औद्योगिक सूक्ष्मजीवशास्त्र

औद्योगिक सूक्ष्मजीवशास्त्र : उद्योगधंद्यांतील प्रक्रियांसाठी किंवा उत्पादनासाठी सूक्ष्मजीवांचा कसा उपयोग करून घेता येईल, यासंबंधी विवेचन करणारे शास्त्र. सूक्ष्मजीव या संज्ञेत प्राण्यांच्या व वनस्पतींच्या पुढील गटांचा समावेश होतो : (१) सूक्ष्मजंतू, (२) कवक (बुरशीसारख्या हरितद्रव्यविरहित वनस्पती) आणि (३) शैवले (शेवाळ्यासारख्या हरितद्रव्ययुक्त वनस्पती). क्लोरेलासारख्या काही शैवलांचा औद्योगिक प्रक्रिया करण्यासाठी उपयोग करण्याच्या दृष्टीने प्रयोग चालू आहेत, पण त्यांचा किफायतशीर उपयोग करणे अद्यापि शक्य झालेले नाही. इतर दोन गटांतील सूक्ष्मजीवांचा उपयोग उद्योगधंद्यांत मोठ्या प्रमाणात होतो. उदा., सूक्ष्मजंतूंचा उपयोग लॅक्टिक अम्ल, ब_१२ जीवनसत्त्व, रिबोफ्लाविन इत्यादींच्या कवकांचा उपयोग अल्कोहॉल व पेनिसिलीन यांसारख्या महत्त्वाच्या पदार्थांच्या औद्योगिक उत्पादनासाठी होतो.

कित्येक सूक्ष्मजीवांची शरीरे किंवा शरीरांचे घटक हेच उद्योगधंद्यांच्या दृष्टीने महत्त्वाचे असतात. उदा., यीस्ट नावाची सूक्ष्म वनस्पती (कवक) पाव बनविण्याच्या आधुनिक प्रक्रियेत मोठ्या प्रमाणात वापरावी लागते. पण पुष्कळदा प्रत्यक्ष सूक्ष्मजीवांऐवजी त्यांच्याद्वारा निर्माण होणारे पदार्थ औद्योगिक दृष्ट्या महत्त्वाचे असतात. उदा., निरेत किंवा गोड रसांत यीस्ट घातली म्हणजे तिच्या क्रियेमुळे उत्पन्न होणारे मद्य (अल्कोहॉल). सारांश, सूक्ष्मजीवांची वाढ होत असताना त्यांच्या शरीरात किंवा शरीराबाहेर मनुष्याच्या दृष्टीने महत्त्वाचे पदार्थ तयार होत असतात. सूक्ष्मजीवांद्वारे घडणारी ही क्रिया म्हणजेच किण्वन क्रिया होय व ती औद्योगिक दृष्ट्या सर्वांत महत्त्वाची आहे. ॲमिनो अम्ले, अल्कोहॉले, मद्ये, प्रतिजैव पदार्थ (अँटिबायोटिक्स), जीवनसत्त्वे, ॲसिटिक अम्ल, सायट्रिक अम्ल इ. औद्योगिक रसायने, पाव इत्यादींच्या उत्पादनात किण्वन क्रिया मोठ्या प्रमाणात वापरली जाते.

इतिहास : दुधापासून दही करणे, गोड रसांपासून किंवा धान्यांपासून मद्य तयार करणे इ. गोष्टींसाठी सूक्ष्मजीवांचा उपयोग मानव कळत न कळत प्राचीन काळापासून करीत आलेला आहे. मद्य तयार करण्याची कृती प्राचीन कालापासून भारतीयांना माहीत होती, असे प्राचीन संस्कृत ग्रंथांतील उल्लेखांवरून दिसून येते. तथापि हे पदार्थ सूक्ष्मजीवांच्या क्रियेमुळे तयार होतात हे एकोणिसाव्या शतकात कळून आले.

गे-ल्युसॅक या फ्रेंच रसायनशास्त्रज्ञांनी १८१० मध्ये अल्कोहॉली किण्वन हे पुढील समीकरणाने दाखविता येते, असे सिद्ध केले.

