انتاج الكحول الاثيلي (الوقود الحيوي )

ويعد اهم الروافد الواعدة (احتمالا) في مجال الطاقة وهو ينتج منذ زمن بعيد ويستعمل في تشغيل السيارات بعد خلطه بنسب معينة من المنتجات النفطية، ولكن يؤمل ان يستعمل بكليته اي بدون خلط كوقود ومصدر للطاقة وهو يعد اهم وقود حيوي Biofuel يطمح لإنتاجه في الوقت الحاضر على الاقل.

 الاحياء المنتجة

تأتي الخمائر مثل خميرة الخبز S. cerevisiae الاختيار الأول في الانتاج التجاري وتنتجه تحت الظروف اللاهوائية مع القليل من النواتج العرضية. وتدخل العديد من العوامل في اختيار الاحياء المنتجة فمثلا تستعمل الخميرة S. uvarum لأنها تتلبد بشكل جيد وهذا ما يسهل عمليات الاستخلاص والاسترجاع في نهاية العملية التخمرية.

بل وتحتم نوعية المواد الاولية الاحياء الممكن استعمالها فمثلا المواد الحاوية على السكريات الخماسية تقود الى اختيار احياء تستعمل السكريات الخماسية مثل C. utilis . اما وجود السليلوزات فيحتاج الى استعمال الاحياء التي تفكك السليلوز تحت الظروف اللاهوائية منها استعمال انواع من الجنس Clostridium مثل Cl. thermohydrosulfuricum , Cl. Thermocellum ، اما عند استعمال الشرش كمادة أولية للانتاج فهذا يحتاج الى احياء قادرة على استهلاك اللاكتوز المادة الرئيسة فيه ولذلك تستعمل الخمائر K. fragilis , K. lactis أو خميرة Torula cremoris او خميرة C. pseudotropicalis.

ومن العوامل الاخرى التي تحدد الكائن المستعمل هو درجة الحرارة فعند استعمال درجات حرارية عالية وجب استعمال احياء محبة للحرارة مثل Cl. Thermosaccharolyticus , Thermoanaerobacter ethanolicus . اما عند استعمال الدرجات الحرارية المعتدلة فيمكن استخدام خميرة الخبز التي تنمو بحرارة 28 – 30 م◦.

التفاعلات الحيوية

انتاج الكحول الاثيلي من عمليات التخمر اللاهوائي، فالسكريات تخضع في البداية الى دور تحلل السكر او ما يسمى ب EMP  لتنتج البايروفات التي تكون الأساس في الانتاج، فالتفاعل العام يتمثل بالمعادلة الآتية :

فالنتيجة النهائية تؤدي الى الحصول على جزيئيتين من ATP . وتمر البايروفات الناتجة من مسار التحلل EMP  الى عملية ازالة ثنائيا وكسيد الكاربون لتتحول الى استالديهايد ثم يختزل بمساعدة NADH لإنتاج الكحول الاثيلي وفق المعادلة:

فتكون العملية لا هوائية بشكل كامل ولكن العملية الانتاجية تحتاج الى التهوية في بداية الأمر لبناء الكتلة الحيوية وكذلك تحتاج الاحياء خاصة الخمائر للأوكسجين لبناء دهون الأغشية. اما تحت الظروف الهوائية فان العملية الانتاج تتحول بشكل كامل الى عملية انتاج الكتلة الحيوية. وتحت الظروف اللاهوائية فان 52% من الكاربون المستعمل يذهب لإنتاج الكحول الاثيلي والباقي يصب في تكوين الكتلة الحيوية ومسارات اخرى.

والمشكلة في العملية الانتاجية هو ان الكحول المنتج يؤدي الى اجهاد الخلية ويؤدي الى اضطراب الأغشية الخلوية ثم مسخ البروتينات الموجودة فيها مما يؤثر على عمليات نقل السكريات والحوامض الامينية وغيرها من المواد. اذ ان تجمع الكحول بنسبة 4 – 6% يؤدي الى اضطراب الدهون الفوسفاتية لذلك تقوم الخلايا بإنتاج كميات كبيرة من الدهون الفوسفاتية غير المشبعة لذلك تتحسن عملية الانتاج عند تزويد الاوساط بطلائع الدهون لتصنيع الأغشية مثل اضافة Ergosterol وبعض المواد الاخرى.

