پیشینه تاریخی
هرچند تخمیر میوه‌ها به‌کلی برای بشر اولیه شناخته‌شده بود، و قرن‌ها ساخت انواع نوشیدنی‌ها از میوه‌ها و غلات مرسوم بوده است، تنها در طول قرن گذشته کاربرد وسیع‌تری از این روش موردتوجه قرارگرفته است. هم‌اکنون دانشمندان مراحل تکامل زندگی مخمرها، باکتری‌ها و کپک‌ها را برای تولید مواد شیمیایی هدایت می‌کنند. تعریف جدید تخمیر صنعتی عبارت از هر فرایند میکروبی کنترل‌شده توسط بشر است که محصولات مفیدی تولید می‌کند.
میکروارگانیسم‌ها، شامل باکتری‌ها، مخمرها و کپک‌ها، از مواد آلی تغذیه می‌کنند. این نوع تغذیه است که سازندگان را علاقه‌مند می‌کند، زیرا اگر میکروارگانیسم‌ها با مواد غذایی پرانرژی همراه با مواد مغذی موردنیاز تأمین شوند، این ارگانیسم‌های ریز روینده نه‌تنها رشد و تکثیر می‌کنند، بلکه غذا را به مواد شیمیایی دیگر تبدیل می‌سازند.
تولید لاکتیک اسید در سال ۱۸۸۰، آغاز تخمیر صنعتی برای ساخت محصولی مفید غیر از الکل بود. در مدت جنگ جهانی اول، چیم واریزمن فرایند تخمیر تبدیل ذرت به استون و –n بوتانول را ابداع کرد. استون در ساخت کوردیت که در مهمات‌سازی مصرف داشت موردنیاز بود و بدون این فرایند تخمیر، بریتانیا کمبود بسیار جدی مهمات داشت. سیتریک اسید و گلوکونیک اسید به سور موفقیت‌آمیزی در سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۴۰ تولید شدند، ولی صنعت جوان پتروشیمی در آن زمان بیشتر فرایندهای تخمیر را غیراقتصادی ساخت. در مدت جنگ جهانی دوم، کشف آنتی‌بیوتیک‌ها، مانند پنی‌سیلین، مسیر را برای پیشرفته‌ای چشمگیر فنی در کنترل فرایندهای میکروب شناختی، که امروز به‌طورمعمول استفاده می‌شود، باز گذاشت.
مصارف و جنبه‌های اقتصادی
بسیاری از فرایندهای تخمیر در رقابت مستقیم با سنتزهای کاملاً شیمیایی هستند. الکل، استون، بوتیل الکل، و استیک اسید که توسط تخمیر تولید می‌شوند به‌طور وسیع توسط مواد شیمیایی سنتزی شبیه جایگزین شده‌اند. تقریباً تمام آنتی‌بیوتیک‌های اصلی از فرایندهای تخمیر به دست می‌آیند. دکستران محصول تخمیری دیگری است.
جدول ۱ برخی از محصولاتی را که توسط تخمیر تولید می‌شود نشان می‌دهد.
تخمیر در شرایط کنترل‌شده شامل تبدیل‌های شیمیایی است برخی از فرایندهای مهم‌تر عبارت‌اند از: اکسایش، مثلاً الکل به استیک اسید، ساکاروزبه سیتریک اسید، و دکستروز به گلوکونیک اسید؛ کاهش، مثلاً آلدئیدها به الکل‌ها (استالدهید به اتیل الکل)، و گوگرد به هیدروژن سولفید؛آبکافت، مثلاً نشاسته به گلوکوز، و ساکاروز به گلوکوز و فروکتوز و سرانجام به الکل؛ استری کردن، مثلاً هگزوز فسفات از هگزوز و فسفریک اسید، درواقع تبدیل‌های شیمیایی معینی را می‌توان توسط تخمیر نسبت به سنتز شیمیایی پربازده‌تر انجام داد.
