Fundamentals of Fermentation
Fermentering omfattar en serie av sekventiella operationer, som börjar med införandet av frömaterial i ett förberedd och termiskt reglerat medium, följt av progressionen av celltillväxt eller biosyntes av den önskade produkten. När jäsningsprocessen har avslutats bildas en komplex blandning, bestående av produktionsceller, restnäringsämnen och biosyntetiska produkter ackumulerade i mediet. Denna blandning kallas vanligen för odlingsmediet.
Teknologiska aspekter av jäsningsprocesser
Mikrobiologiska processer klassificeras utifrån deras tekniska design, med två primära kategorier är aerob och anaerob odling.
Aerob odling
Luftning är ett väsentligt krav för mikrobiologiska processer som involverar aeroba mikroorganismer. Syrebehovet hos dessa mikroorganismer påverkas av den oxiderade kolkällan, deras fysiologiska egenskaper och deras tillväxtaktivitet. Biosyntesen av 1 kg jästbiomassa kräver till exempel cirka 0,74–2,6 kg molekylärt syre. Under förhållanden med intensiv substratkonsumtion, oavsett kolkälla, assimilerar mikroorganismen mellan 0,83–4,0 mg syre per liter medium per minut.
Lösligheten av syre i mediet är i sig låg och är beroende av temperatur, tryck och koncentrationen av lösta, emulgerade och dispergerade komponenter. Vid ett tryck på 0,1 MPa och en temperatur på 30°C är den maximala lösligheten av syre i 1 liter destillerat vatten cirka 7,5 mg. Men i verkliga näringsmedier varierar denna löslighet vanligtvis mellan 2 och 5 mg/L. Syretillgången i mediet upprätthåller aerob mikrobiell aktivitet i endast 0,5–2 minuter.
Vid djupodling fylls syrenivåerna på genom kontinuerlig luftning och förstärks genom ökad blandningsintensitet. Under biomassatillväxt uppvisar mikroorganismer vanligtvis högre syreförbrukning jämfört med fasen av metabolitens supersyntes. En kritisk syrekoncentration definieras som den tröskel under vilken cellandningen blir begränsad. För de flesta aeroba mikroorganismer som växer i sockerhaltiga substrat varierar denna kritiska koncentration från 0,05 till 0,10 mg/L, vilket motsvarar 3–8 % av mediets totala syremättnad. Celltillväxt och fysiologisk aktivitet börjar avta vid syrekoncentrationer på cirka 20–25 % av full mättnad i glukosbaserade medier.
Den optimala syrekoncentrationen för biomassatillväxt anses generellt vara 50–60 % av full mättnad, medan den optimala koncentrationen för biosyntesen av målmetaboliter är 10–20 %.
Anaerob odling
Anaeroba mikrobiella processer, klassificerade baserat på den slutliga acceptorn av väteatomer eller elektroner, delas in i tre grupper:
- Andning (syre som en acceptor),
- Fermentering (organiska föreningar som acceptorer), och
- Anaerob andning (oorganiska föreningar som nitrater och sulfater som acceptorer).
För obligatoriska anaerober är fermentering den enda metoden för energiproduktion. Däremot genomgår fakultativa anaerober ett initialt jäsningssteg i glukoskatabolism, följt av aerob oxidation av mellanprodukter om syre är närvarande. En distinkt mellangrupp inkluderar aerotoleranta mikroorganismer, som får energi genom anaeroba processer (substratfosforylering) samtidigt som de har en andningskedja som underlättar syreabsorptionen. Denna mekanism kallas ”andningsskyddseffekten”.
Exempel på obligatorisk anaerob jäsning inkluderar smörsyra- och metanjäsningar. En nästan universell metabolisk väg bland mikroorganismer är glukoskatabolism via glykolys, vilket leder till pyruvatbildning:
Glucose++ 2АТР + 2 NAD = 2 Pyruvate + 4АТР + 2NADH + 2Н+
Vid alkoholjäsning dekarboxylerar jäst pyruvat för att bilda acetaldehyd, som sedan reduceras till etanol. Homolaktisk jäsning, karakteristisk för mjölksyrabakterier, reducerar pyruvat direkt till mjölksyra, medan heterolaktisk jäsning följer en pentosfosfatväg och producerar mjölksyra, ättiksyra, etanol och koldioxid.
Anaeroba förhållanden i industriella applikationer upprätthålls genom förseglad jäsningsutrustning, rening av mediet med inerta gaser eller genom att använda jäsningshärledda gasformiga biprodukter. Frånvaron av luftning förenklar bioreaktorns strukturella design och underlättar processkontroll under anaerob fermentering.
| Mängd tillförd luft, m3/(m3*min) | Blandarens rotationshastighet, min-1 | ||||
| 0 | 500 | 800 | 1000 | 2000 | |
| 0,35 | 1,3 | 4,0 | 7,5 | 14,5 | 15,1 |
| 0,65 | 3,5 | 7,3 | 12,1 | 19,1 | 22,1 |
| 1,00 | 6,0 | 10,0 | 15,0 | 23,0 | 24,0 |
| 1,30 | 7,5 | 13,9 | 18,0 | 26,0 | 28,0 |
| 1,60 | 11,0 | 15,5 | 20,0 | 27,0 | 29,0 |
