوند. سپس مایه تلقیح به محیط کشت مناسب اضافه می‌شود. مایه تلقیح را نمی‌توان بلافاصله به بیوراکتورها و فرمانتور بزرگ انتقال داد. به همین دلیل میکروب باید قبل از انتقال به محیط کشت صنعتی در محیط‌های کوچک‌تر تکثیر شود. ۳٪ محیط کشت نهایی باید محیط کشت باشد. برای پیشگیری از طولانی شدن فاز تاخیر رشد باکتری در محیط‌های صنعتی، ترکیبات محیط کشت‌های کوچک نباید اختلاف زیادی با محیط کشت صنعتی داشته باشد.

مایه تلقیح نباید به میکروب‌های دیگر آلوده باشد. برای از بین بردن آلوگی‌های محیط و تجهیزات کشت استریل یا سترون‌ می‌شود. در سترون‌سازی تمام میکروب‌هخای محیط بسته غیرفعال می‌شوند یا از بین می‌رود. بیوراکتورهای صنعتی محیط سیستم‌های بازی هستند که استریل کردن آن‌ها در حسن کشت باکتری نیز ضروری است. استفاده از گرما، اشعه، ترکیبات شیمیایی و فیلتر روش‌های سترون‌سازی هستند که در این بخش از مطلب میکروبیولوزی صنعتی مرور می‌کنیم.

  • گرما: استفاده از گرما ارزان‌ترین و متداول‌ترین روش سترون‌سازی است. برای سترون‌سازی محیط کشت و بیوراکتور از بخار آب (گرما همراه رطوبت) در اتوکلاو و برای سترون‌سازی تجهیزات و ترکیبات جامد مقاوم به گرما از گرمای بدون رطوبت در آون استفاده می‌شود. از این دستگاه‌ها برای سترون‌سازی ابزارهای کوچک‌تر و حجم کم محیط کشت استفاده می‌شود. بیوراکتورهای بزرگ با ورود مستقیم بخار آب به محفظه یا با گرمای غیرمستقیم سترون‌سازی می‌شوند. گرما با دناتوره کردن پروتئین‌های سلولی میکرواورگانیسم‌ها را از بین می‌برد.
  • اشعه: از پرتوهای فرابنفش، پرتوهای گاما و اشعه ایکس برای سترون‌سازی تجهیزات آزمایشگاه استفاده می‌شود. این پرتوها با تجزیه DNA میکرواورگانیسم‌ها را از بین می‌برند. پرتوهای فرابنفش برای سترون‌سازی محیط‌های کوچک و پرتوهای گاما و اشعه X برای سترون‌سازی محیط‌های بزرگ‌تر استفاده می‌شود. برای آگاهی بیشتر و بهتر از پرتوهای فرابنفش می‌توانید مطلب مرتبط را در مجله فرادرس مطالعه کنید.
  • ترکیبات شیمیایی: ترکیبات شیمیایی با اکسید کردن و اضافه کردن گروه‌های آلکیل به پروتئین و DNA میکروب‌ها را از بین می‌برند. فرمالدهید، هیدروژن پراکسید، اتیلن اکسید، پروپیلن اکسید و نیتروژن دی‌اکسید ازجمله محلول‌هایی هستند که در سترون‌سازی استفاده می‌شوند. از این روش می‌توان برای سترون‌سازی تجهیزات حساس به گرما استفاده کرد.
  • فیلتر کردن: فیلتر کردن روش متداولی است که برای سترون‌سازی هوا استفاده می‌شود. فیلترها به دو نوع صافی (عمقی) و سطحی تقسیم می‌شوند. فیلترهای عمقی از مواد رشته‌ای یا پودری به‌هم‌فشرده ارجمله کتان، پشم شیشه، پشم معدنی و فیبرهای سلولزی تشکیل شده است. سرعت پاکسازی این فیلترها از فیلترهای سطحی بیشتر است اما برای پاکسازی هوای مرطوب مناسب نیستند. فیلترهای سطحی از غشای پلیمری مختلف ازجمله سلولز استر تشکیل شده است. فیلترها باید قبل از استفاد استریل شوند.

چگونه میکروبیولوژی صنعتی یاد بگیریم؟

برای یادگیری میکروبیولوژی صنعتی نیاز است که در مورد ویژگی‌های ساختاری، متابولیسم، روش‌های تولید مثل و ویژگی‌های ژنوم میکرواورگانیسم‌ها اطلاعات داشته باشید. اگر می‌خواهید یک میکرواورگانیسم‌ها را برای استفاده در صنعت و تولید محصول بهینه کنید، لازم است ویژگی‌های ژنوم آن را بدانید تا در صورت نیاز تغییراتی در توالی‌ها ایجاد کنید. برای انکه بتوانید آنزیم‌های لازم در صنعت را از میکرواورگانیسم‌ها جدا کنید یا از میکرواورگانیسم‌ها برای تبدیل ترکیبات شیمیایی استفاده کنید، باید در مورد واکنش‌های بیوشیمیایی این موجودات بدانید.

در نهایت اگر می‌خواهید تولید محصول و توده سلولی بهینه‌ای داشته باشید، باید با مراحل رشد باکتری و زمان تولید متابولیت‌های مختلف کاملا آشنا باشید. برای این منظور می‌توانید فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید. در این فیلم‌ها ویژگی‌های کلی میکرواورگانیسم‌ها و مباحث مهم در میکروبیولوژی صنعتی آموزش داده شده است.

  • فیلم آموزش میکروبیولوژی صنعتی فرادرس
  • فیلم آموزش بیوتکنولوژی میکروبی فرادرس
  • فیلم آموزش میکروبیولوژی فرادرس
  • فیلم آموزش میکروبیولوژی متابولیسم میکروارگانیسم ها فرادرس
برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر، روی آن کلیک کنید.

به علاوه اگر به یادگیری بیشتر در مورد انواع میکروبیولوژی علاقه دارید، مشاهده فیلم‌های آموزشی مجموعه آموزش میکروب شناسی و ویروس شناسی فرادرس به شما پیشنهاد می‌شود.

محیط کشت صنعتی

ترکیب محیط کشت نقش مهمی در رشد میکرواورگانیسم‌ها و بازدهی محصول دارد. محیط کشت ترکیبات لازم برای رشد و تولید محصول را در اختیار میکرواورگانیسم قرار می‌دهد. میکرواورگانیسم‌ها به ترکیبات متفاوتی برای رشد نیاز دارند. برای مثال اتوتروف‌ها تمام ترکیبات شیمیایی موردنیاز خود را در واکنش‌های بیوشیمیایی ساده از موادمعدنی تولید می‌کنند. محیط کشت‌های صنعتی به دو دسته پیچیده، غنی یا تعریف‌نشده و سنتزی یا تعریف‌شده تقسیم می‌شوند. محیط پیچیده از مواد اولیه‌ای (ازجمله خون، سرم، عصاره مخمر، بافت گیاهی یا بافت جانوری) تشکیل شده است که نسبت دقیق ترکیبات آن مشخص نیست.

محیط‌های کشت سنتزی از ترکیبات شیمیایی تشگیل می‌شوند که نوع و نسبت آن‌ها مشخص است. در این محیط‌ها سرم گاوی یا سرم انسان وجود ندارد. رشد باکتری‌ها در محیط‌های سنتزی کمتر از محیط‌های پییچده است. اما در محیط‌های سنتزی کف ایجاد نمی‌شود.

محیط کشت پایه از آب، یون‌های معدنی، منبع کربن و منبع نیتروژن تشکیل شده است. منبع کربن ممکن است کربوهیدرات‌ها ازجمله گلوکز یا ترکیبات ساده‌تر ازجمله سوکسینات باشد. یون‌های معدنی عناصر ضروری برای رشد باکتری ازجمله منیزیم، نیتروژن، گوگرد و فسفر را برای سنتز آمینواسیدها و نوکلئوتیدها تامین می‌کنند. به محیط کشت‌های انتخابی ترکیباتی اضافه می‌شود که شرایط رشد یک نوع میکرواورگانیسم را فراهم می‌کند. برای مثال اگه میکرواورگانیسم موردنظر به آنتی‌بیوتیک تتراسایکلین مقاوم است، اضافه شدن این آنتی‌بیوتیک به محیط کشت رشد میکرواورگانیسم‌های دیگر را مهار می‌کند.

به محیط کشت‌های افتراقی ترکیباتی اضافه می‌شود که در واکنش‌های بیوشیمیایی میکرواورگانیسم به ترکیبات رنگی تبدیل می‌شوند. از محیط‌های کشت برای تشخیص میکرواورگانیسم‌های جهش‌یافته یا نوترکیب استفاده می‌شود. اگر به اطلاعات بیشتر در مورد انواع محیط‌های کشت میکرواورگانیسم‌ها نیاز دارید، مشاهده فیلم آموزشی آزمایشگاه میکروبیولوژی ۱ فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است به شما پیشنهاد می‌شود.

  • فیلم آموزش آزمایشگاه میکروبیولوژی ۱ فرادرس

استخراج محصول از محیط کشت

محصول فرایندهای تخمیری قبل از استفاده باید از ترکیبات محیط کشت و باقی‌مانده‌های میکرواورگانیسم‌ها جدا شود. فرایند استخراج محصول از محیط کشت باید از کم‌هزینه باشد، از مراحل کمی تشکیل شده باشد و کارایی زیادی داشته باشد. جدا کردن ذرات، تجزیه سلول‌ها، استخراج، تغلیظ، خالص‌سازی و خشک کردن مراحل استخراج محصول از محیط کشت است.

جدا کردن ذرات

محیط کشت فرایندهای تخمیری معمولا مایع است. به همین دلیل در مرحله اول باید ترکیبات جامد که محصول هم بخشی از آن است را از محیط کشت جدا کنیم. برای این کار می‌توان از فیلتراسیون، سانتریفوژ، فولیکولاسیون استفاده می‌شود. از فیلتراسیون برای جدا کردن باکتری‌ها و قارچ‌های رشته‌ای استفاده می‌شود. در این روش ذرات جامد با فشار زیاد یا در خلا از منافذ ریزی عبور می‌کنند. سرعت فیلتراسیون به سطح فیلتراسیون، ویسکوزیتی محیط کشت و مقاومت ترکیبات فیلتر شده بستگی دارد. سانتریفوژ روشی است که با استفاده از نیروی گریز از مرکز ذرات جامد را از مایع جدا می‌کند. در این روش ذرات جامد در انتهای لوله آزمایش رسوب می‌کنند و مایع روی آن‌ها قرار می‌گیرد.

برای جداسازی باکتری‌های بسیار کوچک از روش فولیکولاسیون استفاده می‌شود. توده‌های سلولی از به هم چسبیدن میکرواوگانیسم‌ها ایجاد می‌شود. برای القای فولیکولاسیون از نمک‌های معدنی، هیدروکلوئیدهای معدنی پلی‌الکترولیت‌های آلی استفاده می‌شود. در ادامه این توده‌های سلولی به‌وسیله سانتریفوژ از محیط کشت جدا می‌شود. اگر فولیکولاسیون نتیجه موردنظر را نداشته باشید، میکرواورگانیسم‌های بسیار ریز به‌وسیله شناورسازی از محیط کشت جدا می‌شوند. در این روش از حباب‌ساز، ایجاد فشار زیاد یا الکترولیز برای ایجاد حباب در محیط کشت استفاده می‌شود. حباب‌ها میکرواورگانیسم‌ها را به سطح محیط کشت می‌آورند و می‌توان آن‌ها را جدا کرد.

تجزیه سلول ها

تجزیه میکرواورگانیسم‌ها به دلیل کوچک بودن سلول، وجود دیواره سلولی و فشار اسمزی بالا در سلول دشوار است. توجه به این نکته که محصول نباید در فرایند تجزیه سلول آسیب ببیند، در انتخاب روش تجزیه بسیار مهم است. برای تجزیه میکرواورگانیسم‌ها می‌توان از روش‌های مکانیکی، خشک کردن یا لیز کردن استفاده کرد. در روش‌های مکانیکی برای به‌هم ریختن ساختار غشای پلاسمایی و دیواره سلولی میکرواورگانیسم‌ها از فشار استفاده می‌شود.

آسیاب کردن و استفاده از هموژنایزر یا سونیکاتور ازجمله روش‌های مکانیکی تجزیه سلول هستند. در روش خشک کردن سلول‌ها در محلول استون سرد غوطه‌ور می‌شوند. در ادامه سلول‌ها با استفاده از محلول‌های نمکی یا بافر از استون جدا می‌شوند. این فرایند ساختار دیواره سلولی باکتری‌ها را به‌هم می‌ریزد. برای لیز کردن سلول‌های باکتریایی و قارچی از ترکیبات شیمیایی (ازجمله نمک و سورفاکتانت‌ها)، شوک اسمزی، فریز کردن یا آنزیم‌ها (ازجمله لیزوزیم) استفاده می‌شود.

استخراج

استخراج فرایند جدا کردن یک یا چند ترکیب از مخلوط ترکیبات دیگر یا سلول و انتقال آن به فاز محلول است. در این فرایند ترکیب مورد نظر از سایر ترکیبات جدا و تغلیظ می‌شود. برای استخراج می‌توان از روش‌های مایع-مایع یا محلول آبی دوفازی استفاده کرد. در روش مایع-مایع از دو حلال که با هم مخلوط نمی‌شوند برای جدا کردن ترکیباتی که انحلال‌پذیری متفاوتی دارند استفاده می‌شود. یکی از این حلال‌ها معمولا آب (قطبی) و دیگری حلال آلی (غیرقطبی) است.

در سیستم محلول آبی دو فازی از دو محلول آبی مخلوط‌نشدنی برای جدا کردن ترکیبات استفاده می‌شود. این سیستم از دو محلول آبی نمکی یا دو محلول آبی پلیمری تشکیل شده است. این دو محلول به دلیل اختلاف pH، دما یا قدرت یونی با هم مخلوط نمی‌شود. انحلال‌پذیری ترکیبات سلولی و محصول در این محلول‌ها متفاوت است. به همین دلیل از این روش می‌توان برای جدا کردن محصول استفاده کرد. برای مثال سیستم پلی‌اتیلن گلایکول-دکستران یکی از سیستم‌های دوفازی است. در این سیستم پلی‌اتیلن گلایکول که هیدروفوب‌تر است بالا و دکستران که هیدروفیل‌تر است پایین قرار می‌گیرد.

تغلیظ

در بخش قبلی مطلب میکروبیولوژی صنعتی توضیح دادیم که بخشی از تغلیظ محصول همراه استخراج انجام می‌شود. برای تغلیظ بیشتر محصول از تبخیر، فیلتراسیون غشایی، روش‌های تبادل یونی و روش‌های جذبی استفاده می‌شود.

خالص سازی

در این مرحله آخرین ترکیبات همراه محصول حذف می‌شود. برای خالص‌سازی از روش بلورسازی یا انواع کروماتوگرافی استفاده می‌شود. بلورسازی معمولا برای خالص‌سازی ترکیباتی با وزن مولکولی کم ازجمله آنتی‌بیوتیک‌ها، سیتریک‌اسید و گلوتامات استفاده می‌شود. از انواع کروماتوگرافی برای خالص‌سازی محصولاتی استفاده می‌شود که ویژگی‌های مشابه دارند. در کروماتوگرافی جذبی محصول بر اساس تمایل تشکیل پیوند آن با ماتریکس جامد (ژل سیلیکا، آلومینا، هیدروکسی آپاتیت یا پلیمرهای آلی) ستون کروماتوگرافی جدا می‌شود.

در کروماتوگرافی تعویض یونی از رزین یا پلی‌ساکاریدهایی که گروه‌های عاملی یونی دارند برای جدا کردن ماکرومولکول‌های باردار ازجمله پروتئین‌ها استفاده می‌شود. در کروماتوگرافی فیلتراسیون ژلی مولکول‌ها بر اساس اندازه از هم جدا می‌شود. در این روش از ژل متخلخل استفاده می‌شود. مولکول‌هایی که اندازه آن‌ها بزرگتر از منافذ است در ژل باقی می‌مانند و مولکول‌هایی که اندازه کوچکتری دارند از ژل خارج می‌شوند.

خشک کردن

در این مرحله محصول برای نگه‌داری آماده می‌شود. برای جلوگیری از ساختار محصول از کمترین دمای ممکن برای خشک کردن استفاده می‌شود. در این مرحله محصول با خشک کردن در خلا، «خشک کردن افشانه‌ای» (Spray Drying) یا «خشک کردن انجمادی» (Freeze Drying) برای نگه‌داری آماده می‌شود. در خشک کردن افشانه‌ای، محلول حاوی محصول در یک محیط گازی با دمای بالا (۱۵۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد) اسپری می‌شود. محیط گازی معمولا هوا است. اما برای حلال‌های قابل اشتعال و ترکیبات حساس به اکسژن از گاز نیتروژن استفاده می‌شود. از این روش می‌توان برای خشک کردن آنتی‌بیوتیک‌ها، آنزیم‌ها و موادغذایی استفاده کرد.

در خشک کردن انجمادی محلول حاوی محصول ابتدا منجمد می‌شود و در مرحله بعد مولکول‌های آب آن در فشار پایین و خلا تصعید می‌شوند. خشک کردن انجمادی متداول‌ترین روشی است که برای بسیاری از فراورده‌های دارویی و غذایی از آن استفاده می‌شود.

سیستم های تخمیر

تخمیر فرایندی است که سلول‌های زنده در شرایط بی‌هوازی برای تولید انرژی استفاده می‌کنند. تخمیر صنعتی یک فرایند بیوشیمیایی است که از باکتری‌ها، مخمرها، کپک‌ها و جلبک‌ها برای تولید محصولات مختلف استفاده می‌شود. محصولات تخمیر میکرواورگانیسم‌های زنده یا مرده، متابولیت‌های میکروبی، آنزیم‌های درون‌سلولی یا خارج سلولی، DNA نوترکیب است. در صنایع با استفاده از میکروبیولوژی، بیوشیمی و ژنتیک مولکولی برای طراحی سیستم‌های تخمیری با بیشترین بازدهی و کمترین هزینه استفاده می‌شود. سیستم‌های تخمیری به انواع غوطه‌‌ور، حالت جامد، هوازی و غیرهوازی تقسیم می‌شوند.

فیلم آموزش میکروبیولوژی صنعتی در فرادرس

کلیک کنید

تخمیر غوطه ور

در تخمیر غوطه‌ور از محیط مایع برای کشت میکرواورگانیسم‌ها استفاده می‌شود. این تخمیر به سه‌ روش «غیرمداوم» (Batch Fermentation) یا بسته، ر«وش مداوم» (Continuous Fermentation) یا باز و روش «غیرمدام با خوراک پیوسته» (Fed-Batch Fermentation) انجام می‌شود.

کشت غیرمداوم

در کشت غیرمداوم حین رشد میکرواورگانیسم محیط کشت به سیستم اضافه نمی‌شود. رشد میکرواورگانیسم‌ها در محیط کشت غیرمداوم به مراحل تاخیر، رشد لگاریتمی، مرحله ایستا و مرگ تقسیم می‌شود. در مرحله تاخیری میکرواورگانیسم با محیط جدید سازگار می‌شود و ترکیبات موردنیاز برای رشد را تولید می‌کند. در مرحله رشد لگاریتمی میکرواورگانیسم به سرعت تقسیم می‌شود و تعداد سلول‌ها افزایش می‌یابد. در مرحله ایستا تعداد میکرواورگانیسم‌ها در محیط کشت تغییر نمی‌کند و در مرحله مرگ تعداد سلول‌هایی که از بین می‌رود از سلول‌های حاصل از تقسیم بیشتر است.

در این مرحله موادغذایی محیط کشت مصرف شده و سلول‌ها منابع لازم برای رشد را ندارند. در این روش محیط کشت به فرمانتور اضافه و همراه فرمانتور استریل می‌شود. سپس دما و pH تنظیم می‌شود. در ادامه مایه تلقیح از لوله دیگری به فرمانتور اضافه می‌شود. پس از مدت زمان معین محصولات از فرمانتور خارج می‌شود. فرمانتور دوباره استریل و محیط کشت جدید برای دور بعدی کشت به آن اضافه می‌شود.

کشت مداوم

در کشت مداوم، محیط کشت به سیستم اضافه می‌شود و محصولات همراه محیط کشت و میکرواورگانیسم‌ها از سمت دیگر خارج می‌شوند. بلافاصله پس از اضافه شدن باکتری به فرمانتورهای کشت مداوم، میکرواورگانیسم وارد مرحله تاخیری می‌شود. پس از سازگار شدن با محیط، فاز لگاریتمی شروع می شود و تا زمان کاهش محصول محدودکننده رشد ادامه دارد. در این حالت میکرواورگانیسم وارد مرحله ایستا می‌شود. در این مرحله تعداد میکرواورگانیسم‌های که از تقسیم به وجود می‌آید با تعداد میکرواورگانیسم‌هایی که از محیط خارج می‌شود برابر است.

