تولید اسید استیک در شرایط بی هوازی

مقدمه

اسید استیک یک اسید آلی پرکاربرد است که به عنوان جزء کلیدی سرکه و یک ماده شیمیایی صنعتی مهم شناخته می شود. فرمول مولکولی آن CH3COOH بوده و طعم ترش و بوی تندی دارد. در گذشته اسید استیک هم از روش های مصنوعی شیمیایی و هم توسط فرآیندهای تخمیری تولید شده است. امروزه بخش عمده عرضه این اسید از مسیرهای پتروشیمیایی مانند کربونیلاسیون متانول تأمین می گردد، اما تولید زیستی آن برای مصارف مواد غذایی (مانند سرکه خوراکی) و کاربردهای دیگر همچنان حائز اهمیت است. در تخمیر، اسید استیک بسته به نوع میکروارگانیسم ها و شرایط، می تواند به صورت هوازی یا بی هوازی تولید شود. تولید اسید استیک در شرایط بی هوازی به معنای ایجاد این اسید بدون حضور اکسیژن است. مسیرهای بی هوازی به دلیل امکان استفاده از منابع تجدید پذیر و عدم نیاز به هوادهی مورد توجه قرار گرفته اند.

شناخت اسید استیک و روش های تولید آن

اسید استیک یک اسید کربوکسیلیک ساده است که نقش مهمی در بسیاری از صنایع از غذا گرفته تا پلاستیک ها ایفا می کند. شناخت نحوه تولید آن به درک اهمیت مسیرهای بی هوازی کمک می کند. به طور صنعتی اسید استیک از دو مسیر اصلی به دست می آید: روش مصنوعی شیمیایی و روش تخمیر میکروبی. روش غالب امروزی روش پتروشیمیایی مانند واکنش کربونیلاسیون متانول (فرآیند مونسانتو یا کاتیوا) است که حدود سه چهارم تولید جهانی را تشکیل می دهد. باقی مانده تولید از طریق فرآیندهای زیستی مانند تخمیر سرکه تأمین می شود. در تولید سنتی سرکه ابتدا قندها توسط مخمر در شرایط بی هوازی به اتانول تبدیل می شوند و سپس باکتری های اسید استیک (که به اکسیژن نیاز دارند) اتانول را در حضور هوا به اسید استیک اکسید می کنند. با این حال، اسید استیک را می توان در یک مرحله تخمیر و بدون حضور اکسیژن نیز تولید کرد. این تولید بی هوازی متکی به باکتری های ویژه ای است که سوبستراها را مستقیماً به اسید استیک تبدیل می کنند. در مقایسه با مسیرهای هوازی، فرآیندهای بی هوازی نیازی به هوادهی نداشته و قادرند طیف گسترده تری از خوراک ها شامل گازها را مورد استفاده قرار دهند. از این رو، درک ارزش این مسیرها به ویژه برای صنایع مرتبط با خرید اسید استیک صادراتی گالنی اهمیت ویژه ای دارد و بررسی سازوکارها و موجودات زنده درگیر در تولید بی هوازی اسید استیک ضرورت پیدا می کند.