जर्मन शरीरक्रियाविद टेओडोर श्वान, फ्रीड्रिख क्यूट्सिंग आणि फ्रेंच वैद्य शार्ल कान्यार द ला तूर यांनी स्वतंत्रपणे १८३७ मध्ये असे प्रतिपादले की, अल्कोहॉली किण्वन हे यीस्ट-कोशिकांच्या (पेशींच्या) शरीरक्रियेवर अवलंबून असते. पण या सिध्दांताला लीबिग, व्हलर व इतर बर्‍याच शास्त्रज्ञांनी विरोध केला. त्यांच्या मते किण्वन ही क्रिया रासायनिकच असली पाहिजे.

लूई पाश्चर यांनी १८५७ मध्ये याबद्दल बरेच प्रयोग करून किण्वन ही क्रिया सूक्ष्मजीवांच्या चयापचय (शरीरात सतत होणार्‍या भौतिक व रासायनिक घडामोडी) कार्यामुळे होते असे मत मांडले. तसेच निरनिराळ्या सूक्ष्मजीवांमुळे विविध प्रकारचे किण्वन घडते व किण्वन व सूक्ष्मजीवांची वाढ ही ऑक्सिजनशिवाय होते असेही त्यांनी प्रतिपादले. रासायनिक भाषेत किण्वनाची व्याख्या मांडण्याचा प्रयत्‍न माउरिट्स ट्रॉउबे यांनी १८५८ मध्ये केला. सर्व किण्वने ही सूक्ष्मजीवांत असणार्‍या एंझाइम [सजीव कोशिकांमध्ये रासायनिक विक्रिया घडवून आणल्यास मदत करणारे संयुग, → एंझाइमे] या पदार्थामुळे होतात व हे एंझाइम प्रथिनासारखे असते असे त्यांनी प्रतिपादले. याला रिकार्ट व्हिल्श्टेटर यांनी पाठिंबा दिला. १९२० मध्ये त्यांनी यीस्टमधून इन्व्हर्टेज हे एंझाइम वेगळे केले. ह्या इन्व्हर्टेजमुळे साखरेचे ग्लुकोज व फ्रुक्टोजमध्ये रूपांतर होते.

एडूआर्ट बूखनर यांनी १८९७ मध्ये वाळूबरोबर यीस्ट कोशिका दळल्या व मिळालेल्या अर्कात साखर घालून त्याचे परिरक्षण (संरक्षण) करण्याचा प्रयोग केला. हे मिश्रण हळूहळू फसफसू लागले व कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू त्यातून निघून अल्कोहॉल तयार झाले असे त्यांना आढळून आले.

पहिल्या महायुध्दापर्यंत मानवाला उपयुक्त अशा पदार्थांचे उत्पादन करण्यासाठी सूक्ष्मजीवांचा उपयोग करणे फारसे मान्यता पावलेले नव्हते. त्यावेळी ॲसिटोन, ब्युटेनॉल व काही विशिष्ट एंझाइमे यांचे सूक्ष्मजीवांचा उपयोग करून उत्पादन करण्यात आले. दुसर्‍या महायुद्धकाळात पेनिसिलीनच्या उपयुक्ततेचा शोध लागल्यानंतर किण्वन उद्योगाचा फार मोठा विकास झाला व सूक्ष्मजीवशास्त्राचे औद्योगिक महत्त्व प्रस्थापित झाले. अवकाश प्रवास, प्रदूषण (दूषितीकरण) व औद्योगिक अपशिष्टांची (निरुपयोगी पदार्थांची) विल्हेवाट यांसंबंधीचे काही प्रश्न सूक्ष्मजीवांचा उपयोग करून सोडविण्यात येत आहेत [→औद्योगिक अपशिष्ट प्रतिजैव पदार्थ प्रदूषण].

