دانشکده مهندسی شیمی

دانشگاه صنعتی نوشیرانی بابل

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی شیمی

گرایش زیست فناوری

موضوع:

تولید پروتئین تک یاخته از تفاله نیشکر در تخمیر حالت جامد در بیورآکتور سینی دار

اساتید راهنما:

پروفسور قاسم نجف پور

دکتر مائده السادات محمدی

فهرست مطالب:

چکیده

پروتئین تک یاخته به پروتئین حاصل از کشت باکتری ها، مخمرها، قارچ های رشته ای یا جلبک ها اطلاق می شود که می تواند به عنوان غذای انسان یا خوراک دام مورد استفاده قرار گیرد. در واقع پروتئین تک یاخته سلول های خشک شده میکروارگانیسم هاست که در اثرتخمیرآن ها روی سوبستراهای مختلف بدست می آید .مواد لیگنوسلولزی از جمله ضایعات کشاورزی مانند باگاس (تفاله) نیشکر از فراوانترین و کم هزینه ترین سوبستراها برای تولید پروتئین تک یاخته در جهان محسوب می شوند. در مطالعه حاضر، پروتئین تک یاخته در تخمیر حالت جامد از باگاس نیشکر با استفاده از میکروارگانیسم ساکرومایسیس سرویسیه تولید شد. بیورآکتور سینی دار برای تخمیر حالت جامد در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت. برای استخراج پروتئین از میان بافرهای مختلف (سیترات، فسفات، کربنات-بی کربنات و آب مقطر) بافر مناسب انتخاب شد. در ادامه اثر پارامترهای عملیاتی شامل: رطوبت اولیه سوبسترای جامد، مدت زمان تخمیر، دمای داخلی بیورآکتور، رطوبت داخلی بیورآکتور و همچنین غنی سازی سوبسترا با منابع نیتروژنی مختلف و پیش تیمار قلیایی سوبسترا برای بهینه سازی تولید پروتئین تک یاخته در تخمیر حالت جامد مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت روی نمونه تولید شده در شرایط بهینه به منظور ارزیابی ارزش تغدیه ای، آزمایش آمینواسید انجام شد. از میان بافرهای مورد استفاده، بیش ترین میزان استخراج پروتئین از بافر کربنات-بی کربنات بود. زمان تخمیر و میزان مصرف قند در دماهای ۲۵، ۳۰ و ۳۵ درجه سانتیگراد با رطوبت ۸۵% بررسی شد. بیش ترین میزان تولید پروتئین در زمان ۷۲ ساعت حاصل و میزان مصرف قند در دماهای ذکر شده به ترتیب برای سینی بالا ۱۶/۵۸، ۶۲/۵۹ و ۴۵/۷۱% و برای سینی میانی ۲۴/۵۳، ۵۲/۵۶ و ۴۴/۶۶% بدست آمد. در دمای ۳۵ درجه سانتی گراد بیش ترین میزان فعالیت سلولتیکی به میزان ۴۳/۴۳% برای سینی بالا و ۷۱/۳۷% برای سینی میانی حاصل شد. بهترین نتیجه در غنی سازی سوبسترا با منابع نیتروژنی با استفاده از سدیم نیترات بدست آمد. از میان غلظت های مختلف محلول سدیم هیدروکسید، محلول ۲% (وزنی-حجمی) منجر به تولید بیش ترین پروتئین به میزان ۶۱۲/۳ گرم بر لیتر برای سینی بالا و ۵۳۰/۳ گرم بر لیتر برای سینی پایین شد. در نهایت با بهینه شدن تمامی پارامترها (پس از ۷۲ ساعت، در دمای ۳۵ درجه سانتی گراد بیورآکتور، رطوبت ۸۵% بیورآکتور، رطوبت اولیه ۷۰% سوبسترای جامد، غنی سازی سوبسترا با منبع کربنی سدیم نیترات و پیش تیمار با محلول سدیم هیدروکسید ۲%) میزان پروتئین برای سینی بالا و میانی به ترتیب ۹۲۹/۳ و ۸۱۳/۳ گرم بر لیتر بدست آمد که در این حالت بازده تولید پروتئین برای سینی بالا ۱۳۲/۰ و برای سینی پایین ۱۲۸/۰ گرم بر گرم سوبسترا بود. محصول تولید شده همچنین حاوی اسیدهای آمینه ضروری لوسین، ایزولوسین، والین، متیونین، فینیل آلانین و بسیاری از اسیدهای آمینه غیرضروری بود

