ביוטכנולוגיה/תהליך התסיסה בפרמנטור

מתקן הייצור ואמצעי השליטה בו (מבנה הפרמנטור ואמצעי הבקרה)

אין תמונה חופשית

תמונה:פרמנטור ומרכיביו.

1. עיקור המערכת נעשה באדי קיטור.
2. טמפרטורה – מתבצעת על ידי הזרמת מים קרים (לקירור) או חמים (לחימום) למערכת הצינורות שעוטפות את הפרמנטור.
3. pH – מדד הנמצא בתוך הפרמנטור ומודד pH באופן רציף. כאשר נדרש שינוי מוסיפים חומצה או בסיס (בהתאם לצורך) דרך צינורות.
4. אוורור – בתהליכים בהם נדרש חמצן נעזרים באוורור ; החמצן מתמוסס גרוע במים, ולכן, יש להזרימו באמצעות אוויר. הזרמת האוויר המסונן (סטרילי) מתבצעת מתחתית הפרמנטור, מאזור שנקרא טבעת פיזור. שם, האוויר נשבר לבועות, ולכן גדל שטח פניו בתמיסה. הבועות צפות למעלה ויוצאת דרך שסתום בחלק העליון של הפרמנטור.
   בעבוע אוויר מעושר חמצן (מעל 20% חמצן) – אומנם יקר, אך, חוסך אנרגיה בכך שניתן להקטין את קצב הערבול ואוורור.
5. ערבול – ערבול מבצע שלוש פעולות :
   • פיזור אחיד של מיקרואורגניזמים ומרכיבי המצע.
   • מסייע לאוורור.
   • מסייע למעבר חום (מבפנים החוצה, ולהפך).
     בדרך כלל, הערבול מתבצע באמצעות מוט ערבול והוא כולל שני חסרונות :
   • יקר.
   • עלול לפגוע בתאים או במערכת הייצור ולכן יש ערבול באמצעות מערכת אוורור.
6. שבירת קצף – קצף הוא תוצאה של דנטורציה של מולקולות ביופולימרים. קיימים שתי דרכים לשבירת קצף :
   • לוחות המחוברים למערבל מפעילים לחץ מתון על הקצף.
   • הוספת דטרגנטים (חומרים כימים) שוברי קצף.
7. דגימה – כל כמה זמן לוקחים דגימה מהפרמנטור לבדיקה כימית (מרכיבי מצע, ריכוז תוצרים ועוד) וביולוגית (מצע התאים).
8. הזנה – כאשר צריך להוסיף מרכיבי מזון תוך כדי התהליך (מנתי מוזן) עושים זאת דרך צינורות הזנה.
9. חלון – דרכו רואים שהכול בסדר.
10. ריקון – פתח הריקון נמצא בתחתית.

חלוקת הפרמנטרים הנדרשים למעקב בתהליך הייצור

1. פיזיקאליים – טמפ', לחץ, ערבול ואוורור.
2. כימיים – pH, ריכוזי חומרי גלם, ריכוזי חמצן, ריכוזי התוצר.
3. ביולוגים – מצב פיזיולוגי של התאים, ריכוז התאים.

מדידות

On Line – מדידה רציפה תוך כדי תהליך הייצור, כמו למשל pH וטמפרטורות. הן יכולות להתבצע באמצעים אלקטרונים או דיגיטאליים (במחשב) דבר שעדיף כיון שזה חוסך זמן, כוח אדם ובקרה על כמה משתנים במקביל.

Off Line – מדידה בדגימה כמו למשל מדידות ביולוגיות. במדידה זו משתמשים כאשר ישנם סוגי חיישנים שלא ניתן לעקוב (עדיין) באמצעות מכשיר אלקטרוני ולכן משתמשים בדרך זו.

תהליך התסיסה וייצור התוצר

המטבוליטים (התוצר הנוצר מחילוף חומרים)

שקלו לדלג על נושא זה ולמד לאחר הנושא שלב גידול של מיקרואורגניזמים

תהליך התסיסה תלוי במטבוליטים ואנו מבדילים בין שני סוגים של תוצרים מטבוליטים :

מטבוליטים ראשונים

שלבי גידול של מיקרואורגניזמים. שלב גידול מואץ (B) ושלב עקה (C)

אלו מטבוליטים אשר נגזרים מחילוף חומרים של התא. הם יכולים להיות תוצרים של שני מסלולים :

1. מסלולים קטבוליים (פירוק). למשל, אתנול.
2. אנבוליים בניה, למלש, ח. אמינו.

דוגמאות : אתנול, חומצה ציטרית, ליזין, חומצה גלוטמית, רב סוכר ועוד.
מכאן, שהמטבוליטים הראשונים נוצרים בשלב גידול מואץ, כיוון, שהם נוצרים בתהליכי פירוק ובנייה (המיקרואורגניזם גדל, כלומר בונה ומפרק מולקולות שישמשו לו כחומרי גדילה). לכן, במידה ונרצה מטבוליטים ראשונים, נגדיל את שלב הגידול המואץ.

מטבוליטים משניים / שניוניים

מיוצרים במסגרת תהליכים שניוניים בתא בעיקר במצב עקה (Stress – הידלדלות מרכיבי המצע).
דוגמאות : אנטיביוטיקות (פניצלין, צפלוספורין, אקטינומיצין ועוד), ג'ברלין (מווסת צמיחה בצמחים ועוד.

מטבוליטים משנים הם מטבוליטים הנוצרים בעיקר בשלב העמידה (מצב עקה), לכן נרצה להאריך שלב זה. נבצע זאת באמצעות תהליך מנתי מוזן, בו אנו מספקים מקורות חיוניים(בדרך כלל חנקן ופחמן) רק כאשר החיידקים בטוחים כי הם עומדים למות. במצב כזה החיידקים קרובים מאוד לשלב התמותה, אך, אינם מתים כיוון שעדין קיימים מקורות מזון.

יעילות יצרנית (פרודוקטיביות)

בכדי להעריך את יעילות תהליך התסיסה אנו נעזרים בפרמטר בשם פרודוקטיביות ועל פיו :

פרודקטיביות = ${\frac {gr}{L*hr}}$ כמות תוצר (ביח' נפח) / זמן פרמנציה = גרם / ליטר*שעה.

זמן הפרמנטציה ( מכונה גם זמן מחזור בתהליך מנתי) – הוא זמן של ההכנות, גידול התאים, התסיסה בפרמנטור והניקוי.

דרכים להגדלת הפרודוקטיביות

1. שימוש במוטנטים – שימוש בזנים מיקרוביאליים "סופרמנים" הם מוטנטים המראים עדיפות על פני זנים אחרים (לא מדובר במיקרוביאליים מהונדסים).
2. הרכב מצע המזון. למשל : שימוש במלחים טובים יותר.
3. תנאים סבבתים מבוקרים – חמצן הוא הגורם הבעייתי ביותר בתהליך תסיסה כיוון שקשה להחדירו לתוך הפרמנטור והוא מנוצל על ידי כל האורגניזמים. ניתן לספק אוויר מועשר בחמצן אך זה יקר מאוד.

מגבלת תהליך התסיסה

מעבר חומרים בדיפוזיה

שכבת נרנסט

הבעיה: שכבת נרנסרט (שכבת מים סופחים) היא שכבה שומנית הספוחה סביב כל תא או סביב כל חלקיק בתמיסה. שכבת זו בעלת מאפיין ; שכבה זו אינה בתנועה ולכן, קצב מעבר המולקולות (אל תוך התא והפרשות מחוץ לו) דרכה איטי ביחס לתנועה בתמיסה.
הפיתרון : הקטנת שכבת הנרנסרט על ידי ערבול חזק.

תהליכים בהם יש צורך בחמצן

הפתרון : באמצעות אוורור, הזרמת אוויר סטרילי מטבעת הפיזור, שם האוויר נשבר לבועות וכך גדל שטח פניו בתמיסה. הבועות עולות למעלה ויוצאת דרך שסתום בחלק העליון של הפרמנטור.

דוגמאות לשאלות

1. דוגמא לשאלה : תהלכים ביוטנולוגיים א' 2007 שאלה 7