فرآیند بیولوژیکی تولید اسید استیک (تخمیر)

مقدمه ‌ای بر تولید بیولوژیکی اسید استیک

اسید استیک یک ترکیب شیمیایی آلی با کاربردهای فراوان در صنایع مختلف از جمله غذایی ، دارویی و نساجی است. این ماده به عنوان چاشنی در سرکه پیش ‌ماده در سنتز پلیمرها و حلال در بسیاری از واکنش ‌ها مورد استفاده قرار می ‌گیرد. روش ‌های سنتی تولید اسید استیک در کنار روش های صنعتی تولید اسید استیک عمدتاً مبتنی بر فرآیندهای شیمیایی هستند که مستلزم شرایط سخت و تولید حجم زیادی از پسماندهای مضر می‌ باشند. در مقابل تولید بیولوژیکی اسید استیک روشی پایدارتر و دوستدار محیط زیست است که از تخمیر میکروبی استفاده می‌ کند. این روش از منابع تجدیدپذیر بهره برده و با کاهش آلودگی محیط زیست گزینه ای مناسب برای تولید این ماده ‌ی مهم محسوب می ‌شود.

اسید استیک و کاربردهای آن

اسید استیک با فرمول شیمیایی CH₃COOH یک ترکیب آلی ساده از خانواده کربوکسیلیک اسیدهاست. این مایع بی ‌رنگ ، با بوی تند و مشخص به عنوان جز اصلی سرکه شناخته می ‌شود. ساختار آن شامل یک گروه متیل (CH₃) متصل به یک گروه کربوکسیل (COOH) است. خواص فیزیکی اسید استیک شامل نقطه جوش بالا (118 درجه سانتیگراد) و حلالیت بالا در آب است. از نظر شیمیایی اسید ضعیفی است که در واکنش ‌های اسید-باز شرکت می ‌کند. کاربردهای اسید استیک گسترده است : در صنعت غذا به عنوان چاشنی و طعم ‌دهنده ، در داروسازی به عنوان پیش ‌ماده‌ سنتز داروها و در صنعت شیمیایی به عنوان حلال و ماده اولیه ‌ سنتز پلیمرها و سایر ترکیبات شیمیایی. تولید صنعتی آن با روش ‌های شیمیایی و بیولوژیکی صورت می‌ گیرد.

روش ‌های تولید اسید استیک : شیمیایی در مقابل بیولوژیکی

تولید اسید استیک به دو روش شیمیایی و بیولوژیکی انجام می‌ شود. روش شیمیایی معمولاً از اکسیداسیون اتانول یا متانول استفاده می‌ کند که فرآیندی با بازده بالا اما پرمصرف انرژی و تولیدکننده‌ ی آلاینده‌ های زیست‌ محیطی است. در مقابل روش بیولوژیکی با استفاده از تخمیر باکتریایی مواد اولیه‌ی کربنی نظیر اتانول یا قندها اسید استیک تولید می ‌کند. این روش روشی دوستدار محیط زیست و با استفاده از منابع تجدیدپذیر است ولی سرعت تولید کمتر و بازده پایین ‌تری نسبت به روش شیمیایی دارد. انتخاب روش مناسب به فاکتورهایی چون مقیاس تولید ، دسترسی به مواد اولیه و ملاحظات زیست ‌محیطی بستگی دارد. اخیراً تمرکز بر روش ‌های بیولوژیکی به دلیل پایدارتر بودن آن‌ ها افزایش یافته است.

ویژگی	روش شیمیایی 1	روش شیمیایی 2	روش بیولوژیکی 1	روش بیولوژیکی 2
مواد اولیه	متانول و مونوکسید کربن	اتیلن و اکسیژن	اتانول یا مواد قندی	سلولز یا نشاسته
فرآیند اصلی	کربونیلاسیون متانول	اکسیداسیون اتیلن	تخمیر باکتریایی (Acetobacter)	فرآیند آنزیمی و تخمیر
دمای عملیاتی (°C)	200-250	150-200	30-40	35-45
راندمان تولید (%)	85-95	80-90	60-80	50-70
تأثیر زیست‌محیطی	انتشار گازهای گلخانه‌ای	انتشار مواد سمی	سازگار با محیط زیست	کاملاً پایدار
هزینه تولید	بالا	متوسط	متوسط	کم

میکروارگانیسم‌ های مورد استفاده در تولید بیولوژیکی اسید استیک

تولید بیولوژیکی اسید استیک به طور عمده از طریق تخمیر اتانولی توسط باکتری ‌های سرکه ‌ای صورت می‌ گیرد. و مناسب برای تولید محصول جهت خرید اسید استیک مخصوص سرکه می باشد. گونه‌ های Acetobacter و Gluconobacter نقش اصلی را در این فرآیند ایفا می ‌کنند. Acetobacter از طریق اکسیداسیون کامل اتانول به اسید استیک در حالی که Gluconobacter با اکسیداسیون ناقص و تولید محصولات میانی عمل می ‌کند. انتخاب گونه ‌ی باکتریایی مناسب به عوامل مختلفی از جمله نوع ماده ‌ی اولیه ، شرایط محیطی و بازده مطلوب بستگی دارد. ویژگی‌ های متابولیکی منحصر به فرد هر گونه در تعیین راندمان و کیفیت محصول نهایی موثر است. به‌ طور کلی Acetobacter به عنوان تولیدکننده‌ ی اصلی اسید استیک در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار می ‌گیرد.

مکانیسم بیوشیمیایی تولید اسید استیک توسط باکتری‌ ها

باکتری ‌های سرکه ‌ای از طریق اکسیداسیون اتانول به اسید استیک این ماده را تولید می ‌کنند. این فرآیند در دو مرحله انجام می ‌گیرد. ابتدا اتانول توسط آنزیم الکل دهیدروژناز به استالدئید تبدیل می ‌شود. سپس استالدئید توسط آنزیم استالدئید دهیدروژناز به اسید استیک اکسید می ‌شود. عوامل مختلفی بر راندمان این فرآیند تاثیر می ‌گذارند از جمله غلظت اکسیژن ، PH محیط ، دما و غلظت سوبسترا. غلظت بالای اسید استیک رشد باکتری را مهار کرده و راندمان را کاهش می دهد. بهینه ‌سازی شرایط محیطی برای افزایش راندمان و به حداکثر رساندن تولید اسید استیک حائز اهمیت است.

فرآیند تخمیر و تولید اسید استیک : شرایط بهینه

بهینه ‌سازی شرایط محیطی برای حداکثر راندمان تولید اسید استیک در تخمیر الزامی است. دمای بهینه معمولاً بین 30 تا 35 درجه سانتیگراد به فعالیت متابولیکی باکتری ‌ها سرعت می ‌بخشد. PH کمی اسیدی (حدود 5-6) برای رشد اکثر باکتری‌ های سرکه ‌ای مطلوب است. تأمین اکسیژن کافی از طریق هوادهی مناسب برای اکسیداسیون کامل اتانول به اسید استیک حیاتی است. غلظت بالای اتانول اگر چه منبع کربن است ، می‌ تواند در غلظت ‌های بالا محدود کننده ‌ی رشد باشد. ملاحظات مربوط به میزان مواد مغذی و کنترل ترکیبات جانبی برای افزایش بازده و کیفیت محصول ضروری است. کنترل دقیق این فاکتورها نقش کلیدی در بهینه ‌سازی فرآیند تولید اسید استیک دارد.

شرایط بهینه فرآیند تخمیر و تولید اسید استیک

مواد اولیه مورد استفاده در تخمیر بیولوژیکی اسید استیک

ماده اولیه اصلی در تولید بیولوژیکی اسید استیک منبع کربنی برای باکتری‌ های سرکه ‌ای است. اتانول به عنوان سوبسترای اصلی به طور گسترده در تولید صنعتی مورد استفاده قرار می ‌گیرد. قندها مانند گلوکز و فروکتوز نیز منابع کربنی مناسبی هستند و می ‌توانند از منابع مختلفی مانند ملاس چغندر قند یا ذرت استخراج شوند. نشاسته ‌ها نیز با هیدرولیز به قندهای ساده تبدیل شده و در این فرآیند به کار می روند. انتخاب منبع کربنی به عواملی مانند هزینه ، دسترسی و کیفیت محصول نهایی بستگی دارد. تعیین بهترین منبع کربنی برای فرآیند خاص ، بهینه ‌سازی فرآیند را تضمین می‌ کند.