۱-۱- مقدمه

امروزه در جهان کمبود مواد غذایی به خصوص در کشورهای جهان سوم، مسئله بسیار مهمی است و اکثر جوامع به نوعی در پی یافتن راهی برای حل این مشکل هستند. با افزایش جمعیت جهان، روز به روز نیاز به مواد غذایی به ویژه مواد پروتئینی افزایش می یابد. در کشورهایی که به نوعی فقیر محسوب می شوند افزایش جمعیت، مردم را به سوی گرسنگی و سوء تغذیه شدید سوق می دهد ]۱.[ از آنجایی که پروتئین ها در کنار کربوهیدرات ها و چربی ها سه گروه اصلی مواد غذایی را تشکیل می دهند پیدا کردن منابع گوناگون وجدید آن ها بستر مناسبی را برای پژوهش در این زمینه فراهم کرده است. ناکافی بودن منابع پروتئینی سنتی نظیر گوشت و ماهی و تخم مرغ نسبت به رشد جمعیت دانشمندان را بر آن داشت که در جستجوی منابع ارزان قیمت پروتئین برای مردم باشند. از سوی دیگر افزایش نگرانی در مورد آلودگی ناشی از ضایعات کشاورزی و صنعتی و تلاش برای تبدیل مواد زائد به محصولات با ارزش تجاری بالا نیز در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است ]۲[. میکروارگانیسم ها نظیر مخمرها و باکتری ها هزاران سال است در غذاهای خانگی انسان ها استفاده می شوند. در دهه های اخیر روش های جدیدی برای استفاده محصولات تخمیری میکروبی در غذای انسان و خوراک حیوانات توسعه یافته است ]۳[. با توجه به کمبود منابع پروتئینی از یک طرف، و مقدار بالای پروتئین سلول های میکروبی از طرف دیگر، استفاده از منابع پروتئین میکروبی به عنوان غذای انسان و دام (به جای منابع پروتئینی رایج) بسیار حائز اهمیت است. این پروتئین میکروبی، پروتئین تک یاخته[1] نام دارد. پروتئین تک یاخته در حال حاضر، درجیره غذایی دام و طیور استفاده می شود. به دلیل بالا بودن میزان اسیدهای نوکلئیک موجود در این نوع پروتئین و پایین بودن قابلیت هضم آن، برای جایگزین شدن پروتئین میکروبی به جای منابع پروتئین حیوانی شک و تردید وجود دارد. آن ها همچنین برای بدن به عنوان یک عامل خارجی محسوب شده که می توانند باعث ایجاد واکنش های آلرژیک شوند. البته اگر این پروتئین به عنوان غذای انسان مورد استفاده قرارگیرد، قبل از استفاده باید استخراج و تغلیظ شود و اسید نوکلئیک آن کاهش یابد، زیرا بالا بودن اسید نوکلئیک باعث تولید اسید اوریک و در نهایت سبب بیماری نقرس می شود.

پروتئین تک یاخته همانطور که گفته شد یک پروتئین میکروبی است که خالص نمی باشد و به سلول های کامل باکتری ها، مخمرها، قارچ های رشته ای یا جلبک ها اطلاق می شود که حاوی انواع اسیدهای آمینه، کربوهیدرات ها، چربی ها، اسیدهای نوکلئیک، نمک های معدنی و ویتامین ها نیز می باشد و دارای ارزش تغذیه ای بسیار بالایی است. در واقع این نوع پروتئین محصولی است که در اثر تخمیر توسط فعالیت میکروارگانیسم های مختلف روی سوبستراهای ارزان قیمت مانند ضایعات کشاورزی، پساب های کارخانجات و ضایعات سلولزی حاصل از کارخانه کاغذ سازی و … بدست می آید ]۴[.

استفاده از میکروارگانیسم ها برای تولید پروتئین تک یاخته به جای استفاده از منابع پروتئین حیوانی و گیاهی دارای مزایایی است که با توجه به این موارد چشم انداز روشنی برای تولید این نوع پروتئین تصور می شود. این مزایا عبارتند از ]۵[:

۱- امکان اصلاح ژنتیکی میکروارگانیسم ها

۲- سرعت رشد و محتوای پروتئینی بالای میکروارگانیسم ها

۳- استفاده از طیف وسیعی از روش ها، سوبستراها و میکروارگانیسم ها برای این منظور

۴- عدم وابستگی تولید به تغییرات آب و هوایی

۵- عدم نیاز به فضای زیاد برای تولید

۶- سرعت و راندمان تولید بالا.

با این حال تولید پروتئین تک یاخته با کیفیت و بازدهی بالا نیازمند انتخاب میکروارگانیسم و سوبسترای مناسب و انتخاب روش مناسب برای تخمیر می باشد.

۱-۲- تاریخچه

اصطلاح پروتئین تک یاخته اولین بار توسط پروفسور کارل ویلسون^[2] در سال ١٩۴۴ در انستیتو تکنولوژی ماساچوست آمریکا^[3] ابداع گردید ]۶[. این اصطلاح برای ماده ای با محتوای پروتئینی کمتر از ۶۵ درصد مناسب نیست و اصطلاح “توده سلولی تک‌یاخته” را برای چنین مواردی توصیه می‌کنند. همچنین مناسب‌تر است، برای توده سلولی محتوی پروتئین به دست آمده از قارچ، اصطلاح “پروتئین قارچی” که اخیراً در بسیاری از منابع به کارگرفته شده است، استفاده شود.