किण्वन : सामान्य तापमानाला निरा काही तास तशीच राहू दिली म्हणजे तिची ताडी बनते किंवा द्राक्षाचा रस काही दिवस तसाच राहू दिला म्हणजे त्याची दारू तयार होते. निरेत किंवा द्राक्षाच्या रसात ज्या शर्करा असतात त्यांचे अपघटन होऊन (रेणूचे तुकडे होऊन लहान रेणू तयार होऊन) अल्कोहॉल व कार्बन डाय-ऑक्साइड ही तयार होतात. हे अपघटन यीस्टच्या क्रियेमुळे घडत असते. अशा प्रक्रियेला किण्वन म्हणतात. ज्या सूक्ष्मजीवामुळे किण्वन घडून येते त्याला किण्व म्हणतात. द्राक्षावर, ताडा-माडावर किंवा हवेत यीस्ट असते व ते निरेत किंवा द्राक्षाच्या रसात शिरल्यावर यीस्टची वाढ होते. यीस्टच्या कोशिकांत काही एंझाइमे असतात व त्यांच्यामुळे किण्वन घडून येते. ही वनस्पती स्वत: उपस्थित नसली तरी तिच्यापासून मिळणार्‍या एंझाइमामुळे किण्वन होऊ शकते. एंझाइमे ही जटिल, नायट्रोजनयुक्त कार्बनी संयुगे असतात व त्यांच्या उत्प्रेरण क्रियेमुळे (विक्रियेत भाग न घेता विक्रियेची गती वाढविण्याच्या क्रियेमुळे) किण्वन घडून येते. एंझाइमांचे शेकडो प्रकार आहेत. कोणतेही एखादे एंझाइम घेतले तर त्याची क्रिया एकाच किंवा काही थोड्या पदार्थांवरच होते व निरनिराळ्या एंझाइमांच्या क्रिया निरनिराळ्या होतात. तापविल्यावर एंझाइमांची क्रियाशक्ती नाहीशी होते. सूक्ष्मजीवांचा उपयोग मुख्यत: त्यांच्या किण्वनशक्तीमुळेच होत असतो. औद्योगिक किण्वनाचे स्वरूप पुढील समीकरणाने दर्शविता येईल :

सूक्ष्मजीव + ज्याच्यात तो वाढतो तो पदार्थ → सूक्ष्मजीवाची वाढ + चयापचयाचे पदार्थ.

सूक्ष्मजीवांची पुरेशी वाढ झाली म्हणजे सूक्ष्मजीव व त्यांच्या क्रियेने तयार झालेले पदार्थ वेगळे करून ते शुद्ध करतात व त्यांचा इष्ट तो उपयोग केला जातो.

यीस्टसारखे सूक्ष्मजीव मिळविणे हाच हेतू असो किंवा त्यांच्या किण्वन क्रियेचा उपयोग करून घेऊन अल्कोहॉलसारखा पदार्थ मिळविणे हा हेतू असो, इष्ट सूक्ष्मजीवाची चांगली जात आणि वाण मिळविणे व तिची चांगली व भरपूर वाढ होईल अशी व्यवस्था करणे आवश्यक असते. काही सूक्ष्मजीवांची वाढ हवाबंद भांड्यात होते तर काहींच्या वाढीस हवा आवश्यक असते. सूक्ष्मजीवांची वाढ ज्या विद्रावात करावयाची त्याच्यात त्यांना आवश्यक तेवढी पोषणद्रव्ये असावी लागतात व नसली तर घालावी लागतात. विद्रावाची संहती (त्यांत विरघळलेल्या पदार्थांचे प्रमाण), त्याचे तापमान व ही पोषणद्रव्ये विशिष्ट मर्यादेत ठेवावी लागतात. तसेच कोणताही अनिष्ट पदार्थ विद्रावात शिरणार नाही अशी काळजी घ्यावी लागते. उदा., विरजण लावताना काही अनिष्ट सूक्ष्मजीवांचा शिरकाव झाला तर दही वाईट, कडवट होते. त्याप्रमाणेच काही अनिष्ट सूक्ष्मजीव रसायनात शिरल्यास ताडी, बिअर इ. मद्यांचा स्वाद व चव बिघडतात.

किण्वनाचे स्वरूप : यीस्टच्या कोशिकांत अनेक एंझाइमे असतात, त्यांपैकी काही पुढील होत.

(१) इन्व्हर्टेज : याच्यामुळे सुक्रोजचे (साध्या साखरेचे) जलीय विच्छेदन (पाण्याच्या विक्रियेने अपघटन) होऊन ग्लुकोज व फ्रुक्टोज यांचे मिश्रण तयार होते.