شرایط یک فرایند تخمیر الکلی
۱- یک میکروارگانیسم که یک محصول نهایی مطلوب تشکیل دهد. این ارگانیسم باید به سهولت با تولیدمثل تکثیر شود و قادر به ادامه یکنواختی زیست‌شناختی باشد. درنتیجه بازده قابل پیش‌بینی خواهد داشت.
۲- مواد خامی که برای سوبسترا، مثلاً نشاسته یا یکی از چند قند، اقتصادی باشد.
۳- بازده قابل‌قبول.
۴- تخمیر سریع.
۵- محصولاتی که به سهولت قابل بازیابی و خالص شدن باشند.
تخمیر الکل صنعتی
الکل صنعتی به دلیل جنبه‌های مفید اقتصادی، به‌عنوان یک حلال و برای سنتز مواد شیمیایی دیگر، حائز اهمیت است. مواد تقلبی، موادی هستند که به‌سختی از الکل جدا می‌شوند و بو و مزه بدی دارند. تمام این مواد به‌گونه‌ای ساخته‌شده‌اند که الکل را غیر آشامیدنی می‌سازند.
در نام‌گذاری صنعتی، الکل به معنی اتیل الکل، یا اتانول (C2H5OH) است. این الکل به‌صورت گالنی به فروش می‌رسد که وزن آن ۴.۰۸۲ kg و حاوی ۹۵ درصد C2H5OH و %۵ آب، هر دو به‌صورت حجمی در ۱۵.۵۶◦C است. هیچ امتیازی در مورد منبع الکل، یعنی الکل حاصل از تخمیر یا حاصل از سنتز، وجود ندارد.
مصارف و جنبه‌های اقتصادی
الکل در ارزیابی حلال‌ها، در درجه دوم تنها نسبت به آب قرار دارد و تقریباً در تمام صنایع به‌کاربرده می‌شود. به‌علاوه، الکل ماده خام برای ساخت صدها ماده شیمیایی، مانند استالدهید، اتیل استات، استیک اسید، اتیلن دی برومید، مونو اتیلن گلایکول و دی اتیلن گلیکول، ایتل کلرید و تمام اتیل استرهاست.
مصرف الکل حاصل از تخمیر در سوخت موتورها، موضوع بسیاری از بحث‌ها قرارگرفته است.
در ۱۹۸۲، از اتانول به‌عنوان افزایش‌دهنده اکتان بنزین و مقدار کمی هم برای گازول مصرف می‌شد.
الکل مطلق
الکل بی‌آب بیشتر توسط جذب ۴ تا %۵ آب موجود در الکل صنعتی ۹۵ تا %۹۶ با استفاده از آهک زنده، و سپس تقطیر آن، ساخته می‌شد. این فرایند گران بود و اگرچه الکل بی‌آب باکیفیت بسیار بالایی تولید می‌کرد، بااین‌همه کنار گذاشته‌شده است. اتیل الکل و آب آزئوتروپی تشکیل می‌دهند که %۹۵ حجمی الکل است. روش‌های گوناگونی برای جداسازی آخرین %۵ آب، برای تولید الکل %۱۰۰ مورداستفاده قرار می‌گیرد و یا پیشنهادشده است. جدول (۲) تعدادی از راه‌های جداسازی و همچنین انرژی لازم برای حذف آب را نشان می‌دهد.
بوتیل الکل و استون
تا جنگ جهانی اول، تمام استون تولیدشده توسط تقطیر خشک کلسیم استات از پیرولیگنوز اسید ساخته می‌شد. در زمان جنگ به دلیل تقاضای زیاد استون برای تولید باروت بدون دود، وایزمن فرایندی ابداع کرد که از تخمیر غلات حاوی نشاسته، استون و بوتیل الکل تولید می‌شد.
امروزه از اکسایش کومن یا هیدروژن زدایی ایزوپروپیل الکل، استون همراه با فنون تولید می‌شود. از استون به‌عنوان حلال ونیز در ساخت پلاستیک‌ها استفاده می‌شود.
