مراحل التخمر الكحولي
التخمير الكحولي عملية كيميائية تتم عبر أربع مراحل، كما يأتي:
المرحلة الأولى
تسمى الحفاظ على المركب الكحولي (بالإنجليزية: Inoculum Preservation)، وهي المرحلة التي يجري خلالها تكوين المنتج من عملية التمثيل الضوئي الأولية التي تستخدم في إنتاج الطاقة، ومن الجدير بالذكر أنه وخلال هذه المرحلة يعمل النمو وتحول الطاقة وتكوين المنتج معًا بصورة متوازية.
تُعدُّ المرحلة الأولى في تخمر المركب الكحولي هي الحفاظ على المركبات، والغرض منها هو الحفاظ على سلاسل الخلايا لأكبر فترة مُمكنة دون انقسامها، ويتبع الباحثون والعاملون في هذا المجال عِدة طُرق لحفظ المركب، أهمها:
- التخزين بدرجات حرارة منخفضة
يُخزن المُركب الكحولي في درجات حرارة مُنخفضة ما بين 2-6 درجة مئوية، ومن المُمكن تخزينه في الثلاجة في هذه الحالة، وبالرغم من سهولة هذه الطريقة؛ إلا أنها خطيرة نوعًا ما بسبب احتمالية التلوث.
تُخزن مُركبات الكحول في درجات حرارة تحت الصفر ما بين سالب 18 - سالب 8 درجة مئوية، وفي هذه الحالة يتم تجميد السائل الكحولي باستخدام النيتروجين السائل ، ومن ثم إذابة المحلول ببطء عند حاجة الاستخدام، ولكن إن لم تتم الإذابة ببطء وحذر شديدان سيموت أكثر من 95% من خلايا المركب الكيميائي للكحول.
- التخزين بالتجفيف عن طريق التجميد
تُصنف طريقة التجفيف عن طريق التجميد كأفضل طريقة لحفظ المُركب الكحولي، لأنَّه طريقة سهلة وآمنة، ويستخدمها أغلب خبراء التكنولوجيا الحيوية، ولكنها تحتاج لمعدات خاصة.
المرحلة الثانية
تسمى تراكم المركب (بالإنجليزية: Inoculum Build-up)، وهي مرحلة يتكون فيها المنتج من استقلاب الطاقة الأولية، من الجدير بالذكر أن الأحماض الأمينية و حمض الستريك أمثلة على التخمير من النوع الثاني.
يُستخدم في المرحلة الثانية من التخمر الكحولي طُرق لزراعة وتكثيف الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في المُركب، وتعتمد الطريقة الرئيسية على زراعة المُركب في وسط سائل أو صلب، وهنالك اختلافات كبيرة في وقت نمو الكائنات الحية بالمركبات، وهذا يعتمد على طريقة تخزين المُركب، وما يلي توضيح للوقت اللازم لتكاثر الكائنات الحية وتراكمها في المُركبات:
- التخزين بدرجات حرارة منخفضة
تحتاج البكتيريا 6-48 ساعة لتتراكم، بينما تحتاج الفطريات الشعاعية 1-3 أيام، والفطريات 1-5 أيام.
تحتاج البكتيريا 6-24 ساعة لتتراكم، بينما تحتاج الفطريات الشعاعية 1-5 أيام، والفطريات 1-7 أيام.
- التخزين بالتجفيف عن طريق التجميد
تحتاج جمع الكائنات الحية لحوالي 4-10 أيام لتتراكم.
المرحلة الثالثة
تسمى مرحلة ما قبل التخمير (بالإنجليزية: Pre-Fermenter Culture and)، خلال هذه المرحلة يكون هناك تمييز واضح بين التمثيل الغذائي الأولي وتكوين المنتج في التخمير، ومن أبرز الأمثلة على المرحلة الثالثة إنتاج الفيتامينات والمضادات الحيوية.
تُعدُّ مرحلة ما قبل التخمير من المراحل المُهمة جدًا، فقد تؤدي الكمية غير الكافية من التراكمات إلى تأخير تكوين المنتج النهائي، لذي تتم عملية ما قبل التخمير بزراعة التراكمات والتكاثر للكائنات الحية بوسط مُخمر صغير يزيد من حجم الكائنات الحية المُستخدمة، فعلى سبيل المثال للتخمير الفطري يبلغ مقدار تكثيف التراكمات حوالي 5-10% من ناتج المرحلة الثانية.
المرحلة الرابعة
تسمى مرحلة التخمير المركب (بالإنجليزية: Production Fermentation)، وتتكون من حفظ اللقاح وتراكمه وتخمير الإنتاج.
يتم تخمير المركبات الكحولية باستخدام مفاعلات حيوية، وتعتمد كمية الناتج النهائي وجودتها على حجم المفاعل، فالمفاعل الصغير ينتج 1-20 لتر من المركبات المخمرة، بينما المفاعل الكبير ينتج ≥450 لتر من بروتين الخلية الأحادية و الأحماض الأمينية ، والتي تُعتبر المُركب النهائي للكحول.
توجد عدة عوامل جوية داخل المفاعل يجب الحرص على عدم تجاوزها أو إهمالها، وهذه العوامل هي:
- درجة الحرارة في نطاق 25-45 درجة مئوية.
- الضغط في نطاق 0.2-0.5 بار.
- التهوية عن طريق إمداد المركب بالأكسجين (O2).
- تقليب المركب بحوالي 250-350 مرة في الدقيقة للمفاعل الصغير، و 60-120 مرة للمفاعل الكبير.
التخمير الكحولي
يستخدم البشر بعض أنواع الخمائر منذ آلاف السنين، ولكنهم علموا علميًا بوجودها من حوالي مائتي عام فقط، والتخمير عملية بسيطة يتحول بها المُركبات السكرية إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون.
وهذه العملية تحدث كيميائيًا في المُختبرات، ولكنها تحدث داخل جسم الإنسان، فمثلًا عندما يركض عداء لمسافة قصيرة بسرعة كبيرة ستتحول السكريات بجسمه لطاقة عن طريق عمليات التخمر.
