أولاً: يُعدّ الطرد المركزي طريقة شائعة الاستخدام في تركيز مرق التخمير. ويؤثر اختيار الجهاز المناسب بشكل مباشر على معدل استخلاص الخلايا، ومعدل بقائها، وكفاءة الإنتاج. تُعدّ أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية والقرصية واللولبية الأفقية من أكثر أنواع أجهزة الطرد المركزي استخدامًا. ونظرًا لاختلاف تركيبها ومبدأ تشغيلها، تتباين تطبيقاتها بشكل كبير. تتناول هذه المقالة مبادئ وتركيبات وطرق اختيار هذه الأنواع الثلاثة من أجهزة الطرد المركزي، استنادًا إلى الخبرة العملية ومراجعة الأدبيات، لتوفير مرجع لتركيز مرق التخمير.
ثانيًا، يشترك النوعان الرئيسيان من أجهزة الطرد المركزي في مبدأ عمل واحد: استخدام قوة الطرد المركزي بدلًا من الجاذبية لفصل المكونات ذات الكثافات المختلفة (الخلايا ومرق التخمير) بسرعة. مع ذلك، ونظرًا لاختلاف التصميم الهيكلي، تتباين كفاءة الفصل وقدرة المعالجة وسياقات التطبيق.
1. تتميز أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية بسرعة فصل عالية ومعامل فصل عالٍ. يتكون هيكلها بشكل أساسي من أسطوانة دوارة، وأنبوب تغذية، وأنبوب تصريف، ونظام نقل، وغلاف. الأسطوانة الدوارة عبارة عن أنبوب رفيع ذي قطر صغير (عادةً 50-150 مم) وطول كبير، مما يُطيل مسار فصل السائل ويُحسّن من كفاءة الفصل. يعتمد مبدأ عملها على تغذية السائل إلى الأسطوانة الأنبوبية الدوارة عالية السرعة من مدخل التغذية السفلي. تصل سرعة دوران الأسطوانة إلى 10000-25000 دورة في الدقيقة، مما يُولّد قوة طرد مركزي هائلة. يؤدي ذلك إلى ترسب الخلايا البكتيرية الأكثر كثافة بسرعة على الجدار الداخلي للأسطوانة، بينما يرتفع السائل الصافي على طول الجدار الداخلي ويُصرّف من منفذ الفائض العلوي، مما يحقق فصل الخلايا البكتيرية عن السائل الصافي. تتميز أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية ببنية مدمجة، وحجم صغير، وعملية فصل لطيفة ذات تأثير ضئيل على معدل بقاء البكتيريا. وهي مناسبة لتركيز مزارع التخمير ذات المحتوى المنخفض من المواد الصلبة (≤5%) واللزوجة المنخفضة، وتُعدّ مناسبة بشكل خاص لجمع الخلايا البكتيرية عالية النشاط في الإنتاج التجريبي والإنتاج على نطاق صغير.
2. تُعدّ أجهزة الطرد المركزي القرصية المعدات الرئيسية للإنتاج الصناعي على نطاق واسع. من الناحية الهيكلية، تتكون مكوناتها الأساسية من الأسطوانة الدوارة ومجموعة الأقراص. الأسطوانة أسطوانية الشكل، وتحتوي على عشرات إلى مئات الأقراص المخروطية المكدسة بداخلها، والتي تُشكّل قنوات ضيقة بينها. كما أنها مُجهزة بجهاز تغذية، وآلية لتفريغ الخبث، ونظام نقل. تعتمد هذه التقنية على مبدأ أن طبقات الأقراص المتعددة المكدسة داخل الأسطوانة تعمل على توسيع منطقة الفصل وتقليل مسافة الترسيب. بعد دخول سائل التغذية إلى الأسطوانة، تترسب البكتيريا بفعل قوة الطرد المركزي على سطح القرص وصولاً إلى قاع الأسطوانة، بينما يُصرّف السائل الصافي من الأعلى، مما يسمح بالتغذية والتفريغ المستمرين. بالمقارنة مع أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية، تتميز أجهزة الطرد المركزي القرصية بسعة معالجة أكبر، ومستوى أعلى من الأتمتة، ومعامل فصل متوسط (3000-10000 دورة/دقيقة)، وقوة قص خفيفة. وهي تلبي متطلبات الفصل المستمر لمرق التخمير على نطاق واسع مع ضمان معدلات بقاء البكتيريا. تُعد هذه الأجهزة مناسبة لمعالجة سوائل التغذية التي تحتوي على نسبة مواد صلبة تتراوح بين 2% و10%، وهي الخيار الأمثل للإنتاج الصناعي لمسحوق البكتيريا.