ریبوفلاوین
ریبوفلاوین در ابتدا به‌صورت تجارتی به‌عنوان یک محصول جنبی تخمیر استون- بوتیل الکل تولید شد، ولی غلظت آن پایین بود. چند فرایند زیست‌شناختی بسیار بهبودیافته توسط فرایند سنتزی کم‌هزینه موجود جایگزین شده‌اند.
سرکه و استیک اسید
اکسایش باکتریایی هوازی الکل به استیک اسید رقیق(%۸) (توسط جنس استوباکتر) روش قدیمی دیگری است که طی آن سرکه یعنی محلول رقیق و معطر استیک اسید از شراب، مالت،یا الکل رقیق تهیه می‌شود. اگر الکل رقیق خالص تخمیر شود، استیک اسید رقیق خالص به دست می‌آید. بازده آن ۸۰ تا ۹۰ درصد نظری است. برای تهیه استیک اسید برای مصارف عطر سازی میتوانید به صفحه خرید استیک اسید مراجعه کنید
سیتریک اسید
سیتریک اسید یکی از فراگیرترین اسیدهای آلی است. مصرف عمده آن به‌عنوان ماده اسیدی‌کننده در نوشابه‌های گازدار، مربا، ژله، و دیگر مواد غذایی است. مورد مصرف عمده دیگر درزمینهٔ مواد دارویی، شامل ساخت سیترانها و نمک‌های گاز جوش است. مصارف صنعتی آن نسبتاً کم است و شامل اسید سیتریک به‌عنوان بافر عامل کمپلکس دهنده یون و استیل‌تری بوتیل سیترات رزین وینیلی نرم‌کننده است. سیتریک اسید در رقابت با دیگر اسیدهای آلی، مثلاً فوماریک، مالئیک و آدیپیک، قرارگرفته است.
به‌جز برای مقادیر کم (کمتر از ۷ درصد) که از ضایعات میوه مرکبات تولید می‌شود، سیتریک اسید از طریق تخمیر هوازی قند تصفیه نشده یا قند ذرت توسط گونه ویژه‌ای از آسپرژیلوس نیجر، به پیروی از پژوهش‌های معمول کوری انجام می‌گیرد.
لاکتیک اسید
لاکتیک اسید، ۲- هیدروکسی پروپیونیک اسید، یکی از قدیمی‌ترین اسیدهای آلی شناخته‌شده است. این اسید اولیه تشکیل‌دهنده شیرترش است، که نامش را از آن گرفته است، توسط تخمیر قند شیر (لاکتوز) با استرپتوکوکوس لاکتیس تشکیل می‌شود. به‌طور تجارتی، لاکتیک اسید توسط تخمیر کنترل‌شده قند هگزوز از ملاس، ذرت یا شیر ساخته می‌شود. لا کتان‌ها توسط روش‌های توسط روش‌های سنتزی از استالدهید و لاکتونیتریل، یک محصول جنبی عملیات آکریلونیتریل مونسانتو ساخته می‌شود. لاکتیک اسید از سال ۱۹۳۰ به‌صورت تجارتی از آب که محصول جنبی شیر است تولید می‌شود. از لاکتیک اسید با خلوص صنعتی برای آهک‌زدایی چرم در تانن استفاده می‌شود. خلوص‌های خوراکی در اصل به‌عنوان ماده اسیدی‌کننده تعدادی از مواد غذایی و نوشابه‌ها مصرف می‌شود. مقدار اندکی از لاکتیک اسید باقیمانده به پلاستیک‌ها، حلال‌ها و محصولات شیمیایی معین دیگری تبدیل می‌شود. خلوص USP یک استاندارد قدیمی و شناخته‌شده مواد دارویی است.