(२) माल्टेज : याच्यामुळे माल्टोजचे जलीय विच्छेदन होऊन त्याचे ग्लुकोज होते

(३) झायमेज : याच्यामुळे ग्लुकोज, फ्रुक्टोज व मॅनोज यांचे किण्वन होऊन अल्कोहॉल तयार होते.

ताडी, बिअर व इतर सर्व प्रकारची मद्ये व औद्योगिक अल्कोहॉल ही यीस्टच्या किण्वनाचा उपयोग करून तयार केली जातात म्हणून औद्योगिकदृष्ट्या ही प्रक्रिया फार महत्त्वाची आहे [→ अल्कोहॉल].

अल्कोहॉल निर्माण करणार्‍या किण्वन प्रक्रियेला अल्कोहॉली किण्वन म्हणतात. किण्वनाच्या आणखी काही प्रकारांचे वर्णन पुढे दिलेले आहे.

डायास्टॅटिक किण्वन : धान्यांना मोड येत असताना त्यांच्या दाण्यांत डायास्टेज (ॲमिलेज) नावाचे एंझाइम तयार होते. त्याची मोड आलेल्या धान्यातील स्टार्चवर क्रिया होऊन डेक्स्ट्रीन (C₆H₁₂O₆) व माल्टोज (C₁₂H₂₂O₁₁) ही तयार होतात या प्रक्रियेला डायास्टॅटिक किण्वन म्हणतात. बिअर, जीन, व्हिस्की व इतर काही मद्ये तयार करताना या किण्वनाचा उपयोग करतात. काही काल जाऊ दिल्यावर नंतर यीस्ट वापरून अल्कोहॉली किण्वन करतात [ → मद्य ].

लॅक्टिक किण्वन : दुधात लॅक्टोज (दुग्धशर्करा) नावाची शर्करा असते. दूध उघडे राहिले म्हणजे हवेतील लॅक्टोबॅसिलस नावाचे सूक्ष्मजंतू त्याच्यात शिरतात. त्यांची वाढ होऊन त्यांच्या किण्वन क्रियेने लॅक्टिक अम्ल तयार होते व त्यामुळे दूध आंबट होते.

लॅक्टिक किण्वनामुळे लॅक्टोजखेरीज इतर शर्करांचेही लॅक्टिक अम्लात रूपांतर होते.

ॲसिटिक किण्वन : बिअर, वाईन यांसारखी ऊर्ध्वपातन (वाफ थंड करून द्रव प्रदार्थ मिळविण्याची क्रिया) न केलेली सौम्य मद्ये उघड्या हवेत राहू दिली असता त्यांच्यातील अल्कोहॉलचे ॲसिटिक अम्लात रूपांतर होऊन ती आंबट होतात.

ही विक्रिया हवेतील ऑक्सिजनमुळे होत नसून बॅक्टेरियम ॲसिटी नावाच्या सूक्ष्मजंतूमुळे होते. हे सूक्ष्मजंतू हवेत असतात व त्यांच्यातील काही यदृच्छया उघड्या मद्यात शिरतात. तेथे त्यांची वाढ होऊन त्यांच्या क्रियेने किण्वन घडून येते. संहत (अल्कोहॉलचे प्रमाण जास्त असलेल्या) मद्याचे किंवा शुद्ध अल्कोहॉलच्या पाण्यातील विद्रावाचे (मग ते कितीही विरल असोत) असे किण्वन होत नाही, कारण संहत अल्कोहॉलात किण्व निष्क्रिय होते व केवळ पाण्याने विरल केलेल्या अल्कोहॉलात किण्वाच्या वाढीस आवश्यक ती नायट्रोजनमुक्त द्रव्ये किंवा खनिज लवणे नसतात. वर उल्लेख केल्यासारख्या सौम्य मद्यांत मात्र हे आवश्यक पदार्थ असतात.