وتعد الأغشية الخلوية اساسية في عملية الانتاج وذلك لان تركيز الكحول داخل الخلايا يكون منخفضا مما يشير الى افرازه الى الخارج، لان وجوده داخل الخلايا يؤدي الى اتلاف الانزيمات العاملة في الانتاج. واكثر الاجزاء الخلوية تأثرا هي الأغشية الخلوية، وفي S. cerevisiae يبدأ الاجهاد تأثيره مع مسارات نقل الاشارات الاخرى في الخلية كما أنه يتداخل مع اجهادات اخرى اذ انه يؤدي الى حث استجابات للإجهاد التأكسدي وغيرها من الاجهادات.

تحسين العمليات الانتاجية

نظراً لكون ارتفاع تركيز الكحول يكون ساما للخلايا لذلك يفضل انتخاب احياء او سلالات متحملة للتراكيز العالية فمثلا يمكن استعمال البكتريا Zymomonas mobilis التي يمكن ان تتحمل تراكيز 5 – 10% وبعض السلالات يمكن ان تتحمل تراكيز عالية تصل الى 16 – 20% عند انخفاض درجات الحرارة لما للعاملين من تأثير على تركيب الحوامض الدهنية في الأغشية الخلوية ولكن صغر حجمها يؤدي الى صعوبة الاستخلاص.

ويساعد في تحسين الانتاج حسن اختيار المواد الاولية لان وجود تراكيز عالية من السكريات في المواد الاولية يؤدي الى انتاج مواد سامة للخلايا عند التعقيم، وتؤثر نوعية المواد الاولية على العملية الانتاجية فوجود تراكيز عالية من مركبات الكبريت كما في مخلفات الصناعات الورقية التي تكون سامة للخلايا خاصة الخمائر لذا وجب اجراء المعاملات الاولية لخفض مستويات مركبات الكبريت الى مستويات غير سامة اذ ان التراكيز العالية تؤثر على الخلايا او تغير من مسارات التخمر الى انتاج الكليسرول في حالة خميرة الخبز.

ولعل أهم الوسائل التي يمكن اتباعها بعيدا عن الهندسة الوراثية هو الاعتماد على تطبيع الخلايا تجاه ظروف الاجهاد التي تؤدي الى تغيير الفعاليات الخلوية. فالخلايا يمكن ان تطبع على ظروف الاجهاد مثل تعريضها للمجاعات والتي تعمل على حث امكانيات متعددة اي حصول مقاومات متداخلة، باعتبار ان المجاعة يمكن ان تزيد من مقاومة الخلايا للعديد من الظروف المجهدة، او الاعتماد على ظاهرة ان تعرض الخلايا للظروف المجهدة يمكن ان يحث الخلايا فائقة التطفر على الظهور او حصول حالة التطبع العابرة او الآلية. لذلك وجب دراسة النواحي الفسلجية بدقة للخلايا المراد استعمالها مع الاخذ بنظر الاعتبار ان ظروف المختبر لا تمثل واقع الانتاج التجاري ومن أهمها اختلاف المواد الاولية.

وقد امكن باستعمال الهندسة الوراثية الحصول على سلالات تتحمل تراكيز عالية من الكحول، كما أمكن نقل قابلية تحليل النشا والسليلوز والخشب. اضافة الى الحصول على سلالات تحوي على انزيم Xylose isomerase لمساعدة الخلايا في استعمال الزايلوز في انتاج الكحول. اضافة الى تحوير بعض سلالات خميرة الخبز المتحملة للكحول وجعلها قادرة على استهلاك اللاكتوز بعد نقل الجينات الخاصة من الخميرة K. fragilis لغرض استعمالها في انتاج الكحول من الشرش وكانت الخلايا الناتجة قادرة على تحمل وجود 13% من الكحول.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .