تخمیر حالت جامد

تخمیر حالت جامد (SSF) یک روش تخمیر است که توسط چندین صنعت مانند داروسازی، مواد غذایی، نساجی و غیره برای تولید متابولیت‌های میکروارگانیسم‌ها با استفاده از حمایت جامد به جای محیط مایع استفاده می‌شود. به عنوان رشد میکروب ها بدون فاز آبی با جریان آزاد تعریف می شود.

SSF جایگزینی برای تخمیر غوطه ور برای تولید محصولات با ارزش افزوده مانند آنتی بیوتیک ها، پروتئین تک سلولی، PUFA، آنزیم ها، اسیدهای آلی، آفت کش ها، سوخت زیستی و تولید عطر است. تکیه گاه مورد استفاده به ویژه سبوس غلات، کیک دانه روغنی بدون روغن و سایر مواد به طور یکسان است.

در ابتدا، بیشتر قارچ‌ها در چنین تخمیری مورد استفاده قرار می‌گرفتند (زیرا این میکروارگانیسم‌ها در فعالیت بسیار کم آب بسیار فعال هستند). بعدها، بسیاری از گونه‌های باکتریایی و مخمرها برای انجام چنین تخمیری نیز مورد استفاده قرار گرفتند. فرآیند میکروبیولوژیکی SSF در سال‌های اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است، زیرا می‌توان از آن برای اهداف مختلفی استفاده کرد، که توسط برخی از نویسندگان پشتیبانی می‌شود که حتی مزایای متعددی را نسبت به همتایان مایع خود (تخمیر غوطه‌ور) نشان داده‌اند.

بستر تخمیر حالت جامد (SSF)

فرآیندهای بیوتکنولوژیکی زیادی وجود دارد که شامل رشد ارگانیسم‌ها بر روی بسترهای جامد در غیاب یا تقریباً عدم وجود آب آزاد است. تخمیر حالت جامد (SSF) با بسترهایی سروکار دارد که جامد هستند و دارای سطوح رطوبت کم هستند.
به طور منظم بسترهای جامد مورد استفاده غلات (برنج، گندم، جو و ذرت)، دانه های حبوبات، سبوس گندم، مواد لیگنوسلولزی مانند نی، خاک اره یا براده های چوب و طیف وسیعی از مواد گیاهی و حیوانی هستند. بیشتر این ترکیبات مولکول‌های پلیمری هستند – نامحلول یا کم محلول در آب – اما بیشتر آنها ارزان هستند و به راحتی قابل دستیابی هستند و منبع متمرکزی از مواد مغذی برای رشد میکروبی هستند.

SSF را می توان بر اساس ویژگی های زیر تعریف کرد:

یک ماتریس متخلخل جامد که می تواند زیست تخریب پذیر باشد یا نه، اما با سطح بزرگ در واحد حجم، در محدوده 103 تا 106 متر مربع بر سانتی متر مکعب، برای رشد میکروبی آماده در سطح مشترک جامد/گاز.
ماتریس باید آبی را به میزان یک یا چند برابر وزن خشک خود با فعالیت نسبتاً بالای آب در سطح مشترک جامد/گاز جذب کند تا امکان انجام فرآیندهای بیوشیمیایی بالا را فراهم کند.
مخلوط هوای اکسیژن با سایر گازها و ذرات معلق در هوا باید تحت فشار نسبتاً کم جریان داشته باشد و مخلوط در حال تخمیر مخلوط شود.
فصل مشترک جامد/گاز باید زیستگاه خوبی برای رشد سریع کشت‌های خاص کپک‌ها، مخمرها یا باکتری‌ها، چه در کشت‌های خالص یا مخلوط باشد.
خواص مکانیکی ماتریس جامد باید تحت فشار یا هم زدن ملایم باشد، همانطور که برای یک فرآیند تخمیر معین لازم است. این به ذرات دانه ای یا فیبری کوچک نیاز دارد که تمایلی به شکستن یا چسبیدن به یکدیگر ندارند.
ماتریکس جامد نباید توسط بازدارنده‌های فعالیت‌های میکروبی آلوده شود و باید بتواند مواد غذایی میکروبی موجود مانند کربوهیدرات‌ها (سلولز، نشاسته، قندها)، منابع نیتروژن (آمونیاک، اوره، پپتیدها) و نمک‌های معدنی را جذب یا حاوی آن باشد.