کشت غیرمداوم با خوراک پیوسته

در کشت غیرمداوم با خوراک پیوسته، مثل کشت مداوم محیط کشت حین رشد میکرواورگانیسم به سیستم اضافه می‌شود اما مثل کشت غیرمداوم محیط کشت و محصولات همزمان با رشد از سیستم خارج نمی‌شود. به همین دلیل حجم محیط کشت در این سیستم در طول زمان افزایش می‌یابد. در این روش چگالی میکرواورگانیسم‌ها در محیط کشت بیشتر از کشت غیرمداوم است. از این روش می‌توان زمانی استفاده کرد که حجم زیاد مواد اولیه رشد میکرواورگانیسم را مهار می‌کند. از این روش کشت می‌توان برای تولید متابولیت‌های ثانویه استفاده کرد.

تخمیر حالت جامد

در تخمیر حالت جامد، محیط کشت میکرواورگانیسم‌ها (به ویژه قارچ‌ها) از ترکیبات جامد مرطوب تشکیل شده است. در این روش از سبوس گندم، تفاله چای، تفاله چغندر قند و نیشکر و ترکیبات مشابه به عنوان محیط کشت استفاده می‌شود. این ترکیبات قبل از استفاده به عنوان محیط کشت با روش‌های فیزیکی (خرد کردن یا آسیاب کردن)، شیمیایی (هیدرولیز شیمیایی) یا زیستی (تجزیه آنزیمی) به ذرات کوچک‌تر و فشرده تبدیل می‌شوند. این ترکیبات در حین تخمیر چند برابر وزن خشک آب جذب می‌کنند تا آب لازم برای رشد میرکواورگانیسم را تامین کنند.

در این روش مساحت سطح بیشتری برای رشد میکرواورگانیسم وجود دارد. ترکیبات محیط کشت، pH و دمای دستگاه تخمیر باید متناسب با نیازهای هر میکرواورگانیسم تنظیم شود. برای مثال اسپرژیلوس نایجر در محیط‌های کشت دارای سوکروز، سیتریک‌اسید بیشتری تولید می‌کند. این روش بیشتر برای کشت قارچ‌های هوازی اجباری استفاده می‌شود. محیط کشت این سیستم روی صفحه‌های فرمانتور قرار می‌گیرد. این صفحه‌ها ثابت یا متحرک هستند. در جدول زیر مزایا و معایب تخمیر حالت جامد را مرور می‌کنیم.

مزایای تخمیر حالت جامد معایب تخمیر حالت جامد
بازدهی این روش از تخمیر غوطه‌ور بیشتر است. از این روش می‌توان برای کشت میکرواورگانیسم‌هایی استفاده کرد که به رطوبت کم نیاز دارند.
کاهش مقدار آب در این روش، احتمال آلودگی باکتریایی و قارچی محیط کشت را کاهش می‌دهد. تعیین توده سلولی میکرواورگانیسم‌ها در این روش دشوار است.
محیط کشت این سیستم به زیستگاه طبیعی قارچ‌ها نزدیک‌تر است. به همین دلیل بیشتر برای کشت قارچ‌ها استفاده می‌شود. بررسی تغییرات pH، غلظت موادغذایی، رطوبت و اکسيژن به دلیل جامد بودن محیط سخت‌تر از تخمیر غوطه‌ور است.
هوای بیشتری در این سیستم جریان دارد و اکسیژن لازم برای فرایندهای متابولیکی اکسایشی را فراهم می‌کند. در این روش معمولا به مایه تلقیح بیشتری نیاز است.
محیط کشت این روش ساده است و تمام موادغذایی لازم برای رشد میکرواورگانیسم را دارد. تعدیل گرمایی که در فرایند رشد میکرواورگانیسم‌ها تولید می شود در این روش دشوارتر است.
فرمانتورهای تخمیر حالت جامد از فرمانتورهای تخمیر غوطه‌ور کوچک‌تر است و به فضای کمتری نیاز دارد. زمان کشت در این تخمیر بیشتر از حالت غوطه‌ور است.

تخمیر غیرهوازی

اساس فرمانتورهای غیرهوازی شبیه فرمانتورهای هوازی است. اما در این سیستم‌ها نیاز نیست سیستم برای توزیع یکنواخت اکسیژن مرتب همزده شود. در این سیستم فضای خالی بالایی محفظه فرمانتور به جای هوا با گازهای دی‌اکسید کربن، هیدروژن، نیتروژن یا مخلوطی از آن‌ها پر می‌شود. این گازها برای رشد بسیاری از میکرواورگانیسم‌های بی‌هوازی اجباری ضروری است. محصولات این روش تخمیری نیاز نیست در محیط بدون اکسيژن جدا شود. اما باید در نظر داشت بعضی از آنزیم‌های میکرواورگانیسم‌های بی‌هوازی در حضور اکسیژن غیرفعال می‌شوند و برای جدا کردن ان‌ها حتما باید از محیط بدون اکسيژن استفاده کرد.

فرمانتور یا بیوراکتور چیست؟

فرمانتور یا بیوراکتور محفظه بسته‌ای است که برای انجام واکنش‌های شیمیایی و زیستی استفاده می‌شود. این سیستم‌ها را می‌توان بر اساس کارکرد به عنوان سلولی و آنزیمی تقسیم کرد. از بیوراکتورهای سلولی برای کشت میکرواورگانیسم‌ها در مقیاس زیاد استفاده می‌شود. در این سیستم‌ها می‌توان با تنظیم pH، دما، غلظت مواد غذایی و اکسيژن، شرایط بهینه برای رشد میکرواورگانیسم‌ها را فراهم می‌کند. فرمانتورها باید از موادی ساخته شود که نسبت به خوردگی مقاوم باشد، ترکیبات سمی به محیط کشت اضافه نکند، نسبت به بخار آب مقاوم باشد و ساختار آن در فشار بالا و pHهای مختلف تغییر نکند.

حجم فرمانتورها از چند میلی‌لیتر تا چند صد لیتر متغیر است. در بیوراکتورهای آنزیمی، آنزیم‌های متفاوت روی سطح جامد ثابت شده است. از این فرمانتورها برای تصفیه آب، صنایع موادغذایی و تولید سوخت‌های زیستی استفاده می‌شود.