دیگر ترکیبات
مونوسدیم گلوتامات
آمینو اسید گلوتامیک اسید را می‌توان با روش‌های سنتزی تهیه کرد، ولی تهیه شیمیایی آن‌یک مخلوط راسمیک تولید می‌کند. ازآنجاکه تنها نمک سدیم، از –L گلوتامیک اسید طبیعی برای بهبود طعم مواد غذایی موردنظر است، ناگزیر به یک مرحله تجزیه‌ای پرهزینه نیاز است. –L گلوتامیک اسید را می‌توان مستقیماً از تخمیر کربوهیدرات‌ها با میکروکوکوس گلوتامیکوس یا بر وی باکتریوم دی واریکاتوم به دست آورد. ازآنجاکه مونوسدیم گلوتامات یکی از ترکیبات تولیدشده از تخمیر است گواهی‌های ثبت اختراع بسیاری برای تغییرات جزئی فرایند آن صادرشده است.
-L لیزین
-L لیزین را می‌توان از میکروارگانیسم‌هایی که بر کربوهیدرات‌ها عمل می‌کنند به دست آورد. ارگانیسم‌های معمول، میکروکوکوس گلوتامیکوس، بروری باکتریوم فلاووم، کوری نباکتریوم استوگلوتامیکوم و میکروباکتریوم آمونیافیلوم هستند. هرکدام از این ارگانیسم‌ها به شرایط یا مواد افزودنی خاصی برای تولید محصول با بازده خوب نیاز دارند.
دی هیدوکسی استون
دی هیدوکسی استون[HOCH2COCH2OH] از تخمیر سوربوس باکتریوم بر روی گلیسیرین صنعتی ساخته می‌شود. این ترکیب یک جزء تشکیل‌دهنده محلول ضد آفتاب است که یک تانن مصنوعی به وجود می‌آورد. این محصول همچنین به‌عنوان یک ماده واسطه شیمیایی و یک کاتالیزگر در بسپارش بوتادی ان- استیرن باارزش است. استرهای اسید چرب گروه‌های هیدروکسی عوامل عالی امولسیون کننده هستند.
محصولات دارویی
صنعت مواد دارویی برای مدت‌ها از تخمیر (زیست سنتز) برای ساخت برخی از مهم‌ترین داروهای بهره جسته است. آنتی‌بیوتیک‌ها، مواد زیست‌شناختی، ویتامین‌ها و هورمون‌ها نشان داده‌شده است. میکروارگانیسم‌های کنترل‌شده مهم‌ترین عامل فراوری مواد شیمیایی و کمک‌کننده در انجام واکنش‌های شیمیایی بسیار پیچیده هستند. در بسیاری از موارد، آن‌ها اقتصادی‌تر از تبدیل‌های شیمیایی هستند. این موضوع به‌ویژه برای تغییرات ساختاری پیچیده، برای ساخت مشتقاتی از هورمون‌های استرولید طبیعی صدق می‌کند.
آنزیم‌ها
چندین روش برای تثبیت آنزیم‌ها در دسترس است. قدیمی‌ترین روش، جذب سطحی بر روی یک رزین تبادل یونی است ولی به هنگام استفاده آنزیم به آهستگی به درون محلول شسته می‌شود. این اتلاف را در مدت مصرف آنزیم می‌توان بااتصال عرضی بین‌مولکولی با پایه، با پیوند کووالانسی به سطح یک‌پایه فعال شیمیایی، یا با به تله انداختن یک تکپار مناسب در مواضع خالی توسط همبسپارش حذف کرد.آمیلازها مهم‌ترین کربوهیدرات‌ها هستند. یکی از کاربردهای جدیدتر مصرف گلوکوز ایزومراز برای تغییر گلوکوز به فروکتوز است. این آنزیم‌ها اغلب توسط تخمیر غوطه‌وری ساخته می‌شوند. در ابتدا با مایع حاصل از عصاره ذرت و نشاسته ذرت آغاز می‌شود. این مخلوط، پس از سترون شدن و سرمایش مناسب، با باسیلوس سوبتیلیس تلقیح و تخمیر می‌شود. آمیلاز را می‌توان توسط رسوب‌گذاری با ایزوآمیل الکل و مرکز گریزانی مجزا کرد. آمیلازهای بیشتر نسبت به هر نوع آنزیم دیگر به‌طور تجارتی تولید می‌شود.