مصنع حيوي خالٍ من المغذيات للماء المختمر للذرة إلى حمض اللاكتيك بواسطة Bacillus licheniformis OP16-2 تحت ظروف حرارية-قاعدية مع تقييم على مقياس تجريبي

تحويل منتج ثانٍ من الذرة إلى مادة كيميائية خضراء ذات قيمة

يعد حمض اللاكتيك عنصراً أساسياً في الاقتصاد الحديث: فهو يساعد على حفظ الأغذية، ويهدئ البشرة في مستحضرات التجميل، ويمثل وحدة بناء رئيسية للبلاستيك القابل للتحلل. ومع ذلك، فإن إنتاجه بكميات كبيرة وبطريقة مستدامة ورخيصة لا يزال يمثل تحدياً. تستكشف هذه الدراسة بطلاً غير متوقع—ماء تخمير الذرة، منتج ثانٍ غني بالمغذيات من عملية طحن الذرة الرطبة—وتُظهر كيف يمكن لبكتيريا تربوية متينة أن تحول هذا النفاية السائلة إلى حمض لاكتيك عالي القيمة دون الحاجة إلى مغذيات مضافة، تحت ظروف حارة وقاعدية تحد طبيعياً من التلوث الميكروبي.

مورد مخفي في صناعة الذرة

عند معالجة الذرة في المصانع الكبيرة، تُنقع الحبوب في ماء دافئ يحتوي على ثاني أكسيد الكبريت لتليينها وإخراج النشا. السائل المتبقي، المعروف بماء تخمير الذرة، غني بالسكريات والأحماض الأمينية والفيتامينات والمعادن. تقليدياً، كان يُستخدم بكميات صغيرة كمكمل في عمليات التخمير. طرح مؤلفو هذه الورقة سؤالاً أكثر طموحاً: هل يمكن لماء تخمير الذرة نفسه، دون مغذيات مضافة، أن يكون مصدر الغذاء الوحيد للكائنات الدقيقة لصنع حمض اللاكتيك، محولاً منتجاً ثانوياً منخفض القيمة إلى مادة خام مركزية لـ"مصنع حيوي خالٍ من المغذيات"؟

اكتشاف كائن ميكروبي يتحمّل الحرارة والقاعدية

غالباً ما تواجه العمليات التخمرية الصناعية مشكلتين: تكلفة السكريات المكررة وخطر تلوث الوسط بكائنات غير مرغوبة. لمواجهة كلا المشكلتين، بحث الباحثون في عينات تربة من أنحاء مصر عن بكتيريا تزدهر عند درجات حرارة عالية (حوالي 50–60 °م) وفي ظروف قاعدية (حوالي الرقم الهيدروجيني 9). مثل هذه الظروف القاسية تثبط بطبيعتها الميكروبات الملوثة الشائعة. من بين 50 مرشحاً، برزت سلالة واحدة، تم تحديدها لاحقاً على أنها Bacillus licheniformis OP16-2. استطاعت هذه السلالة أن تنمو بقوة في ماء تخمير الذرة، وتتحمل مثبطات مثل الأملاح ومركبات الكبريت المتبقية من معالجة الذرة، وحولت السكريات المتاحة بشكل مستمر إلى حمض اللاكتيك بكفاءة عالية جداً.

ضبط الوصفة لتحقيق أقصى إنتاج

بعد اختيار هذه السلالة الواعدة، قام الفريق بضبط وصفة التخمير بشكل منهجي. اختبروا مستويات سكريات مختلفة في ماء تخمير الذرة، ودرجات حرارة، وكميات بدءية مختلفة من البكتيريا، وقيم رقم هيدروجيني متفاوتة. كما قارنوا طريقتين للحفاظ على الرقم الهيدروجيني أثناء تراكم حمض اللاكتيك: إضافة هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) أو استخدام كربونات الكالسيوم الصلبة. ثم استخدموا أدوات إحصائية متقدمة لتقييم كيفية تفاعل كل هذه العوامل معاً، بدلاً من اختبار كل عامل على حدة. كشفت هذه المقاربة عن "نقطة مثلى" تقريبية: نحو 80–83 غ/ل من سكريات ماء تخمير الذرة، ودرجة حرارة تقارب 45 °م، ورقم هيدروجيني قاعدي خفيف حوالي 8.5–9.0، ومقدار بدءٍ متوسط إلى مرتفع من البكتيريا. في ظل هذه الظروف، حوّلت الميكروبات نحو 94% من السكر المستهلك إلى حمض لاكتيك، وهو عائد مرتفع بشكل ملحوظ.

التوسع من القوارير إلى مفاعل تجريبي

القوارير المخبرية مفيدة للاكتشاف، لكن الأثر الواقعي يعتمد على الأداء في خزانات أكبر. لذلك انتقل الباحثون إلى مفاعل بحجم 50 لتراً، يغذونه فقط بماء تخمير الذرة غير المعالج، بعد تعديله إلى مستوى السكر والرقم الهيدروجيني المناسبين. في تشغيل دفعة قياسية، وصلوا إلى نحو 74–76 غ/ل من حمض اللاكتيك، متوافقاً مع توقعاتهم الإحصائية. لدفع الإنتاج إلى أبعد من ذلك، انتقلوا إلى استراتيجية "تغذية متعددة النبضات" بنمط الدفعات: بدلاً من إضافة كل السكر دفعة واحدة، قاموا بتغذية مركّز من ماء تخمير الذرة تدريجياً مع استهلاك البكتيريا للسكريات. حافظ هذا على مستوى السكر في نطاق مريح للميكروبات، مجنباً الإجهاد الناتج عن تركيزات عالية. على مدار حوالي أسبوع من التشغيل، ارتفعت مستويات حمض اللاكتيك إلى نحو 153 غ/ل، مع استمرار تحقيق عائد مرتفع وإنتاجية مستقرة.

لماذا هذا مهم للمواد المستدامة

يعد حمض اللاكتيك المنتج من مصادر متجددة محورياً في إنتاج بلاستيك قابل للتحلل مثل حمض بولي اللاكتيك (PLA)، فضلاً عن المذيبات الصديقة للبيئة ومكونات الأغذية. تظهر هذه الدراسة أن بكتيريا واحدة متينة، تنمو تحت ظروف حارة وقاعدية، قادرة على تحويل ماء تخمير الذرة—الذي غالباً ما يُعتبر تيار نفايات—مباشرة إلى حمض اللاكتيك دون خلاصة خميرة أو مغذيات مكلفة أخرى. من خلال خفض تكاليف المواد الخام والتطهير، يقرب هذا العملية الحرارية-القاعدية الخالية من المغذيات من إمكانية الإنتاج الواسع النطاق والاقتصادي للمواد الخضراء من المنتجات الثانوية الزراعية، محولاً النفايات إلى مكوّن ذي قيمة لمنتجات استهلاكية أكثر استدامة.

الاستشهاد: Selim, M.T., Salem, S.S., El-Belely, E.F. et al. Nutrient-free biorefinery of corn steep water into lactic acid by Bacillus licheniformis OP16-2 under thermo-alkaline conditions with a pilot-scale assessment. Sci Rep 16, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35828-4

الكلمات المفتاحية: تخمير حمض اللاكتيك, ماء تخمير الذرة, مصنع حيوي, Bacillus licheniformis, البلاستيك الحيوي