تولید سلولز به کمک باکتری در محیط کشت ایستا و محرک

سلولز یکی از پرمصرف ترین مواد طبیعی جهت تولید کاغذ، منسوج و غیره می باشد. با توجه به محدودیت منبع اصلی سلولز که همان چوب می باشد و حفظ منابع طبیعی، محققان در زمینه تولید سلولز غیرطبیعی و یا جایگزین نمودن آن تلاش های بسیار انجام داده اند.

● چکیده
سلولز یکی از پرمصرف ترین مواد طبیعی جهت تولید کاغذ، منسوج و غیره می باشد. با توجه به محدودیت منبع اصلی سلولز که همان چوب می باشد و حفظ منابع طبیعی، محققان در زمینه تولید سلولز غیرطبیعی و یا جایگزین نمودن آن تلاش های بسیار انجام داده اند.
یکی از روش های بسیار جالب تولید سلولز مصنوعی روش باکتریائی یا میکروبی می باشد که سلولز حاصله را سلولز باکتریائی میکروبی می نامند. جهت این امر از باکتری های مختلفی بهره می برند که در میان آنها Acetobacter بسیار مشهور بوده و مورد استفاده قرار گرفته است. این گونه باکتری ها از طریق فرآیند بیولوژیکی (تخمیر) با استفاده از گلوکز و یا انواع دیگر شکرهای موجود، گیسرول و یا حتی موادآلی دیگر تولید زنجیره های سلولز می نمایند.
● مقدمه
سلولز بیوپلیمر اصلی زمین است و از نظر اقتصادی اهمیت فراوانی دارد. سلولز سازنده اصلی پنبه (بیش از ۹۴%) و چوب (بیش از ۵۰%) می باشد. بنابراین پنبه و چوب درختان منابع اصلی برای همه محصولات سلولزی مانند کاغذ، منسوجات، مواد ساختمانی و مقوا می باشد. با افزایش جمعیت و افزایش تقاضا در مورد مصرف سلولز ممکن است یک ضربه مستقیم به چرخه کربنی زمین وارد شود، چرخه کربنی زمین یک فعل و انفعال وسیع ما بین دی اکسید کربن هوا و موادآلی در گیاهان است که نور خورشید صورت گرفته و منجر به تولید سلولز می شود. میزان تولید سالیانه سلولز که به مصرف می رسد در حدود ۱۱ تن برآورده شده است.
جهت خالص سازی سلولز و به دست آوردن سلولزی تمیز و سفید از فرِآیندهای فیزیکی و شیمیائی مختلفی نظیر عملیات سفیدگری بهره می گیرند که می تواند بر پیکره سلولز آسیب های شدید و جبران ناپذیری وارد نمایند و باعث افت خصوصیات ذاتی سلولز نظیر استحکام و دوام شود.
یکی از راهکارهای ارائه شده جهت جایگزین منابع متداول و رایج سلولز، تولید سلولز میکروبی می باشد. که می تواند آسیب رسانی به منابع چوبی را کاهش داده و در زمان، هزینه، انرژی و همچنین حفظ خصوصیات سلولز بسیار مؤثر باشد. علاوه بر آن فرآیند تولید سلولز تحت کنترل بوده و می توان تغییرات جزئی لازم را بر سلولز حاصله اعمال نمود.Acetpbacter Xylinum یکی از مشهورترین باکتری هائی است که تاکنون جهت سنتز سلولز به کار رفته است.
در محیط کشت باکتری Acetobacter Xylinum که نوعی باکتری گرم منفی، هوازی و میله ای است. سلولز در سطح مشترک مایع محیط کشت با هوا تولید می شود. این سلولز حاصله به خودی خود خالص بوده و عاری از لیگنین و همی سلولز (دو ناخالصی اصلی سلولز طبیعی) می باشد، دارای درجه پلیمریزاسیون بالائی می باشد و نیازی به انجام فرآیند نظیر پخت و سفیدگری ندارد، ضمن آنکه توسط این باکتری امکان تولید سلولز رنگی، مشتقات سلولز و نیز سلولزی با قابلیت های خاص نیز می باشد.
