تخمیر و تولید هیدروکسی پروپیل متیل سلولز

1.هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC)یک اتر سلولزی مهم است که به طور گسترده در ساخت و ساز، داروسازی، مواد غذایی، آرایشی و بهداشتی و سایر زمینه ها استفاده می شود. HPMC دارای خواص ضخیم کننده، تشکیل فیلم، امولسیون کننده، تعلیق و حفظ آب است، بنابراین در بسیاری از صنایع نقش کلیدی ایفا می کند. تولید HPMC عمدتاً به فرآیندهای اصلاح شیمیایی متکی است. در سال های اخیر با پیشرفت بیوتکنولوژی، روش های تولید مبتنی بر تخمیر میکروبی نیز توجه ها را به خود جلب کرده است.

2. اصل تولید تخمیر HPMC

فرآیند تولید سنتی HPMC از سلولز طبیعی به عنوان ماده خام استفاده می کند و با روش های شیمیایی مانند قلیایی کردن، اتریفیکاسیون و پالایش تولید می شود. با این حال، این فرآیند شامل مقدار زیادی حلال آلی و معرف های شیمیایی است که تأثیر زیادی بر محیط زیست دارد. بنابراین، استفاده از تخمیر میکروبی برای سنتز سلولز و اتریف کردن بیشتر آن به یک روش تولید سازگارتر با محیط زیست و پایدار تبدیل شده است.

سنتز میکروبی سلولز (BC) یک موضوع داغ در سال های اخیر بوده است. باکتری هایی از جمله Komagataeibacter (مانند Komagataeibacter xylinus) و Gluconacetobacter می توانند مستقیماً سلولز با خلوص بالا را از طریق تخمیر سنتز کنند. این باکتری ها از گلوکز، گلیسرول یا سایر منابع کربن به عنوان بستر استفاده می کنند، در شرایط مناسب تخمیر می شوند و نانوالیاف سلولزی ترشح می کنند. سلولز باکتریایی حاصل می تواند پس از اصلاح هیدروکسی پروپیل و متیلاسیون به HPMC تبدیل شود.

3. فرآیند تولید

3.1 فرآیند تخمیر سلولز باکتریایی

بهینه سازی فرآیند تخمیر برای بهبود عملکرد و کیفیت سلولز باکتریایی بسیار مهم است. مراحل اصلی به شرح زیر است:

غربالگری سویه و کشت: سویه های سلولزی پرمحصول مانند Komagataeibacter xylinus را برای اهلی کردن و بهینه سازی انتخاب کنید.

محیط تخمیر: منابع کربن (گلوکز، ساکارز، زایلوز)، منابع نیتروژن (عصاره مخمر، پپتون)، نمک های معدنی (فسفات ها، نمک های منیزیم و غیره) و تنظیم کننده ها (اسید استیک، اسید سیتریک) را برای رشد باکتری ها و سنتز سلولز فراهم کنید.

کنترل شرایط تخمیر: از جمله دما (28-30 درجه سانتیگراد)، pH (4.5-6.0)، سطح اکسیژن محلول (هم زدن یا کشت استاتیک) و غیره.

جمع آوری و خالص سازی: پس از تخمیر، سلولز باکتریایی با فیلتر کردن، شستشو، خشک کردن و مراحل دیگر جمع آوری شده و باکتری های باقیمانده و سایر ناخالصی ها حذف می شوند.

3.2 اصلاح متیلاسیون هیدروکسی پروپیل سلولز

سلولز باکتریایی به دست آمده باید از نظر شیمیایی اصلاح شود تا ویژگی های HPMC را به آن بدهد. مراحل اصلی به شرح زیر است:

درمان قلیایی سازی: برای گسترش زنجیره سلولزی و بهبود فعالیت واکنش اتریفیکاسیون بعدی، در مقدار مناسبی از محلول NaOH خیسانده شود.

واکنش اتریفیکاسیون: تحت شرایط دمایی و کاتالیزوری خاص، اکسید پروپیلن (هیدروکسی پروپیله) و متیل کلرید (متیلاسیون) را اضافه کنید تا جایگزین گروه هیدروکسیل سلولز شود تا HPMC تشکیل شود.

خنثی سازی و تصفیه: پس از واکنش با اسید خنثی می شود تا معرف های شیمیایی واکنش نداده را از بین ببرند و محصول نهایی را با شستشو، فیلتر کردن و خشک کردن به دست آورند.

خرد کردن و درجه بندی: HPMC را به ذرات مطابق با مشخصات خرد کنید و آنها را بر اساس درجه های ویسکوزیته مختلف غربال و بسته بندی کنید.

4. فن آوری های کلیدی و استراتژی های بهینه سازی

بهبود سویه: بهبود عملکرد و کیفیت سلولز از طریق مهندسی ژنتیک سویه‌های میکروبی.

بهینه سازی فرآیند تخمیر: از بیوراکتورها برای کنترل دینامیکی برای بهبود کارایی تولید سلولز استفاده کنید.

فرآیند اتریفیکاسیون سبز: کاهش استفاده از حلال‌های آلی و توسعه فناوری‌های اتریفیکاسیون سازگار با محیط زیست، مانند اصلاح کاتالیزوری آنزیم.

کنترل کیفیت محصول: با تجزیه و تحلیل درجه جایگزینی، حلالیت، ویسکوزیته و سایر شاخص های HPMC، اطمینان حاصل کنید که الزامات برنامه را برآورده می کند.

مبتنی بر تخمیرHPMCروش تولید دارای مزایای تجدید پذیر، سازگار با محیط زیست و کارآمد است که با روند شیمی سبز و توسعه پایدار مطابقت دارد. با پیشرفت بیوتکنولوژی، انتظار می‌رود این فناوری به تدریج جایگزین روش‌های شیمیایی سنتی شود و کاربرد گسترده‌تر HPMC را در زمینه‌های ساختمانی، غذایی، دارویی و غیره ترویج دهد.