فیلم آموزش بیوتکنولوژی میکروبی در فرادرس

کلیک کنید

اجزای فرمانتور

فرمانتورهای سلولی از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است. محفظه یا «ظرف تخمیر» (Fermenter) بخش اصلی فرمانتور محل رشد میکرواورگانیسم‌ها است که این سلول‌ها را از محیط اطراف جدا می‌کند. این محفظه بیشتر از استیل بی‌رنگ و شیشه ساخته می‌شود. محفظه‌های شیشه‌ای برای کشت میکرواورگانیسم‌ها در مقیاس کمتر و در صنایع کوچک‌تر و محفظه‌های استیل برای کشت میکرواورگانیسم‌ها در مقیاس بیشتر و در صنایع بزرگ‌تر استفاده می‌شود. سیستم‌های گرمایش و سرمایش بخش دیگر فرمانتورها است. سیستم گرمایشی، دمای لازم برای رشد میکرواورگانیسم‌ها داخل محفظه را فراهم می‌کند و سیستم سرمایشی از گرم شدن بیش از حد فرمانتور جلوگیری می‌کند.

سیستم هوادهی یکی دیگر از بخش‌های مهم فرمانتورهای هوازی است. این سیستم در فرمانتورهای بی‌هوازی حذف می‌شود. این سیستم در فرمانتورهای کشت غوطه‌ور از دستگاه حبابساز و همزمن تشکیل شده است. حبابساز سیستم انتقال هوا است و همزمن هوا را به‌طور یکنواخت در محیط کشت پخش می‌کند. لوله‌های تغذیه محیط کشت و ترکیبات تنظیم‌کننده pH را به محفظه اصلی منتقل می‌کنند. این لوله‌ها معمولا از سیلیکون ساخته می‌شود. تشکیل کف یا فوم در فرمانتورهای کشت غوطه‌ور منجر به مرطوب شدن فیلترها و افزایش احتمال الودگی محیط کشت می‌شود.

حسگرهای فرمانتور تشکیل فوم را گزارش می‌کنند. برای از بین بردن فوم می‌توان دور همزمن را کم یا از ترکیبات شیمیایی از ضدفوم استفاده کرد. حسگرهای کنترل دما، غلظت ترکیبات اولیه و محصولات، pH و تراکم توده سلولی بخش دیگری از فرمانتورها است. این حسگرها تغییرات محیط کشت را تشخیص می‌دهند. این فاکتورها در بعضی از فرمانتورها خودکار و در بعضی از آن‌ها به‌وسیله کاربر تنظیم می‌شود.

انواع فرمانتور

در این بخش از مطلب مجله فرادرس تعدادی از فرمانتورهایی که در صنعت بیشتر از آن‌ها استفاده می‌شود را بررسی می‌کنیم. فرمانتور همزن‌دار پیوسته، «فرمانتور بالابرنده هوا» (Airlift Fermentor)، فرمانتور ستون حباب، «فرمانتور بستر شناور» (Fluidized-bed Fermentor)، فرمانتور بستر ثابت و فتوبیوراکتور، انواع بیوراکتوری است که در بخش از مطلب میکروبیولوژی صنعتی توضیح می‌دهیم.

فرمانتور همزن‌دار پیوسته

فرمانتور همزن‌دار پیوسته از یک محفظه استوانه‌ای تشکیل شده است که یک میله فلزی در مرکز آن قرار دارد. این میله به موتوری متصل است که خارج از مخرن قرار دارد. به میله مرکزی یک یا چند پره وجود دارد که با چرخش میله محیط کشت محیط کشت را با اکسیژن مخلوط می‌کند. به علاوه سبب می‌شود موادغذایی به‌طور یکسان در اختیار میکرواورگانیسم‌ها قرار بگیرد. ساخت این فرمانتورها به هزینه کمی نیاز دارد و استفاده از آن برای کاربران راحت است. به همین دلیل متداول‌ترین فرمانتور صنعتی است. قطر و ارتفاع این فرمانتورها معمولا با نسبت ۳ به ۵ طراحی می‌شود.

فرمانتور بالابرنده هوایی

در فرمانتورها بالابرنده هوا، سیستم هوایی محیط کشت مایع را برای چرخش بهتر موادغذایی، انتقال اکسيژن و متعادل کردن نیروی کششی بیوراکتور، به دو ناحیه تقسیم می‌کند. فقط به یکی از نواحی هوادهی می‌شود. از این سیستم برای کشت‌های هوازی استفاده می‌شود. این فرمانتورها برخلاف فرمانتورهای همزمن‌دار پیوسته به پوشش کنترل‌کننده گرما نیاز ندارند.

انواع فرمانتور بالابرنده هوا

فرمانتور ستون حباب

فرمانتور ستون حباب از یک محفظه استوانه‌ای عمودی تشکیل شده است که سیستم (صفحه یا لوله منفذدار) حباب‌ساز در انتهای پایینی آن قرار دارد. حباب‌ها علاوه بر تامین اکسيژن به مخلوط شدن هوا با محیط کشت و توزیع یک‌نواخت موادغذایی در محیط کشت کمک می‌کند. از این فرمانتورها علاوه بر کشت میکرواورگانیسم‌ها می‌توان در صنایع پتروشیمی استفاده کرد. قطر و ارتفاع این فرمانتورها معمولا با نسبت ۴ به ۶ طراحی می‌شود.

فرمانتور بستر شناور

در فرمانتورهای بستر شناور یک گاز یا مایع (ترکیب شناور) با سرعتی از بین ذرات جامد عبور می‌کند که این ذرات را معلق نگه دارد. شکل محفظه این فرمانتورها شبیه فرمانتورهای ستون حباب است اما باریک شدن انتهایی بالایی آن سرعت حرکت ترکیب شناور را کاهش می‌دهد. در انتهای پایینی این فرمانتور صفحه منفذدار حباب‌ساز وجود دارد. به ذرات جامد این فرمانتور ممکن است میکرواورگانیسم‌ها، کاتالیزور یا آنزیم متصل باشد. شناور شدن سلول‌ها در فرمانتور موادغذایی و اکسيژن در دسترس آن‌ها را افزایش می‌دهد.

فرمانتور بستر ثابت

محفظه فرمانتورهای بستر فشرده با ذرات جامدی (معمولا سرامیک، شیشه یا پلاستیک) پر شده است که آنزیم‌ها یا میکرواورگانیسم‌ها داخل یا روی سطح آن‌ها قرار دارد. این ذرات در محیط کشت غوطه‌ور هستند یا محیط کشت با جریان قطره‌ای به آن‌ها اضافه می‌شود. این فرمانتور برای کشت غیرمدام، مداوم و غیرمداوم با خوراک پیوسته کاربرد دارد. محصولات تولید شده به همراه محیط کشت از فرمانتور خارج می‌شود. از این فرمانتورها بیشتر در فرایندهای عصاره‌گیری، رنگ‌گیری، تصفیه آب، واکنش‌های وابسته به کاتالیزور و فرایندهای جداسازی استفاده می‌شود. احتمال آلودشدن محیط کشت و نیروی برشی ایجاد شده در این فرمانتورها کم است اما تمیز کردن و جایگزینی کاتالیزور آن‌ها دشوار است.