● کشت میکروب جهت ایجاد سلولز
برای ایجا سلولز خالص نیاز است تا باکتری تولیدکننده سلولزی در محیطی مناسب کشت شود و با دادن زمان به فرآیند کشت، زنجیره های سلولزی تک به تک شکل یافته و سلولز حاصل خواهد شد.سلولز باکتریائی را از نژادهای مختلفی می توان تهیه کرد، تعدادی از این نژادهای معروف به شرح زیر است
(Acetobacter Xylinum NQ۵ (ATCC۵۳۵۸۲
(Acetobacter Xylinum BPR۲۰۰۱ (Sucro fermentans
Acetobacter Xylinum BPR۳۰۰۱E
Bcetobacter Xylinum ATCC۲۳۷۶۹
● انواع محیط های کشت باکتری
جهت کشت باکتری از دو نوع محیط کشت استفاده شده است:
۱. محیط کشت ایستا (ساکن):
که منجر به انباشتگی یک غشاء ژلاتینی سلولزی مناسب خواهد شد.
۲. محیط کشت محرک:
که سلولز در عمق متوسط در سوسپانسیون های لیفی، به شکل قرص، یا جرم های نامعین سنتز می شود.
طی چندین بررسی انجام شده مشخص گردیده که محیط کشت ایستا میزان سلولز بیشتری را در ازاء زمان معینی نسبت به محیط کشت محرک تولید می کند، اما در واقع سلولزی که در محیط کشت محرک تولید شده است خواص مطلوب تری را نسبت به سلولز حاصل از ایستا دارد. البته این شرایط به عوامل مختلفی از جمله شرایط تخمیرنژاد تولیدکننده سلولز و سیستم تخمیر آن بستگی دارد. بهینه سازی فرآیند تخمیر موجب انجام فرآیند بیوسنتز سلولز با راندمان تولید بیشتر خواهد شد. در این رابطه می توان سیستم تخمیز Air Lift reactor که یکی از مناسب ترین تخمیرکننده های صنعتی می باشد را نام برد.
● بررسی ساختار سلولز میکروبی تولیدشده در محیط های کشت ایستا و محرک
چندین تحقیق در زمینه های گوناگون بر روی محصولات سلولزی حاصل از باکتری ها صورت گرفته است، یکی از این بررسی ها که توسط محققین دانشکده میکروبیولوژی انجام شده است، به شرح زیر است:
در این بررسی هدف اصلی مشاهده تفاوت ظاهری و خصوصیات فیزیکی و شیمیائی سلولز کشت شده در محیط کشت ایستا و محرک می باشد.
میکروارگانیسم مورد استفاده نژاد (Acetobacter Xylinum NQ۵ (ATCC۵۳۵۸۲ از بخش جمع آوری مولکول های ژنتیکی و میکروبیولوژیکی دانشگاه ای اندبی تگزاس، برای انجام این فرآیند استفاده شده است.
●محیط کشت میکروب
محیط شارم ـ هیسترین بدون تغییرات PH که در همه مراحل آزمایش به جزء موارد خاص از جمله شستشو، مصرف شده است.
●شرایط محیط کشت
سلول ها در فلاکس های ثابت یا بر روی یک صفحه لغزنده چرخان با افزودن ۱/۰% آنزیم سولاز به مدت ۳ روز در دمای ۲۸ درجه سانتیگراد کشت شده اند سپس سلو ل ها توسط سانتریفوژ و یا نیروی گریز از مرکز جمع آوری شده و آنها را مجدداً در محیط کشت تازه معلق نمودند (به حالت سوسپانسیون درآوردند) این محیط تازه درون ظروف فلاکس مانند ثابت یا بر روی یک لغزنده چرخان با سرعت های گردش مختلف (در حدود ۹۰ تا ۲۵۰rpm) برای ۷ روز در دمای ۲۸ْc رشد داده شدند. سلولز سنتز شده در محیط کشت توسط ---------- کردن، جداسازی شده است. مقدار سلولز تولید شده به صورت جرم خالص پلیمر بعد از شستشو توسط هیدروکسید سدیم ۲%، ۳ مرتبه با آب مقطر نیز شسته شدند، تا برای جابه جائی و ورود به محیط سلولزی، آماده گردند.
