Käymisellä tarkoitetaan kokonaisuutta peräkkäisiä toimintoja siemenmateriaalin lisäämisestä esivalmistettuun ja vaadittuun lämpötilaan lämmitettyyn väliaineeseen ja kohdetuotteen solukasvun tai biosynteesin loppuunsaattamiseen. Käymisen lopussa muodostuu monimutkainen seos, joka koostuu tuottajasoluista, kulutettujen ravinteiden liuoksesta ja väliaineeseen kertyneistä biosynteettisistä tuotteista. Tätä seosta kutsutaan viljelyalustaksi.
Erilaisista mikrobiologisista prosesseista erotetaan kaksi pääluokkaa teknisen suunnittelunsa perusteella: aerobinen ja anaerobinen viljely. Kummassakin näistä prosesseista käytetään erityyppisiä bioreaktoreita ja fermentoreita, jotka on räätälöity niiden erityisvaatimuksiin.
Aerobinen viljely edellyttää kasvualustan ilmastamista, mikä on kriittinen edellytys aerobisiin mikro-organismeihin liittyville mikrobiologisille prosesseille. Näiden organismien molekyylihapen tarpeeseen vaikuttavat käytetyn hapettuneen hiilen lähteen tyyppi sekä itse mikro-organismien fysiologiset ominaisuudet ja kasvuaktiivisuus. Esimerkiksi yhden kg:n hiivabiomassan biosynteesi vaatii noin 0,74–2,6 kg molekyylihappea. Intensiivisen kasvualustan kulutuksen aikana tuottaja hiilen lähteestä riippumatta tyypillisesti assimiloi 0,83–4,0 mg happea kasvualustalitraa kohden minuutissa.
Hapen liukoisuus käymisliuokseen on suhteellisen alhainen, ja siihen vaikuttavat tekijät, kuten lämpötila, paine sekä liuenneiden, emulgoituneiden ja dispergoituneiden komponenttien pitoisuus. 0,1 MPa:n paineessa ja 30 °C:n lämpötilassa liuenneen hapen enimmäismäärä litrassa tislattua vettä on noin 7,5 mg. Tyypillisessä ravinneliuoksessa hapen suurin liukoisuus vaihtelee kuitenkin 2–5 mg:n välillä litrassa. Käytännössä ympäristön happivarastot riittävät ylläpitämään aerobisia tuottajia vain noin 0,5–2 minuuttia.
Syväviljelyn aikana ravintoalustan happivarastot täydentyvät ilmastamalla ilmaa. Hapen imeytymisnopeus kasvaa alustan sisällä tapahtuvan sekoittumisen voimakkuuden myötä. Huomionarvoista on, että biomassan kasvun aikana mikro-organismit yleensä kuluttavat enemmän happea kuin kohdemetaboliittien supersynteesin aikana.
On tärkeää ottaa huomioon kriittiset happipitoisuudet, jotka rajoittavat soluhengitystä. Useimmille sokeripitoisilla alustoilla kasvaville aerobisille mikro-organismeille tämä kriittinen pitoisuus on 0,05–0,10 mg/l, mikä vastaa 3–8 %:a alustan kokonaishappisaturaatiosta. Mielenkiintoista on, että solujen kasvulle ja fysiologiselle aktiivisuudelle voi olla rajoituksia korkeammilla happipitoisuuksilla; esimerkiksi hiivan kasvu glukoosi-alustassa rajoittuu, kun hapen osittainen paine (pO2) saavuttaa noin 20–25 % täydestä kyllästymisestä. Optimaaliset olosuhteet biomassan kasvulle saavutetaan happipitoisuudella 50–60 % täydestä kyllästymisestä, kun taas 10–20 %:n pitoisuutta pidetään ihanteellisena kohdemetaboliittien biosynteesille.
Optimaalisten tulosten saavuttamiseksi aerobisessa viljelyssä on olennaista, että bioreaktorin suunnittelu helpottaa vaaditun happipitoisuuden ylläpitämistä. Tällaisissa bioreaktoreissa useilla kriittisillä tekijöillä on keskeinen rooli, mukaan lukien lämpötilan säätö, sekoitusjärjestelmät, ilmastusmekanismit ja pH:n säätely. Jokainen näistä elementeistä on optimoitava huolellisesti, jotta luodaan ympäristö, joka edistää aerobisten mikro-organismien tehokasta kasvua ja kohdemetaboliittien onnistunutta tuotantoa.
Heterotrofisten mikro-organismien anaerobiset biologiset hapetusprosessit voidaan luokitella kolmeen erilliseen ryhmään vetyatomien tai elektronien lopullisen vastaanottajan mukaan: hengitys (jossa happi toimii vastaanottajana), käyminen (jossa orgaaninen aine toimii vastaanottajana) ja anaerobinen hengitys (johon liittyy epäorgaanista ainetta, kuten nitraatteja tai sulfaatteja).
Obligaattisissa anaerobeissa käyminen on ainoa energiantuotantotapa. Fakultatiivisissa anaerobeissa käyminen on puolestaan glukoosikatabolian ensimmäinen välttämätön vaihe, jota voi seurata syntyneiden tuotteiden aerobinen hapettuminen, jos ympäristössä on happea. Ainutlaatuisen välikategorian muodostavat aerotolerantit mikro-organismit, jotka saavat elintärkeisiin toimintoihinsa tarvittavan energian anaerobisten prosessien kautta, erityisesti substraattien fosforylaation tasolla. Näillä organismeilla on myös hengitysketju, jonka avulla ne voivat imeä happea ympäristöstään, mikä luo suotuisat anaerobiset olosuhteet. Tätä ilmiötä kutsutaan ”hengitysteiden suojavaikutukseksi”.
Esimerkkejä obligaattisesti anaerobisista prosesseista ovat voihappo- ja metaanikäyminen. Lähes kaikkien mikro-organismien yhteinen reitti – muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta – on glukoosin katabolia glykolyysin kautta, mikä johtaa pyruvaatin muodostumiseen:
Glucose+2ATP+2NAD→2Pyruvate+4ATP+2NADH+2H+
Alkoholikäymisessä hiiva dekarboksyloi pyruvaatin muodostaen asetaldehydiä, joka sitten pelkistyy etanoliksi. Sitä vastoin homolaktisessa käymisessä mukana olevat maitohappobakteerit muuttavat pyruvaatin maitohapoksi. Heterokäymisessä käytettävät maitohappobakteerit käyttävät hieman erilaista reittiä – pentoosifosfaattireittiä – glukoosin käymiseen, jolloin syntyy paitsi maitohappoa myös etikkahappoa, etanolia ja hiilidioksidia.
Anaerobiset olosuhteet tuotantoympäristöissä saavutetaan sulkemalla laitteet ja puhdistamalla väliaine inertillä kaasulla, mukaan lukien käymisen aikana muodostuvat kaasumaiset sivutuotteet. Väliaineen ilmastuksen puuttuminen yksinkertaistaa bioreaktorien suunnittelua anaerobisen käymisen aikana ja parantaa prosessinohjausta.