تأثیر عوامل محیطی بر بهره‌ وری تولید اسید استیک

عوامل محیطی تأثیر قابل توجهی بر بهره‌ وری تولید اسید استیک دارند. دما به عنوان یک عامل مهم سرعت واکنش ‌های آنزیمی را تنظیم می ‌کند. اکسیژن کافی برای اکسیداسیون اتانول به اسید استیک ضروری است در حالی که غلظت بالای اکسیژن مضرات مختلفی در پی دارد. فشار به طور معمول در تولید اسید استیک به طور قابل توجهی نقشی ندارد. ترکیبات جانبی تولید شده محدود کننده ‌ی رشد باکتری ‌ها یا کاهش کیفیت محصول می شوند. مواد مغذی ضروری مانند نیتروژن و فسفر برای رشد و فعالیت میکروبی لازم هستند.

بهره‌ برداری صنعتی از فرآیند بیولوژیکی تولید اسید استیک (تخمیر)

تولید صنعتی اسید استیک از طریق تخمیر میکروبی معمولاً در بیوراکتورهای بزرگ انجام می ‌شود. طراحی بیوراکتورها برای تأمین اکسیژن کافی ، کنترل دما و PH و افزایش بازده بهینه‌ سازی شده است. از روش ‌های مختلفی مانند تغذیه مداوم و کنترل غلظت سوبسترا برای افزایش تولید و جلوگیری از مهار رشد باکتری ‌ها استفاده می ‌شود. کنترل دقیق پارامترهای عملیاتی و به کارگیری استراتژی ‌های مهندسی زیستی نظیر استفاده از سویه ‌های باکتریایی با عملکرد بهینه در بهبود راندمان و اقتصادی بودن این فرآیند مفید است. بهینه ‌سازی فرآیند تخمیر برای کاهش هزینه‌ ها و افزایش کیفیت اسید استیک تولید شده ضروری است.

جداسازی و خالص ‌سازی اسید استیک از محیط تخمیر

خالص ‌سازی اسید استیک تولید شده از طریق تخمیر شامل چندین مرحله است. ابتدا بیومس باکتریایی از طریق سانتریفیوژ یا فیلتراسیون از محیط تخمیر جدا می ‌شود. سپس روش‌ های مختلفی مانند استخراج مایع-مایع و رزین ‌های مبادله ‌ی یونی برای جداسازی اسید استیک از دیگر ترکیبات مورد استفاده قرار می ‌گیرند. در نهایت تقطیر فراکسونی برای به‌ دست آوردن اسید استیک با خلوص بالا انجام می‌ شود. این روش ‌ها به دقت و طراحی مناسب نیاز دارند تا خلوص مطلوب اسید استیک برای مصارف صنعتی به دست آید. به کارگیری روش‌ های نوین جداسازی هزینه ‌ها و مصرف انرژی را کاهش می دهد.

کاربردهای صنعتی و اقتصادی اسید استیک بیولوژیکی

اسید استیک بیولوژیکی به دلیل پایداری و دوستدار محیط زیست بودن آن کاربردهای گسترده‌ ای در صنایع مختلف دارد. در صنعت غذا به عنوان طعم ‌دهنده و نگهدارنده در سرکه و چاشنی‌ ها استفاده می ‌شود. در داروسازی به عنوان پیش‌ ماده در سنتز داروها و حلال مورد استفاده قرار می ‌گیرد. در صنایع آرایشی و بهداشتی به عنوان تنظیم‌ کننده PH و در تولید برخی محصولات به کار می ‌رود. همچنین در صنعت شیمیایی به عنوان حلال و در تولید پلیمرهایی مانند سلولز استات نقش مهمی ایفا می ‌کند. تقاضای فزاینده برای اسید استیک در این صنایع باعث رشد بازار و اهمیت تولید پایدار این ماده شده است.

برچسب ها

مقالات مرتبط