يعد تخمير الإيثانول من أقدم وأهم عمليات التخمير المستخدمة في صناعة التكنولوجيا الحيوية، ويمكن للعديد من الكائنات الحية الدقيقة، بما في ذلك البكتيريا والخمائر إنتاج الإيثانول باعتباره منتج التخمير الرئيسي من الكربوهيدرات.
ما هو تخمير الإيثانول
تخمير الكحول أو تخمير الإيثانول هو المسار اللاهوائي (الذي يتطلب أكسجين) الذي تقوم به الخمائر، حيث يتم تحويل السكريات (الجلوكوز بشكل عام) إلى الإيثانول والمنتجات الثانوية.
ويمكن تقسيم عملية تخمير الكحول إلى خطوتين، وفي الجزء الأول، المعروف باسم تحلل السكر، تكسر الخميرة مولًا واحدًا من الجلوكوز لتكوين مولين من البيروفات، ويتم تحويلها إلى 2مول من ثاني أكسيد الكربون و 2 مول من الإيثانول (التخمير)، ويمكن أن تحدث هذه العملية حتى في ظل الظروف المعاكسة، بسبب قدرة الخمائر العالية على التكيف.
كيف يحدث تخمير الإيثانول
في عملية تخمير الإيثانول الحيوي، يتم تحويل الجلوكوز المنتج أثناء تحلل الإنزيم إلى إيثانول عن طريق النشاط الأيضي لـS، وS. cerevisiae تستخدم أشكالًا مختلفة من السكر المتخمر كمصدر للكربون في ظل بيئة لاهوائية صارمة، وتحدث أيضا سلسلة من التفاعلات الأنزيمية لتحويل الجلوكوز إلى حمض البيروفيك (C3H4O3) من خلال مسار تحلل السكر وأثناء مسار تخمير الإيثانول.
ويتم فسفرة الجلوكوز مبدئيًا باستخدام الجزيء الكيميائي المعقد [أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)] كمصدر للطاقة لتصنيع الجلوكوز 6 فوسفات بيولوجيًا والذي يتشابه لتشكيل فركتوز 6 فوسفات.
يتم توسط هذا التفاعل بواسطة إنزيم إيزوميراز فسفوجلوكو، ويخضع الفركتوز 6-فوسفات مرة أخرى للفسفرة ويتحول إلى فركتوز 1.6-بيفوسفات، حتى يتم توسط هذا التفاعل بواسطة إنزيم فسفوفركتو كيناز، وينقسم الفركتوز 1،6-بيفوسفات بدوره إلى نوعين مختلفين من الأيزومرين، وهما (glyceraldehyde-3-P وdihydroxyacetone-P).
ويتم توسط هذا التفاعل بواسطة إنزيم الألدولاز، وتخضع الأيزومرات المنتجة، (glyceraldehyde-3-P وdihydroxyacetone-P) لتفاعلات عكوسة من خلال إنزيم أيزوميراز ثلاثيالفوسفات.
يخضع (Glyceraldehyde-3-P) لتفاعل نزع الهيدروجين، ويتم تحويله إلى (1.3-bisphophoglycerate)، ويتم توسط هذا التفاعل عن طريق إنزيم نازعة هيدروجين جلسيرالديهيد 3-فوسفات، وخلال رد الفعل هذا NAD+ يتم تقليله إلى NADH و+ H، ومن ثم يتم فسفرة عنصر (1.3-bisphophoglycerate إلى 3-phosphoglycerate).
ويستخدم هذا التفاعل رابطة عالية الطاقة وADP كمستقبل للفوسفات و 3-فوسفوجليسيرات و ATP، ويتم تقليل 3-فوسفوجليسيرات إلى 2-فوسفوجليسيرات من خلال مطفرة الفوسفوجليسيرات، ويتم تحويل 2- فوسفوجليسيرات إلى فسفوينول بيروفات.
تخمير الإيثانول في الحالة الطبيعية
عندما يحدث تخمير الإيثانول ضمن الحالة الطبيعية مع الأداء الجيد، تكون الفقاعات المتكونة منتظمة وذات توهج معين، مع الحفاظ على نفس النمط في جميع أنحاء سطح بيئة التخمير، ويمكن كسرها بسهولة عن طريق الضغط الذي يمارسه ثاني أكسيد الكربون المنطلق أثناء التخمير.
وعندما يكون هناك تلوث، تصبح الفقاعات أكبر بسبب اندماج الفقاعات الأصغر، وعندما تنكسر (ليس بدون صعوبة)، تكون بالفعل كبيرة الحجم وغير منتظمة الشكل مع عتامة معينة، ولا تحافظ على نفس النمط، كما هو في حالة التخمير المنتظم، وإضافة العوامل المضادة للرغوة هي ممارسة عامة في تخمير الإيثانول الصناعي، كشكل من أشكال التحكم في كمية الرغوة المتولدة أثناء التخمير.
يمكن القول بأن التخمير الكحولي أو تخمير الإيثانول هو عملية تقنية حيوية يتم فيها تحويل السكريات مثل الجلوكوز والسكروز والفركتوز إلى كحول إيثيل وثاني أكسيد الكربون في وجود الخميرة (S.cerevisiae) أو بعض البكتيريا أو الكائنات الحية الدقيقة الأخرى.