موجودات مورد استفاده در تخمیر حالت جامد (SSF)

اجزای میکروبیولوژیکی SSF می توانند به صورت کشت های خالص منفرد، کشت های قابل شناسایی مخلوط یا میکروارگانیسم های بومی کاملاً مخلوط ایجاد شوند.
برخی از فرآیندهای SSF مانند تولید تمپه (tempeh) و آنتجوم (ontjom)، به رشد انتخابی ارگانیسم‌هایی مانند کپک‌هایی نیاز دارند که برای انجام تخمیر با کمک آنزیم‌های خارج سلولی ترشح شده توسط میکروارگانیسم‌های تخمیری، به رطوبت کم نیاز دارند.
با این حال، باکتری ها و مخمرها، که به رطوبت بیشتری برای تخمیر کارآمد نیاز دارند، می توانند برای SSF نیز استفاده شوند، اما با عملکرد کمتر.

مراحل تخمیر حالت جامد (SSF)

Schematic-of-solid-state-fermenter-for-conversion-of-lignocellulosic-biomass-to-enzymes

SSF معمولاً فرآیندهای چند مرحله ای است که شامل مراحل زیر است:

1. پیش تصفیه مواد خام بستر یا با پردازش مکانیکی، شیمیایی یا بیوشیمیایی برای افزایش دسترسی به مواد مغذی محدود و همچنین برای کاهش اندازه اجزاء، به عنوان مثال، پودر کردن کاه و خرد کردن مواد گیاهی برای بهینه سازی جنبه های فیزیکی مواد غذایی. روند. با این حال، هزینه پیش تصفیه باید با ارزش نهایی محصول متعادل شود.

2. هیدرولیز بسترهای پلیمری در درجه اول، به عنوان مثال، پلی ساکاریدها و پروتئین ها.

3. استفاده از (تخمیر) محصولات هیدرولیز.

4. جداسازی و خالص سازی محصولات نهایی.

با این حال، مشکلات جدی با توجه به اختلاط، تبادل حرارت، انتقال اکسیژن، کنترل رطوبت و شیب pH، مواد مغذی و محصول به عنوان یک نتیجه از ناهمگونی کشت به وجود می‌آیند.

ویژگی اخیر SSF اندازه گیری و کنترل پارامترهای فوق را دشوار، پر زحمت و اغلب نادرست می کند و در نتیجه پتانسیل صنعتی این فناوری را محدود می کند. با توجه به این مشکلات، میکروارگانیسم هایی که برای SSF انتخاب شده اند نسبت به طیف وسیعی از شرایط کشت تحمل بیشتری دارند.

کاربردهای تخمیر حالت جامد (SSF)

تخمیر حالت جامد به عنوان یک فناوری بالقوه برای تولید محصولات میکروبی مانند خوراک، سوخت، مواد غذایی، مواد شیمیایی صنعتی و محصولات دارویی ظهور کرده است. به طور گسترده ای برای تولید چندین آنزیم، اسیدهای آلی، ترکیبات طعم دهنده و غیره استفاده می شود که باید استخراج و خالص شوند و سپس در محصولات مختلف استفاده شوند. کاربرد آن در فرآیندهای زیستی مانند بیولیچینگ، بهره‌برداری زیستی، زیست پالایی، خمیرسازی زیستی و غیره مزایای متعددی را به همراه داشته است.

مزایای تخمیر حالت جامد (SSF)

مزیت اصلی چنین روش هایی این است که حداقل مقدار ضایعات و پساب مایع را تولید می کند و در نتیجه آسیب چندانی به محیط زیست نمی رساند.
تخمیر بستر جامد از جامدات طبیعی ساده به عنوان رسانه استفاده می کند.
تکنولوژی کم، مصرف انرژی کم و نیاز به سرمایه گذاری کمتر.
بدون نیاز به عقیم سازی، آلودگی میکروبی کمتر و پردازش آسان در پایین دست.
استفاده از بقایای کشت و صنعت به عنوان بستر در فرآیندهای SSF یک راه جایگزین و ارزش افزوده برای این بقایای کم یا غیر استفاده شده فراهم می کند.
بازده محصولات نسبتاً بالاست.
طراحی بیوراکتور، فرآیند هوادهی و تصفیه پساب بسیار ساده است.
بسیاری از ضایعات خانگی، صنعتی و کشاورزی را می توان به طور مثمر ثمر در SSF استفاده کرد.

محدودیت های تخمیر حالت جامد (SSF)

میکروارگانیسم هایی که فقط رطوبت کم را تحمل می کنند می توانند استفاده شوند.
نظارت دقیق بر SSF (به عنوان مثال، سطح O2 و CO2، میزان رطوبت) امکان پذیر نیست.
ارگانیسم ها به کندی رشد می کنند و در نتیجه محدودیتی در تشکیل محصول وجود دارد.
تولید گرما مشکلاتی را ایجاد می کند و تنظیم محیط رشد بسیار دشوار است.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.