شرایط بی هوازی چیست؟

شرایط بی هوازی به محیط هایی گفته می شود که به طور کامل عاری از اکسیژن باشند. در چنین محیط های بدون هوا، موجودات زنده باید برای کسب انرژی به فرآیندهای شیمیایی دیگری تکیه کنند زیرا نمی توانند از اکسیژن به عنوان پذیرنده الکترون استفاده کنند. بسیاری از زیستگاه های طبیعی بی هوازی هستند؛ از جمله خاک های غرقاب، رسوبات عمیق و شکمبه گاو و سایر نشخوارکنندگان. همچنین سیستم های مصنوعی مانند مخازن هضم بیوگاز (هاضم های بیوگاز) به صورت بی هوازی عمل می کنند. در متابولیسم بی هوازی میکروب ها معمولاً از تخمیر یا تنفس بی هوازی برای تجزیه مواد مغذی استفاده می کنند. در غیاب اکسیژن، مسیرهای متابولیک انرژی کمتری به ازای هر مولکول تولید می کنند و در نتیجه، میکروارگانیسم ها ترکیبات آلی مانند اسیدها یا الکل ها را به عنوان محصولات نهایی تولید می کنند. برای مثال مخمرها در نبود اکسیژن قندها را به اتانول و CO2 تخمیر می کنند. اما برخی باکتری ها قادرند قندها و سایر سوبستراها را در طی تخمیر به اسیدهایی مانند اسید لاکتیک، اسید بوتیریک یا اسید استیک تبدیل کنند. حفظ شرایط بی هوازی در یک فرآیند صنعتی نیازمند جلوگیری کامل از ورود هوا با مهر و موم کردن مخازن و گاهی استفاده از گاز بی اثر برای شستشوی فضای آنها است. بسیاری از باکتری های تولیدکننده اسید استیک که مورد توجه هستند بی هوازی اجباری می باشند؛ به این معنا که تنها در غیاب اکسیژن رشد و فعالیت می کنند. بنابراین ایجاد یک محیط کاملاً بی هوازی برای موفقیت آن فرآیندهای تخمیری ضروری است.

مسیرهای زیستی تولید اسید استیک

مسیرهای زیستی گوناگونی وجود دارند که به تولید اسید استیک منجر می شوند و هر یک شامل میکروارگانیسم های متفاوتی هستند. در مسیرهای هوازی، باکتری های مخصوصی که باکتری های اسید استیک مانند Acetobacter نامیده می شوند اتانول را با استفاده از اکسیژن به اسید استیک اکسید می کنند. در مقابل مسیرهای بی هوازی بدون اکسیژن انجام شده و اغلب شامل فرآیند تخمیر هستند. برخی باکتری ها قادرند اسید استیک را به عنوان محصول اصلی تخمیر تولید کنند. مثلاً بعضی باکتری های بی هوازی قندها را از طریق مسیرهایی متابولیزه می کنند که به جای تولید اتانول به عنوان واسطه، مستقیماً اسید استیک را ایجاد می کنند. همچنین، گروهی از میکروب ها که استوژن نامیده می شوند می توانند تحت شرایط بی هوازی اسید استیک را از ترکیبات تک کربنه مانند CO2 یا متانول سنتز کنند. این میکروب ها از مسیرهای متابولیکی منحصر به فردی مانند مسیر وود لیونگدال برای تثبیت CO2 و تبدیل آن به استات بهره می گیرند. در کل چه از طریق تخمیر قندها و چه از طریق کاهش CO2، سیستم های زیستی چندین راه برای تولید اسید استیک فراهم می کنند. هر مسیر از نظر بیوشیمی و نیازهای ارگانیسمی متفاوت هستند اما در نهایت به تجمع استات به عنوان محصول منجر می شود.

تخمیر بی هوازی: تشکیل مستقیم اسید استیک

در شرایط بدون اکسیژن برخی از میکروب ها قادرند مواد آلی را مستقیماً از طریق تخمیر به اسید استیک تبدیل کنند. به عبارتی آن ها از تولید اتانول یا سایر واسطه هایی که معمولاً در فرآیندهای هوازی (مانند تولید سرکه) ایجاد می شوند صرف نظر می کنند. یک مثال کلاسیک از تشکیل مستقیم اسید استیک، تخمیر همواستاتیک است که طی آن یک مولکول گلوکز (قند شش کربنه) به سه مولکول اسید استیک تبدیل می شود. واکنش کلی آن را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

C6H12O6 → 3 CH3COOH

این مسیر تخمیر توسط باکتری های بی هوازی تخصص یافته ای انجام می گیرد که بیشتر کربن موجود در قند را به استات هدایت می کنند. با حذف مرحله تولید اتانول، بهره وری کربن به حداکثر رسیده و اسید استیک بیشتری به ازای واحد سوبسترا حاصل می شود. در عمل، تولید تخمیری مستقیم اسید استیک هنوز هم مقداری محصولات فرعی مانند CO2 یا H2 ایجاد می کند، اما در هیچ مرحله ای نیاز به افزودن اکسیژن ندارد. چنین مسیرهای مستقیمی مورد توجه قرار گرفته اند زیرا از لحاظ نظری این امکان را می دهند که اسید استیک از قندها تنها در یک فرآیند بی هوازی یک مرحله ای تولید شود. البته اجرای موثر این امر مستلزم استفاده از سویه های میکروبی خاص و شرایط کنترلی دقیق است تا تجمع اسید و بازده انرژی مدیریت شود.