فتوبیوراکتور

فتوبیوراکتورها برای کشت میکرواورگانیسم‌های فتوسنتزکننده (میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها) استفاده می‌شود. در این سیستم محفظه فرمانتور زیر نور مستقیم خورشید یا نورمصنوعی قرار می‌گیرد. این فرمانتورها از شیشه یا پلاستیک شفاف ساخته می‌شود. مخزن فتوبیوفرمانتورها از لوله‌ها یا صفحات جذب‌کننده نور تشکیل شده است که اطراف آن‌ها با محیط کشت پر شده است. از این فرمانتورهای برای تولید انرژی از فتوسنتز و ترکیبات آلی ازجمله بتاکاروتن و آستازانتین استفاده می‌شود.

در بعضی از فتوبیوراکتورها از همزن‌های مکانیکی یا حباب‌سازها برای مخلوط کردن محیط کشت استفاده می‌شود. در این فرمانتورها علاوه بر pH و گرما، میزان نور بر اساس نیاز میکرواورگانیسم تنظیم می شود. از فتوبیوراکتورها می‌توان در صنعت داروسازی، برای تولید سوخت زیستی، تولید پلاستیک‌های زیستی، تولید مواد افرودنی در صنایع غذایی، تصفیه آب و کشت هوازی و بی‌هوازی استفاده کرد.

میکروبیولوژی صنعتی در تصفیه فاضلاب

بسیاری از بیماری‌ها از راه آب‌های آلوده به پاتوژن‌ها و ترکیبات سمی منتقل می‌شود. به همین دلیل تصفیه آب قبل از مصرف ضروری است. به‌طور کلی فاضلاب با اضافه شدن پسماندهای صنعتی و خانگی به آب تولید می‌شود. تصفیه آب در سه مرحله حذف ترکیبات جامد، تجزیه باکتریایی و فیلتراسیون نهایی انجام می‌شود. در مرحله اول فاضلاب در یک محفظه انبار می‌شود. در این حالت ترکیبات جامد آن رسوب می‌کند و چربی‌ها و ترکیبات سبک‌تر در بخش‌های بالایی آب قرار می‌گیرد. رسوب در محفظه باقی می‌ماند و مایه رویی به مخزن تجزیه باکتریایی منتقل می‌شود.

فیلم آموزش مبانی میکروبیولوژی زیست محیطی Environmental Microbiology در فرادرس

کلیک کنید

در مرحله دوم ترکیبات زیستی معلق و محلول از آب جدا می‌شود. در این مرحله معمولا از باکتری‌های هوازی استفاده می‌شود. این باکتری‌ها ترکیبات آلی فاضلاب ازجمله کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها را تجزیه می‌کنند. در بعضی از سیستم‌های تصفیه از باکتری‌های معلق و در بعضی از سیستم ها از فیلترهایی که باکتری روی آن ثابت شده است، استفاده می‌شود.

در مرحله سوم از روش‌های متفاوتی برای پاکسازی نهایی فاضلاب قبل از تخلیه به اکوسیستم استفاده می‌شود. در فیلتراسیون شنی، آب از یک فیلتر شنی عبور می‌کند و ذرات جامد باقی‌مانده در آن جدا می‌شود. در این مرحله ممکن است بعضی از موادغذایی ازجمله فسفر و نیتروژن در آب باقی‌مانده باشد. این عناصر ترکیب موادغذایی خاک و آب را تغییر می‌دهند. برای جدا کردن فسفر از باکتری‌هایی استفاده می‌شود که فسفر ذخیره می‌کنند. برای حذف نیتروژن در این مرحله از باکتری‌های مصرف‌کننده نیتروژن استفاده می شود.

برای از بین بردن رسوب مرحله اول می‌توان از باکتری‌ها استفاده کرد. باکتری‌ها از این رسوب به عنوان منبع غذایی استفاده و در بعضی از مواقع متان تولید می‌کنند. گاز متان این فرایند را می‌توان برای تولید برق استفاده کرد. در بعضی از موارد رسوب سوزانده و در بعضی از موارد فشرده و دفن می‌شود. به علاوه رسوب را می‌توان پس از ضدعفونی به عنوان کود در کشاورزی استفاده کرد.

تولید آنزیم در میکروبیولوژی صنعتی

آنزیم‌های میکروبی در بسیاری از صنایع جایگزین کاتالیزورهای شیمیای شده است. آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که در دما، pH و فشار ملایم فعالیت می‌کنند. به همین دلیل فرایندهای آنزیمی انرژی کمتری نسبت به کاتالیزورها مصرف می‌کنند و برای استفاده از آن‌ها نیاز به تجهیزات بسیار مقاوم به خوردگی و گران‌قیمت نیست. به علاوه آنزیم‌ها اختصاصی‌تر از کاتالیزورها عمل و ترکیبات جانبی کمتری تولید می‌کنند. در نتیجه فرایند خالص‌سازی محصول واکنش‌های آنزیمی ساده‌تر است. در بعضی از صنایع از میکرواورگانیسم کامل و در بعضی از صنایع آنزیم‌های جدا شده از میکرواورگانیسم‌ها به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود.

زمانی که از سلول کامل استفاده می‌کنیم، بخشی از انرزی صرف رشد سلول می‌شود، واکنش‌های جانمبی سلول بازدهی تولید محصول را کاهش می‌دهد، شرایط لازم برای رشد باکتری ممکن است با شرایط بهینه برای تولید محصول متفاوت باشد و جدا کردن و خالص‌سازی محصول از ذرات سلولی دشوارتر است.

از آنزیم‌های میکروبی برای تولید لبنیات، فراوری نشاسته، تولید پارچه، تولید غذای حیوانات، نانوایی، شیرینی‌پزی و به عنوان دترجنت در صنایع مختلف استفاده می‌شود. از آنزیم‌هایی که فرایند تولید و خالص‌سازی آن‌ها به هزینه و انرژی بیشتری نیاز دارد در فرمانتورهای آنزیم ثابت استفاده می‌شود. در این فرمانتورها آنزیم روی ذرات جامد خنثی ثابت می‌شود. بیشتر آنزیم‌های صنعتی با روش کشت غیرمداوم در محیط‌های مایع تولید می‌شود. در جدا کردن آنزیم‌ها از محیط کشت باید از روش‌هایی استفاده شود که ساختار آنزیم را تغییر ندهند. باسیل‌ها، آسپرژیلوس‌ها و ساکارومایسزها بیشترین میکرواورگانیسم‌هایی هستند که در تولید آنزیم‌های صنعتی کاربرد دارند. در جدول زیر تعدادی از آنزیم‌هایی که در صنعت استفاده می‌شود به همراه کاربرد آن‌ها آورده شده است.