3. تستخدم أجهزة الطرد المركزي اللولبية الأفقية مبدأ التغذية اللولبية والترسيب المستمر. يدخل سائل التغذية إلى الأسطوانة الدوارة عالية السرعة عبر أنبوب التغذية. بفعل قوة الطرد المركزي، تستقر الخلايا البكتيرية على الجدار الداخلي للأسطوانة. يقوم المغذي اللولبي، الذي يدور بسرعة مختلفة عن سرعة دوران الأسطوانة، بدفع الخلايا البكتيرية المستقرة نحو منفذ التفريغ في الطرف المخروطي للأسطوانة، بينما يُصرّف السائل الصافي من منفذ الفائض في الطرف الآخر، مما يحقق فصلًا وتفريغًا مستمرين. يتكون جهاز الطرد المركزي اللولبي الأفقي هيكليًا من أسطوانة، ومغذي لولبي، وجهاز تغذية، وترس تفاضلي، وغلاف. الأسطوانة أسطوانية الشكل أفقيًا، أسطوانية من أحد طرفيها ومخروطية من الطرف الآخر. يعمل المغذي اللولبي بسرعة مختلفة عن سرعة دوران الأسطوانة، وهو المسؤول عن التفريغ. من مزاياه الإنتاجية العالية وقدرته على معالجة سوائل التغذية ذات المحتوى العالي من المواد الصلبة (5-20%) والتي تحتوي على العديد من الشوائب. مع ذلك، فإن قوة القص عالية نسبيًا، مما قد يؤثر على معدل بقاء الخلايا البكتيرية. يُستخدم هذا النوع من أجهزة الطرد المركزي غالبًا للفصل الأولي لمرق التخمير أو في عمليات الإنتاج واسعة النطاق حيث لا يتطلب الأمر نشاطًا بكتيريًا عاليًا.
ثالثًا، كيف يُمكن اختيار النوع الأنسب من بين هذه الأنواع الثلاثة؟ يعتمد الاختيار على حجم الإنتاج، وخصائص سائل التغذية، ومتطلبات حماية البكتيريا من الجراثيم، مع مراعاة خصائص كل نوع من أنواع الأجهزة. في الإنتاج المختبري أو التجريبي على نطاق صغير، إذا كان الهدف هو الحفاظ على معدل بقاء عالٍ للبكتيريا ومعالجة سائل تغذية منخفض المحتوى الصلب، يُفضل استخدام أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية، والتي يُمكن تزويدها بنظام تبريد (4 درجات مئوية) لحماية البكتيريا بشكل أفضل. أما في الإنتاج الصناعي واسع النطاق، إذا كان التشغيل المستمر مطلوبًا ومعالجة سائل تغذية متوسط المحتوى الصلب، يُفضل استخدام أجهزة الطرد المركزي القرصية، التي تُوازن بين الكفاءة والنشاط البكتيري. في حال احتواء سائل التغذية على شوائب كثيرة ومحتوى صلب عالٍ، وكان معدل بقاء البكتيريا المطلوب منخفضًا، يُمكن استخدام أجهزة الطرد المركزي اللولبية الأفقية لتقليل تكاليف المعالجة.