باکتری های استوژن و همواستوجنز

باکتری های استوژن (یا همان استوژن ها) گروهی از باکتری های کاملاً بی هوازی هستند که محصول اصلی متابولیسم آن ها استات است. اصطلاح همواستوجنز به فرآیندی گفته می شود که طی آن این میکروب ها سوبستراها را به اسید استیک به عنوان تنها یا اصلی ترین محصول تبدیل می کنند. استوژن ها از این جهت منحصر به فردند که می توانند هم از مواد آلی و هم از گازهای غیرآلی برای تامین انرژی استفاده کنند. بسیاری از استوژن ها قادر به تخمیر قندها هستند و یک مولکول گلوکز را (مانند آنچه قبلاً ذکر شد) به سه مولکول اسید استیک تبدیل می کنند. علاوه بر این، آن ها می توانند به صورت اتوتروف رشد کنند؛ به این معنی که از دی اکسید کربن (CO2) و هیدروژن (H2) به عنوان مواد خام استفاده کرده و آن ها را برای تشکیل اسید استیک با هم ترکیب می کنند. این قابلیت استفاده از گاز از طریق مسیر بیوشیمیایی وود لیونگدال ممکن می شود که CO2 را تثبیت کرده و به مولکول های آلی تبدیل می کند. باکتری های استوژن در محیط های بی اکسیژن گوناگونی مانند خاک، رسوبات و دستگاه گوارش جانوران یافت می شود. از گونه های شناخته شده این دسته می توان به اعضای جنس های Clostridium، Acetobacterium و Moorella اشاره کرد. این موجودات در طبیعت با بازیافت کربن به استات نقش مهمی ایفا می کنند و در راهبردهای تولید بی هوازی اسید استیک نیز عنصر مرکزی به شمار می روند.

میکروارگانیسم های استوژن مهم

گونه های متنوعی از باکتری های استوژن برای توانایی تولید اسید استیک تحت شرایط بی هوازی مطالعه شده اند. این میکروارگانیسم ها به جنس های مختلفی تعلق دارند و در زیستگاه های گوناگونی رشد می کنند، اما همگی در اینکه متابولیسم خود را به سمت تشکیل استات هدایت می کنند وجه مشترک دارند. از شناخته شده ترین استوژن ها می توان به گونه هایی مانند Moorella thermoacetica, Acetobacterium woodii, Clostridium aceticum, Clostridium ljungdahlii و Sporomusa ovata اشاره کرد. M. thermoacetica که پیش تر با نام Clostridium thermoaceticum شناخته می شد یک باکتری گرمادوست است که به عنوان مدل در کشف سازوکار همواستوجنز مورد استفاده قرار گرفت؛ این ارگانیسم می تواند گلوکز را با بازده بالای کربن به اسید استیک تبدیل کند. A. woodii یک استوژن مزوفیل است که به استفاده از مکانیسم انرژی وابسته به سدیم به جای پروتون معروف است و همین امر به آن امکان می دهد با H2 و CO2 رشد کند. C. aceticum نخستین استوژنی بود که در سال ۱۹۴۰ کشف شد و نشان داد CO2 می تواند به طور زیستی به استات کاهش یابد. همچنین C. ljungdahlii به خاطر توانایی تخمیر گاز سنتزی تبدیل CO و ترکیب CO2/H2 به اسید استیک و معمولاً مقدار اندکی اتانول برجسته است. S. ovata نیز به عنوان یک استوژن گرم منفی یکتا است و در سیستم های بیوالکتروشیمیایی برای تولید استات از CO2 به کار گرفته شده است. هر یک از این باکتری ها دما، pH بهینه و حد تحمل اسید مخصوص به خود را دارند. جدول زیر برخی از میکروارگانیسم های کلیدی استوژن و ویژگی های آن ها را خلاصه کرده است:

هضم بی هوازی و اسید استیک

هضم بی هوازی فرآیندی است که در آن مواد آلی پیچیده در غیاب اکسیژن توسط اجتماع میکروارگانیسم ها تجزیه می شوند. این فرآیند معمولاً در تصفیه پسماندها و تولید بیوگاز مورد استفاده قرار می گیرد. در طی مراحل هضم بی هوازی (هیدرولیز، اسیدوژنز، استوژنز و متانوژنز)، اسید استیک یک واسطه کلیدی به شمار می آید. در مرحله استوژنز، باکتری ها اسیدهای آلی و الکل های تولید شده از مراحل قبل را به طور عمده به اسید استیک تبدیل می کنند و به همراه آن هیدروژن و CO2 نیز آزاد می شود. سپس این اسید استیک به عنوان سوبسترا اصلی برای آرکی های متانوژن در مرحله نهایی عمل کرده و به متان تبدیل می شود. بنابراین حضور استات برای تولید بیوگاز ضروری هستند. با این حال اگر متانوژن ها مهار شوند یا فرآیند پیش از مرحله متانوژنز متوقف گردد، اسید استیک می تواند به عنوان محصول نهایی تجمع پیدا کند. در برخی سیستم ها حتی به صورت هدفمند تلاش می شود اسیدهای چرب فرار (مانند استات) از هاضم بی هوازی به عنوان محصولات بیوشیمیایی با ارزش جمع آوری شوند به جای اینکه به متان تبدیل گردند. در هر حالت تولید اسید استیک در شرایط بی هوازی نتیجه طبیعی تجزیه میکروبی مواد آلی است. همچنین کنترل pH و نرخ بارگذاری مواد در هاضمه ها برای تنظیم سطح اسید استیک و تضمین پایداری فرآیند بسیار مهم است.

تخمیرهای کشت مختلط با تولید اسید استیک

در بسیاری از فرآیندهای تخمیر که در آن کشت های میکروبی مختلط یا میکروب های با تخصص کمتر حضور دارند، اسید استیک به عنوان یکی از محصولات به چشم می خورد. در شرایط بی هوازی طیف متنوعی از باکتری ها در کنار سایر متابولیت ها، استات تولید می کنند. برای مثال در تخمیر مختلط اسیدها ویژگی باکتری های روده ای مانند E. coli، قندها به ترکیبی از اسیدها از جمله اسید استیک، اسید لاکتیک و اسید سوکسینیک به علاوه اتانول، CO2 و هیدروژن تخمیر می شوند. همچنین برخی باکتری های مولد اسید لاکتیک هتروفرمنتاتیو هستند؛ به این صورت که گلوکز را به اسید لاکتیک، اتانول، CO2 و نیز مقدار اندکی اسید استیک تخمیر می کنند. باکتری های اسید پروپیونیک (که در رسیدن پنیر کاربرد دارند) لاکتات را به اسید پروپیونیک و اسید استیک تبدیل می کنند. حتی در تخمیرهای بی هوازی سنتی مواد غذایی (مثل تهیه کلم ترش یا کیمچی)، اسید استیک اغلب به همراه سایر اسیدهای آلی تجمع می یابد و به طعم و ماندگاری محصول نهایی کمک می کند. بنابراین اسید استیک یک محصول جانبی رایج در تخمیرهای گوناگون است. اگرچه این فرآیندهای مخلوط اسید استیک را به صورت انحصاری تولید نمی کنند، اما نشان می دهند که در متابولیسم بی هوازی، هرگاه میکروب ها ترکیبات پرانرژی را بدون اکسیداسیون کامل تجزیه کنند، استات به آسانی شکل می گیرد.