آنزیم عملکرد کاربرد
آمیلاز تجزیه نشاسته یه مالتوز، گلوکز و دکستران شیرینی‌پزی، آهارگیری پارچه و شفاف‌سازی آب‌میوه
اینورتاز تجزیه سوکروز به گلوکز و فروکتوز شیرینی‌پزی، تولید شربت و آبنبات‌سازی
لاکتاز تجزیه لاکتوز به گلوکز و گالاکتوز تولید لبنیات
پروتئاز تجزیه پروتئین به پپتیدهای کوچک یا آمینواسیدها صنایع چرم‌سازی، تولید چسب مایع و صمغ‌زدایی از ابریشم خام
پکتیناز تجزیه پکتین دیواره سلولی گیاهان شفاف‌سازی آب‌میوه و تبدیل تخم کتان در تولید پارچه لنین

تولید سوخت زیستی در میکروبیولوژی صنعتی

پیدا کردن جایگزین برای سوخت‌های فسلی یکی از دغدغه‌های بشر است. ترکیباتی که در فرایندهای زیستی تولید می‌شوند می‌توانند یکی از این جایگزین‌ها باشند. متان، اتانول، هیدروژن، پروپان، متانول و بوتانول ترکیبات مایع و گازی هستند که از متابولیسم باکتری‌ها تولید و به عنوان سوخت مصرف می‌شوند. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس تولید متان، بتانول، اتانول صنعتی و در فرایندهای تخمیری را توضیح می‌دهیم.

  • تولید متان: برای تولید متان از میکرواوزگانیسم‌های متنوعی استفاده می‌شود که از مواد اولیه متفاوتی استفاده می‌کنند. تولید متان از ترکیبات آلی در سه مرحله انجام می‌شود. در مرحله اول میکرواورگانیسم‌ها ترکیبات آلی ازجمله چربی‌ها، پروتئین‌ها و پلی‌ساکاریدها را به مونومر تجزیه می‌کنند. در مرحله بعدی مونومرها به‌وسیله میکرواورگانیسم‌های بی‌هوازی به اسیدهای آلی (به‌ویژه استیک‌اسید، پروپیونیک‌اسید و بوتیریک‌اسید) تبدیل می‌شوند و در مرحله آخر اسیدهای آلی به آلکان‌ها و دی‌اکسیدکربن تبدیل می‌شوند.
  • تولید بوتانول: بوتانول، بوتیریک‌اسید، استون و ایزوپروپانول صنعتی را می‌توان از تخمیر نشاسته، شیره چغندر قند و ترکیبات سلولزی هیدرولیز شده به‌وسیله باکتری‌های کلستریدیوم تولید کرد. کلستریدیوم‌ها باکتری‌های گرم منفی و بی‌هوازی هستند و اسپورهای مقاوم به گرما تشکیل می‌دهند. از کلستریدیوم استوبوتیلیکوم برای تولید بوتانول و استون، از کلستریدیوم بوتیلیکوم برای تولید بوتانول و ایزوپروپانول و از کلستریدیوم بوتیریکوم برای تولید بوتیریک‌اسید و استیک‌اسید استفاده می‌شود.
  • تولید اتانول صنعتی: اتانول صنعتی از تخمیر سوکروز استخراج شده از نیشکر یا کربوهیدرات‌های ساده به‌وسیله مخمر ساکارمایسز سرویزیه تولید می‌شود.

میکروبیولوژی صنعتی در داروسازی

آنتی‌بیوتیک‌ها مهم‌ترین ترکیبات دارویی هستند که به‌‌وسیله میکرواورگانیسم‌های صنعتی تولید می شوند. آلکالوئیدها، استروئیدها، توکسین‌ها و واکسن‌ها ترکیبات باکتریایی دیگری هستند که کاربردهای درمانی دارند.

بیشتر آنتی‌بیوتیک‌ها متابولیت‌های ثانویه باکتری‌ها و قارچ‌های رشته‌ای هستند که در انتهای مرحله رشد لگاریتمی تولید می‌شوند. بتالاکتاماس مهم‌ترین آنتی‌بیوتیک‌هایی هستند که با کمک میکروبیولوژی صنعتی تولید می‌شوند. بتالاکتاماس‌ها تولید پپتیدوگلایکان دیواره سلولی باکتری را مهار می‌کنند. در نتیجه مقاومت باکتری به ترکیبات آنتی‌باکتریال کاهش می‌یابد و به‌راحتی از بین می‌رود.

پنی‌سیلین یکی از انواع بتالاکتاماس‌ها است که در درمان بسیاری از بیماری‌های عفونی تجویز می‌شود. این آنتی‌بیوتیک به‌وسیله مخمر پنی‌سیلیوم کریزوژنوم تولید می‌شود. برای شکت این مخمرها از کشت غیرمداوم خوراک پیوسته در فرمانتورهای همزمن‌درا یا فرمانتورهای بالابرنده هوا استفاده می شود. پنی‌سیلین پس از تولید به محیط کشت ترشح و معمولا با فیلترهای چرخشی در خلا یا استخراج حلال، از محیط کشت جدا می‌شود.

آلکالوئیدهای ترکیبات نیتروژن‌هادار و کوچکی هستند که در میکرواورگانیسم‌ها و سلول‌های گیاهی تولید می‌شوند. بیشتر این ترکیبات سمی هستند اما بعضی از آن‌ها خواص درمانی دارند. مخمرهای «کلاویسپ» (Claviceps) میکرواورگانیسم‌های تولیدکننده آلکانوئیدها هستند. آلکالوئیدها از حلقه‌های چهارتایی تشکیل شده‌اند که ممکن است به پپتید متصل باشد. به حلقه چهارتایی آلکالوئیدهای برپایه اسید لیزرجیک، یک تری‌پپتید یا الکل آمینی متصل است. این آلکالوسیدیها خاصیت درمانی دارند و برای درمان میگرن و مشکلات سیستم گردش خون استفاده می‌شود. در صنعت از سیستم‌های تخمیری حالت جامد، غوطه‌ور و سلول ثابت برای کشت مخمرهای کلاویسپ و تولید آلکالوئیدها استفاده می‌شود.

تبدیل استرول‌های ساده به استروئیدها یکی دیگر از کاربردهای میکروبیولوژی صنعتی در داروسازی است. از این استروئیدها برای درمان التهاب، آلرژی و بیماری‌های پوستی استفاده می‌شود. از کشت قارچ‌های رشته‌ای ازجمله ریزوپوس، کالوولاریا، فوزاریوم و اسپرژیلوس قارچ‌های و مایکوباکتری‌ها برای تولید استروئیدهای دارویی استفاده می‌شود. این میکرواورگانیسم‌ها دیوسژنین (استرول سیب‌زمینی مکزیکی) یا استیگماسترول (محصول جانبی تولید روغن سویا) را به استروئیدها تبدیل می‌کنند.

علاوه بر کاربردهایی که در ابتدای این بخش توضیح دادیم از میکروبیولوژی صنعتی برای تولید فراورده‌های دارویی پروتئینی استفاده می‌شود. در این فرایندها ژن پروتئین نوترکیب به میکرواورگانیسم منتقل می‌شود و پس از ترجمه پروتئین نوترکیب از محیط کشت و باقی‌مانده‌های سلولی جدا می‌شود. آنزیم‌های DNAase، اریتروپویتین، هورمون‌های رشد، انسولین، اینترفرون‌ها، اینترلوکین‌ها و کلاژن ازجمله پروتسین‌های نوترکیبی است که با استفاده از میکرواورگانیسم‌ها تولید می‌‌شود.