शिर्क्यामध्ये (व्हिनेगारमध्ये) ॲसिटिक अम्ल असल्यामुळे त्याला आंबटपणा येतो. शिर्का सामान्यत: ॲसिटिक किण्वनाने बनविलेला असतो. मद्ये बनविण्याची कच्ची रसायने, शिल्लक राहिलेली स्वस्त सौम्य मद्ये इत्यादींचे ॲसिटिक किण्वन करून शिर्का तयार करतात. शिर्का तयार होण्याच्या प्रक्रियेचे स्वरूप एकोणिसाव्या शतकात कळून आले असले, तरी प्राचीन काळापासून मानव शिर्का तयार करीत व वापरीत आलेला आहे. किण्वनाने शिर्का तयार करण्याच्या अनेक पद्धती आहेत [→ ॲसिटिक अम्ल शिर्का].

किण्वनाचा औद्योगिक उपयोग : किण्वन प्रक्रियेचा उपयोग करून एथिल अल्कोहॉल, n-ब्यूटिल अल्कोहॉल व इतर अल्कोहॉले, ॲसिटोन, ॲसिटिक अम्ल, लॅक्टिक अम्ल, सायट्रिक अम्ल, फ्रुक्टोज यांसारखी अनेक कार्बनी संयुगे तयार करता येतात. विसाव्या शतकाच्या पूर्वार्धात एथिल अल्कोहॉल व वर उल्लेख केलेल्या इतर बर्‍याचशा संयुगांचे औद्योगिक उत्पादन किण्वन पद्धतीनेच होत असे. पण त्यानंतरच्या कालात रासायनिक संश्लेषणाने (घटक पदार्थ एकत्र आणून कृत्रिम पद्धतीने) कार्बनी संयुगे बनविण्याच्या पद्धतींचे शोध लागल्यापासून किण्वन पद्धती मागे पडल्या आहेत व वरील पदार्थांचे बरेचसे किंवा बहुतेक सर्व औद्योगिक उत्पादन संश्लेषण पद्धतीनेच केले जाते. पिण्याची मद्ये मात्र अद्यापि किण्वन पद्धतीने केली जातात. ही मद्ये उसाच्या रसाच्या ज्या भागापासून साखरेचे स्फटिक सहज क्रियेने तयार करता येत नाहीत असा भाग म्हणजे मोलॅसीस, फळांचे रस, धान्ये इत्यादींपासून बनविलेली असतात व ज्या मूळ पदार्थांपासून ती बनविलेली असतात त्यांच्यावरून व करण्याच्या पद्धतीवरून प्रत्येक मद्यास एक विशिष्ट स्वाद, चव व गंध येतात व पिणार्‍यांमध्येही त्यांची आवड निर्माण झालेली असते. वरील पदार्थांच्या किण्वनाने मद्य करणे महाग पडत असले, तरी संश्लेषित मद्याला तशी रुची येत नसल्यामुळे संश्लेषित एथिल अल्कोहॉल पीत नाहीत. पण उद्योगधंद्यातील कामासाठी एथिलिनापासून (CH₂=CH₂) संश्लेषणाने बनविलेले एथिल अल्कोहॉल फार मोठ्या प्रमाणात वापरले जाते.

वर उल्लेख केलेल्या रासायनिक संयुगांची संरचना एकंदरीत साधी आहे व संश्लेषणाने ती तयार करणे शक्य झालेले आहे. तथापि पेनिसिलीन, स्ट्रेप्टोमायसीन यांसारखे प्रतिजैव पदार्थ, ॲमिनो अम्ले, एंझाइमे यांसारख्या ज्या संयुगांची संरचना जटिल किंवा अतिशय जटिल आहे व ज्यांचे संश्लेषण करणे शक्य झालेले नाही अशी संयुगे बनविण्याकडेच सूक्ष्मजीवांचा उपयोग आता मुख्यत: केला जातो. या संयुगांपैकी मुख्य व ज्यांचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन केले जाते त्यांची माहिती खाली दिली आहे.