تولید بی هوازی در برابر تولید هوازی اسید استیک

اسید استیک هم به روش بی هوازی و هم به روش هوازی قابل تولید است، اما میان این دو رویکرد تفاوت های قابل توجهی وجود دارد. تولید اسید استیک با استفاده از تخمیر هوازی را می توان در فرآیند سرکه سازی مشاهده کرد: ابتدا مخمرها قندها را تحت شرایط بی هوازی به اتانول تخمیر می کنند و سپس باکتری های اسید استیک (که به اکسیژن نیاز دارند) اتانول را در حضور هوا به اسید استیک اکسید می کنند. این روش دو مرحله ای می تواند به غلظت های بالای اسید استیک دست یابد (در تخمیر سرکه تا حدود ۱۵–۲۰٪) زیرا باکتری های اسید استیک در حضور اکسیژن تحمل بالایی نسبت به اسیدیته محیط دارند. در مقابل تولید بی هوازی مانند تخمیر مستقیم توسط باکتری های استوژن عموماً غلظت بسیار کمتری از اسید استیک در محیط ایجاد می کند (اغلب تنها چند درصد)، چرا که باکتری های بی هوازی نسبت به pH پایین حساس هستند. فرآیندهای هوازی معمولاً نرخ واکنش سریع تری دارد، چون میکروب ها با استفاده از اکسیژن انرژی بیشتری از هر واحد سوبسترا به دست می آورند. در مقابل فرآیندهای بی هوازی مزایایی دارند مانند عدم نیاز به هوادهی (که هزینه ها و خطرات هوادهی را برطرف می سازد) و امکان بهره گیری از گازها یا خوراک هایی که باکتری های هوازی قادر به مصرف آن ها نیستند. خلاصه اینکه مسیرهای هوازی در حال حاضر برای تولید اسید استیک (به ویژه در صنعت سرکه) بهره ورتر هستند، در حالی که مسیرهای بی هوازی روش های جایگزینی را ارائه می کنند که در زمینه های خاص یا اهداف زیست محیطی از اهمیت برخوردارند.

خوراک های مورد استفاده در تولید بی هوازی اسید استیک

یکی از مزیت های مهم در تولید بی هوازی اسید استیک، انعطاف پذیری در نوع خوراک (سوبسترا) مورد استفاده است. باکتری های استوژن از نظر متابولیکی بسیار متنوع عمل می کنند و قادرند گستره وسیعی از مواد اولیه را به استات تبدیل کنند. قندهای ساده ای مانند گلوکز، فروکتوز و زایلوز (به دست آمده از منابع زیست توده نظیر ذرت، نیشکر یا هیدرولیز لیگنوسلولز) می توانند به صورت بی هوازی به اسید استیک تخمیر شوند. همچنین پلی ساکاریدهایی چون نشاسته را می توان به قندها تجزیه کرد و به عنوان خوراک در اختیار استوژن ها قرار داد. افزون بر کربوهیدرات ها، برخی مسیرهای بی هوازی امکان استفاده از سوبستراهای تک کربنه را نیز فراهم می کنند. بسیاری از استوژن ها قادرند دی اکسید کربن (CO2) را به عنوان منبع کربن مصرف کرده و با کاهش آن توسط هیدروژن (H2) اسید استیک بسازند. برخی گونه ها حتی مونوکسید کربن (CO) را که جزئی از گاز سنتزی است تخمیر می کنند. افزون بر این ها سوبستراهایی مانند متانول یا یون فرمات نیز توسط میکروب های خاصی به استات تبدیل می شوند. این تنوع بدان معناست که خوراک مورد استفاده می تواند شامل گازهای زائد صنعتی مانند جریان های CO2 یا گاز سنتزی حاصل از گازی سازی توده زیستی و همچنین بقایای کشاورزی و سایر مواد تجدید پذیر باشد. با تکیه بر چنین ورودی های گوناگونی، روش های بی هوازی قادر خواهند بود منابع پایدار و کم هزینه را برای تولید اسید استیک به کار گیرند.