1.هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC)هو إيثر سليلوزي مهم، يُستخدم على نطاق واسع في مجالات البناء والأدوية والأغذية ومستحضرات التجميل وغيرها. يتميز HPMC بخصائص ممتازة في التكثيف، وتشكيل الأغشية، والاستحلاب، والتعليق، والاحتفاظ بالماء، مما يجعله يلعب دورًا محوريًا في العديد من الصناعات. يعتمد إنتاج HPMC بشكل أساسي على عمليات التعديل الكيميائي. في السنوات الأخيرة، ومع تطور التكنولوجيا الحيوية، بدأت أساليب الإنتاج القائمة على التخمير الميكروبي تجذب الانتباه أيضًا.
2. مبدأ إنتاج التخمير لـ HPMC
تعتمد عملية إنتاج HPMC التقليدية على السليلوز الطبيعي كمادة خام، وتُنتَج بطرق كيميائية كالقلوية والأثيرة والتكرير. إلا أن هذه العملية تتطلب كميات كبيرة من المذيبات العضوية والكواشف الكيميائية، مما يؤثر سلبًا على البيئة. لذلك، أصبح استخدام التخمير الميكروبي لتصنيع السليلوز وزيادة الأثير فيه طريقة إنتاج أكثر استدامة وصديقة للبيئة.
كان التخليق الميكروبي للسليلوز (BC) موضوعًا شائكًا في السنوات الأخيرة. تستطيع البكتيريا، بما في ذلك Komagataeibacter (مثل Komagataeibacter xylinus) وGluconacetobacter، تخليق السليلوز عالي النقاء مباشرةً عن طريق التخمير. تستخدم هذه البكتيريا الجلوكوز أو الجلسرين أو مصادر كربونية أخرى كركائز، وتتخمر في ظروف مناسبة، وتفرز أليافًا نانوية من السليلوز. يمكن تحويل السليلوز البكتيري الناتج إلى HPMC بعد تعديل الهيدروكسي بروبيل والمثيلة.
3. عملية الإنتاج
3.1 عملية تخمير السليلوز البكتيري
يُعدّ تحسين عملية التخمير أمرًا بالغ الأهمية لتحسين إنتاجية وجودة السليلوز البكتيري. وتتمثل الخطوات الرئيسية فيما يلي:
فحص السلالات والزراعة: اختيار سلالات السليلوز عالية الغلة، مثل Komagataeibacter xylinus، للتدجين والتحسين.
وسط التخمير: توفير مصادر الكربون (الجلوكوز والسكروز والزيلوز)، ومصادر النيتروجين (مستخلص الخميرة، الببتون)، والأملاح غير العضوية (الفوسفات، أملاح المغنيسيوم، إلخ) والمنظمات (حمض الأسيتيك، وحمض الستريك) لتعزيز نمو البكتيريا وتخليق السليلوز.
التحكم في ظروف التخمير: بما في ذلك درجة الحرارة (28-30 درجة مئوية)، درجة الحموضة (4.5-6.0)، مستوى الأكسجين المذاب (التحريك أو الثقافة الثابتة)، إلخ.
التجميع والتنقية: بعد التخمير، يتم جمع السليلوز البكتيري عن طريق الترشيح والغسيل والتجفيف وغيرها من الخطوات، ويتم إزالة البكتيريا المتبقية والشوائب الأخرى.
3.2 تعديل ميثيل هيدروكسي بروبيل السليلوز
يحتاج السليلوز البكتيري المُستخرَج إلى تعديل كيميائي لإعطائه خصائص HPMC. الخطوات الرئيسية هي كما يلي:
معالجة القلوية: نقع في كمية مناسبة من محلول NaOH لتوسيع سلسلة السليلوز وتحسين نشاط تفاعل الأثير اللاحق.
تفاعل الأثير: تحت درجة حرارة معينة وظروف تحفيزية، يضاف أكسيد البروبيلين (هيدروكسي بروبيل) وكلوريد الميثيل (ميثلة) لاستبدال مجموعة هيدروكسيل السليلوز لتكوين HPMC.
التحييد والتكرير: التحييد باستخدام حمض بعد التفاعل لإزالة الكواشف الكيميائية غير المتفاعلة، والحصول على المنتج النهائي عن طريق الغسيل والترشيح والتجفيف.
التكسير والتصنيف: سحق HPMC إلى جزيئات تلبي المواصفات، ثم غربلتها وتعبئتها وفقًا لدرجات اللزوجة المختلفة.
4. التقنيات الرئيسية واستراتيجيات التحسين
تحسين السلالة: تحسين إنتاج السليلوز وجودته من خلال الهندسة الوراثية للسلالات الميكروبية.
تحسين عملية التخمير: استخدام المفاعلات الحيوية للتحكم الديناميكي لتحسين كفاءة إنتاج السليلوز.
عملية الأثيرة الخضراء: تقليل استخدام المذيبات العضوية وتطوير تقنيات الأثيرة الأكثر ملاءمة للبيئة، مثل التعديل التحفيزي الإنزيمي.
مراقبة جودة المنتج: من خلال تحليل درجة الاستبدال والذوبان واللزوجة والمؤشرات الأخرى لـ HPMC، تأكد من أنها تلبي متطلبات التطبيق.
القائم على التخميرHPMCتتميز طريقة الإنتاج هذه بكونها متجددة وصديقة للبيئة وفعالة، مما يتماشى مع توجه الكيمياء الخضراء والتنمية المستدامة. ومع تطور التكنولوجيا الحيوية، من المتوقع أن تحل هذه التقنية محل الطرق الكيميائية التقليدية تدريجيًا، وتعزز استخدام HPMC على نطاق أوسع في مجالات البناء والأغذية والطب وغيرها.
وقت النشر: ١١ أبريل ٢٠٢٥