● مشاهدات
بررسی میکروسکوپی محصولات در این فرآیند در جهت مقایسه سلولز تولید شده در محیط کشت ایستا و سلولز تولید شده در محیط کشت محرک از نظر ساختمان سطحی و داخلی، صورت گرفت است. این بررسی ها شامل مشاهدات میکروسکوپ های الکترونیکی پویشی (SEM) و نوری بوده است.سنتز سلولز در ازاء زمان عمل آوری در هر دو محیط کشت ایستا و محرک در شکل ۲ نشان داده شده است.
با گذشت هفت روز از شروع کار محیط کشت، مقدار سلولزی که تولید شده است، پس از چندین روز فراز و نشیب سرانجام در محیط کشت ایستا بیشتر بوده است.
در این آزمایش پس از گذشت ۱۶ روز افزایش قابل توجهی در سنتز سلولز در محیط کشت محرک پیدا نشد، در حالی که غشاء نازکی در محیط کشت ایستا جرم حجمی خشک در حدود ۱۰g/lit رشد پیدا کرد. یکی از استدلال های محتمل می تواند آن باشد که در محیط کشت ایستا، راه های مختلف پخش اکسیژن و نفوذ آن در اجزاء در حین رشد، تمرکز می یابد. زمانی که مکانیسم شکل گیری پلیمر و پروفیل اکسیژن از تحقیقات اخیر حاصل شد، توجه زیادی به تجمع سلولز در شرایط محیط کشت محرک صورت نگرفت. فرم کره های کوچک (گویچه ها) سلولز که توسط نژاد NG۵ در سیست کشت محرک حاصل شده اند در شکل ۳ نشان داده شده است.
قسمت های موجود که بیشتر سلول ها در سطح گویچه ها ایجاد شده اند و فقط کمی از آنها به درون پخش شده اند. سلول هائی که در محیط تازه و جدید هستند تا زمانی که به سطح نزدیک هستند و دسترسی به هوای تازه و اکسیژن دارند رشد می کنند . در این حالت گویچه ها به هم پیوسته و تشکیل نوارهای سلولزی مناسب را می دهند. به این ترتیب یک سطح سلولزی با ابعاد ظروف محیط کشت پدید خواهد آمد.در یک فرضیه که به توصیف سطح سلولز می پردازد، پیشنهاد شده است که سلولز فقط در سطح سنتز گردد و اینکه سلول های زیرین از بین می روند، به این دلیل که در غشاء نازکی که از محیط کشت ایستا (ساکن) حاصل شده است، سنتز فقط بر روی سطح صورت گرفته است. شاید تنش های برشی در سیستم کشت محرک، در اثر تحرک سلول ها، باعث جداشدن آنها از سطح گویچه ها شوند. در یک فرضیه دیگر، سلول ها ممکن است یک فاز سنتز دوره ای داشته باشند که توسط آن سلول ها واقعاً یک چرخه سنتز دارند، جداسازی گویچه ها به معنای برخورد با گویچه های دیگر است و سنتز نواری سلولزی را به همراه دارد. این فرضیه می تواند روشن کند که چرا این گویچه های سلولزی طوری حاصل می شوند که دارای مرکزی متراکم تر از سطحشان باشند.

ماهنامه نساجی امروز

وبلاگ مهندسی پلیمر ۸۷

وبلاگ مهندسی پلیمر ۸۷

درباره من