एंझाइमे : काही सूक्ष्मजीवांकडून उपयुक्त एंझाइमांची निर्मिती होते असे आढळल्याने, अशा एंझाइमांची मोठ्या प्रमाणावर निर्मिती करण्याकडे शास्त्रज्ञांचे लक्ष वेधले गेले. बुरशीपासून एंझाइमांची निर्मिती करता येते व अशा एंझाइमांचा उद्योगधंद्यांत वापर करता येतो असे १८९४ मध्ये टाकामिने यांना आढळून आले. आज बर्‍याच उत्पादक संस्था ॲमिलेज, प्रोटिएज, पेक्टिनेज, पेनिसिलिनेज इ. एंझाइमे तयार करून त्यांची विक्री करतात. बुरशीच्या अनेक जातींपासून व वाणांपासून बरीच एंझाइमे मिळतात. ॲस्परजिलस  वंशापासून जवळजवळ ३४ एंझाइमे मिळविण्यात आली आहेत. १९१७ मध्ये बायोडिन व एर्फोंट यांनी सूक्ष्मजीवांपासून एंझाइमे मिळविली. अशा एंझाइमांचा उपयोग करून मद्ये, अल्कोहॉले, पेनिसिलीन, ग्लुकोज इ. महत्त्वाच्या व व्यापारी पदार्थांचे उत्पादन केले जाते.

जीवनसत्त्वे : किण्वनाने रिबोफ्लाविन, थायामीन, निॲसीन, फॉलिक अम्ल इ. ब गटातील जीवनसत्त्वे व ड जीवनसत्त्वे तयार करण्यासाठी लागणारे इर्गोस्टेरॉल हे संयुग तयार करण्यात येते. वर उल्लेख केलेली जीवनसत्त्वे सामान्यत: यीस्टमध्ये आढळतात. यांपैकी रिबोफ्‍लाविन हे जीवनसत्त्वे किण्वनाने मोठ्या प्रमाणावर तयार केले जाते. यासाठी मायकोबॅक्टिरियम स्मेग्मॅटिस, क्लोस्ट्रिडियम ॲलिटोब्युटिलीकम, मायकोकँडिया रिबोलाविना इ. सूक्ष्मजीवांचा उपयोग करतात.

ॲमिनो अम्ले : लासयीन, ग्लुटामिक अम्ल व ट्रिप्टोफेन इ. ॲमिनो अम्लांचे मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादन किण्वन प्रक्रियेने केले जाते. जपान व अमेरिकेची संयुक्त संस्थाने यांमध्ये असे उत्पादन केले जाते [→ ॲमिनो अम्ले].

स्टेरॉइडे : औषध म्हणून वापरल्या जाणार्‍या स्टेरॉइडांचे उत्पादन रासायनिक व सूक्ष्मजैव पद्धतींनी केले जाते. काही सूक्ष्मजीवांपासून मिळणार्‍या एंझाइमांमुळे बर्‍याच स्टेरॉइडांचे किण्वनाच्या साहाय्याने उत्पादन केले जाते. प्रोजेस्टेरॉन, कॉर्टिकोस्टेरॉन, कोलेस्टेरॉल इ. स्टेरॉइडांचे उत्पादन किण्वनाने करण्यात येते.

प्रतिजैव पदार्थ : स्ट्रेप्टोमायसीज  इ. वंशांतील सूक्ष्मजंतूंपासून किण्वनाच्या साहाय्याने औषध म्हणून वापरण्यात येणार्‍या बर्‍याच प्रतिजैव पदार्थांचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन केले जाते. स्ट्रेप्टोमायसीन, पेनिसिलीन, निओमायसीन, ॲम्फोटेरीसीन, क्लोराम्फेनिकॉल, टेट्रासायक्लीन इ. महत्त्वाचे प्रतिजैव पदार्थ किण्वनाने तयार केले जातात.

पहा : अल्कोहॉल ऍ़सिटिक अम्ल एंझाइमे खाद्यपदार्थ उद्योग जीवनसत्त्वे प्रतिजैव पदार्थ मद्य सूक्ष्मजीवशास्त्र स्टेरॉल व स्टेरॉइडे.

संदर्भ : 1. Hockenhull, D. J. D., Ed., Progress in Iudustrial Microbiology. New York, 1959-64.

     2. Prescott, S. C. Dunn. C. G. Industrial Microbiology, New York, 1959.

     3. Rose, A. H. Industrial Microbiology London, 1961.

     4. Underkofler, L. A. Hickey, R. J. Industrial Fermentations, 2 Vols., New York, 1954.

लवाटे, वा. वि. मिठारी, भू. चिं. 

“