تولید پروتئین تک یاخته از مخمر برای اولین بار در جنگ جهانی اول توسط آلمان‌ها انجام شد. پروتین^[4] اولین پروتئین تک یاخته تجاری بود که به عنوان افزودنی خوراک حیوانات مورد استفاده قرار گرفت. در اواسط سال ۱۹۳۰ و جنگ جهانی دوم، این امر مورد توجه بیشتری قرار گرفت و تولید آن به ۱۵ هزار تن در سال رسید.

اولین کنفرانس بین المللی در مورد پروتئین تک یاخته در سال ١٩۶۸ در ماساچوست آمریکا برگزار شد و در آن کنفرانس، کمپانی بریتیش پترولیوم^[5] تنها ارائه کننده تولید صنعتی آن بود. در دومین کنفرانس که در سال ١٩٧٣ در همان محل برگزارگردید؛ بسیاری از کمپانی ها تولیدات صنعتی خود را ارائه نمودند. کارخانه هایی که تا سال ١٩٩٠ بصورت صنعتی پروتئین تک یاخته تولید می کردند؛ به طور عمده از دو منبع سوبسترایی هیدروکربنی و یا قندی استفاده می نمودند. منابع سوبسترای قندی عمدتاً شامل ملاس، ضایعات کشاورزی، فاضلاب های کارخانجات صنایع غذایی و صنایع چوب و کاغذ بودند، درحالیکه سوبستراهای هیدروکربنی عمدتاً شامل مشتقات نفتی، اتانول و متانول بود. شرکت BP و یک شرکت ایتالیایی یک واحد 000/100 تنی تولید پروتئین تک یاخته از مشتقات نفتی را در ایتالیا تأسیس نمودند که در سال ١٩٧٧ به علت بحران های جهانی باعث ورشکستگی این شرکت ها و از جمله شرکت BP گشت. در اوایل دهه ١٩٨٠ اولین واحد صنعتی تولید پروتئین تک یاخته از متانول توسط شرکت ^[6] ICIدر انگلستان به ظرفیت 000/60 (تن/سال( مورد بهره برداری قرار گرفت ولی در سال ١٩٨٧ تولیدات این کارخانه به علت عدم توان رقابت با سایر منابع پروتئینی مانند پودر ماهی و سویا، متوقف گردید ]۸,۷,۴[. همچنین شرکت RHM [7] در انگلستان با همکاری شرکت  ICIدر اواسط دهه ۸۰ میلادی پروتئین میکروبی تحت نام تجارتی کورن^[8] تولیدکرد که ساختاری شبیه به گوشت داشته و توسط رشد کپک فوزاریوم گرامینراروم^[9] بر روی مواد نشاسته‌ای تولید می‌شد. این محصول به خاطر استفاده از کپک که به طور طبیعی دارای محتوای اسید هسته‌ای کمتری از باکتری‌ها می‌باشد و بخاطر اضافه کردن یک عملیات برای کاهشRNA  در فرآیند تولید صنعتی، دارای محتوای هسته‌ای خیلی پایین می‌باشد و لذا استفاده از آن در خوراک انسان در انگلستان مجاز تشخیص داده شد. تولید اولیه این محصول در سال ۱۹۸۵، ۱۰۰۰ تن در سال بود و از موفقیت اقتصادی برخوردار شد، زیرا به جای کنجاله سویا با سویا و گوشت رقابت می‌کرد. شرکت نفتی شل^[10] در سال ١٩٧۴ طرح تأسیس یک واحد 000/100 تنی تولید پروتئین تک یاخته در آمستردام را آغاز نمود ولی به دلیل وجود منابع پروتئین گیاهی ارزان قیمت و سایر مشکلات، عملیات احداث کارخانه در سال ١٩٧۶ متوقف گردید.

بررسی ها نشان می دهد بیشترفعالیت ها در توسعه فرآیند تولید پروتئین تک یاخته توسط شرکت های نفتی صورت گرفته است و این به دلیل کاهش قیمت نفت در سال های ۱۹۶۵-۱۹۵۷ بوده است. از سال ۱۹۷۴ روند افزایش قیمت نفت سال به سال شدیدتر شد، به طوریکه در سال۱۹۸۱ به ۳۵ دلار به ازای هر بشکه رسید. همان طورکه بررسی شد تحولات تولید پروتئین تک یاخته با تحولات قیمت نفت هم زمانی داشته و این امر از آن جا ناشی می شود که۶۰ تا ۸۰ درصد هزینه های مربوط به یک واحد تولید پروتئین تک یاخته به هزینه های ماده اولیه مربوط می شود] ۹,۴[.

 برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.