میکروبیولوژی در صنایع غذایی

استفاده از میکرواورگانیسم در صنایع غذایی از قدیمی‌ترین کاربردهای صنعتی میرکواورگانیسم‌ها است. از میکرواورگانیسم‌ها برای تولید موادغذایی لبنی، فراورده‌های گوشتی، فراورده‌های گیاهی و ترکیبات افزودنی استفاده می‌شود. پنیر، کره، ماست، خمیر ترش، کفیر و ماست، محصولات لبنی تخمیری هستند. کاهش آب، تولید اسید و تولید باکتریوسین در این روش‌ها به نگه‌داری بهتر محصول کمک می‌کند. برای تولید محصولات لبنی تخمیری از باکتری‌های تولیدکننده لاکتیک‌اسید استفاده می‌شود. لاکتیک‌اسید پروتئین‌های شیر را به ترکیبات طعم‌دهنده و بودار (به‌ویژه دی‌استیل) تبدیل می‌کند. لازم به ذکر است اگر به یادگیری بیشتر در مورد میکروبیولوژی غذایی علاقه دارید، مشاهده فیلم‌های آموزشی فرادرس در مورد این موضوع به شما پیشنهاد می‌شود.

  • فیلم آموزش میکروبیولوژی مواد غذایی ۱ فرادرس
  • فیلم آموزش میکروبیولوژی مواد غذایی ۲ فرادرس

علاوه بر استفاده از میکرواورگانیسم‌ها در تولید محصولات غذایی، از سلول‌های باکتریایی زنده در تهیه بعضی از موادغذایی استفاده می‌شود. به این باکتری‌ها پروبیوتیک گفته می‌شود که شامل باکتری‌های لاکتیک‌اسید ازجمله لاکتوباسیل اسیدوفیلوس، ال. کاسئی و بیفیدوباکتریوم‌ها می‌شود. این باکتری‌ها به حفظ تعادل فلور میکروبی روده کمک می‌کنند. پروبیوتیک‌ها معمولا به فراورده‌های لبنی اضافه می‌شوند.

ترکیبات آنتی‌اکسیدان، طعم‌دهنده‌ها، ترکیبات رنگی، نکه‌دارنده‌ها، شیرین‌کننده‌ها و ویتامین‌ها، ترکیبات افزودنی صنایع غذایی هستند که با کمک میکروبیولوژی صنعتی تولید می‌شوند. در تولید طعم‌دهنده‌ها از میکرواورگانیسم‌ها برای تبدیل مواد اولیه به ترکیبات طعم‌دهنده استفاده می‌شود. برای مال ساکارومایسزها فرولیک‌اسید را به وانیل، پنی‌سیلیوم‌ها اسیدهای چرب با زنجیره کربنی نتوسط را به متیل کتون‌ها، سودوموناس‌ها تریپتوفان را به اندول و مخمرهای کاندیدا ریسینولئیک‌اسید را به گاما-دی‌کالاکتن تبدیل می‌کند. مخمرهای کاندیدا، لیپومایسز، رودوتورولا و یاروویا و جلبک‌های دیاتوم بیش از ۴۰ درصد وزن خشک خود، لیپید ذخیره می‌کنند. از این میکرواورگانیسم‌ها می‌توان برای تولید لیپیدها استفاده کرد.

میکرواورگانیسم‌ها علاوه بر موادغذایی ترکیبات ضدمیکروبی (اسیدهای آلی، آنزیم‌ها و آنتی‌بیوتیک‌ها) تولید می‌کنند. از اسیدهای آلی به‌ویژه لاکتیک‌اسید و آنزیم لیزوزوم میکرواورگانیسم‌ها به عنوان نگه‌دارنده‌های طبیعی موادغذایی استفاده می‌شود. ویتامین‌ها موادغذایی و مکمل‌ها را می‌توان از بافت‌های گیاهی یا جانوری استخراج یا با کمک میکرواورگانیسم‌های صنعتی تولید کرد. تیامین (ویتامین B1)، ریبوفلاوین (ویتامین B2)، پریدوکسین (ویتامین B6)، کوبالامین (,ویتامین B12)، بیوتین، فولیک‌اسید، L-آسکوربیک‌اسید (ویتامین C)، بتاکاروتن (پیش‌ساز ویتامین A)، ارگوسترول (پیش‌ساز ویتامین D2) و پانتوتنیک‌اسید ویتامین‌هایی است که به کمک میکرواورگانیسم‌ها تولید می‌شود. بعضی از این ویتامین‌ها به‌سیله کشت سلول‌های زنده و بعضی از آن‌ها به‌وسیله فرمانتورهای آنزیمی تولید می‌شود.

جمع‌بندی میکروبیولوژی صنعتی

در این مطلب از مجله فرادرس متوجه شدیم که میکروبیولوژی صنعتی علمی است که استفاده از میکرواورگانیسم‌ها در فرایندهای صنعتی را بررسی می‌کند. همچنین توضیح دادیم که باکتری‌ها و قارچ‌ها میکرواورگانیسم‌هایی هستند که از آن‌ها برای تولید موادغذایی، تصفیه فاضلاب، تولید داروها و تولید سوخت استفاده می‌شود. این میکرواورگانیسم‌ها در دستگاه‌هایی به نام فرمانتور کشت داده می‌شوند و برای کشت آن‌ها می‌توان از محیط کشت مایع یا جامد استفاده کرد. محیط کشت میگرواورگانیسم‌ها باید موادغذایی لازم برای رشد را داشته باشد و دما، pH و اکسیژن آن متناسب با نیازهای میکرواورگانیسم تنظیم می‌شود.

به فرایند تولید محصول از باکتری‌ها در صنعت تخمیر گفته می‌شود. تخمیر می‌تواند در سیستم‌های بسته، سیستم‌های باز و سیستم‌های بسته با خوراک پیوسته انجام شود. در سیستم‌های بسته در تمام طول انجام فرایند میکرواورگانیسم‌ها در محیط کشت ثابتی رشد می‌کنند که موادغذایی آن در حین رشد میکرواورگانیسم‌ کاهش می‌یابد. در سیستم‌های باز، محیط کشت تازه با سرعت ثابت به فرمانتور اضافه می‌شود و به همان مقدار محیط کشت همراه باکتری‌ها از فرمانتور خارج می‌شود. در محیط‌های بسته با خوراک پیوسته، محیط کشت در مواقعی که غلظت یک ماده کاهش یافت به فرمانتور اضافه می‌شود اما محیط کشتی از فرمانتور خارج نمی‌شود.

پس از پایان رشد باکتری، محصول باید از محیط کشت جدا شود. محصول ممکن است محلول در محیط کشت یا در سلول میکرواورگانیسم باشید. برای جدا کردن محصولانی که در سلول میکرواورگانیسم هستند، ابتدا ساختار سلول باید با روش‌های مکانیکی، خشک کردن یا لیز کردن تجزیه شود. در مراحل بعدی محصول تغلیظ و خالص‌سازی می‌شود و برای نگه‌داری آماده می‌شود.

نوشته میکروبیولوژی صنعتی – کاربرد میکروب ها در صنعت به زبان ساده اولین بار در فرادرس – مجله‌. پدیدار شد.