Fermentoinnin perusteet
Käyminen käsittää sarjan peräkkäisiä toimintoja, alkaen siemenmateriaalin lisäämisestä esivalmistettuun ja lämpötilasäädeltyyn kasvatusalustaan, jota seuraa solujen kasvun tai halutun tuotteen biosynteesin eteneminen. Käymisprosessin päätyttyä muodostuu monimutkainen seos, joka sisältää tuottajasoluja, jäännösravinteita ja kasvatusalustaan kertyneitä biosynteettisiä tuotteita. Tätä seosta kutsutaan yleisesti kasvatusalustaksi.
Fermentointiprosessien tekniset näkökohdat
Mikrobiologiset prosessit luokitellaan niiden teknisen suunnittelun perusteella kahteen pääluokkaan: aerobinen ja anaerobinen viljely.
Aerobinen viljely
Ilmastus on olennainen vaatimus aerobisiin mikro-organismeihin liittyville mikrobiologisille prosesseille. Näiden mikro-organismien hapenkulutukseen vaikuttavat hapettuneen hiilen lähde, niiden fysiologiset ominaisuudet ja kasvuaktiivisuus. Esimerkiksi yhden kg:n hiivamassan biosynteesi vaatii noin 0,74–2,6 kg molekyylihappea. Intensiivisen substraatin kulutuksen olosuhteissa mikro-organismi assimiloituu hiililähteestä riippumatta 0,83–4,0 mg happea litraa kasvualustaa kohden minuutissa.
Hapen liukoisuus väliaineeseen on luonnostaan alhainen ja riippuu lämpötilasta, paineesta sekä liuenneiden, emulgoituneiden ja dispergoituneiden komponenttien pitoisuudesta. 0,1 MPa:n paineessa ja 30 °C:n lämpötilassa hapen suurin liukoisuus 1 litraan tislattua vettä on noin 7,5 mg. Todellisissa ravinneliuoksissa tämä liukoisuus vaihtelee kuitenkin tyypillisesti 2–5 mg/l välillä. Hapen saatavuus väliaineessa ylläpitää aerobista mikrobitoimintaa vain 0,5–2 minuuttia.
Syväviljelyssä happitasoja täydennetään jatkuvalla ilmastuksella ja parannetaan lisäämällä sekoitusintensiteettiä. Biomassan kasvun aikana mikro-organismeilla on tyypillisesti suurempi hapenkulutus verrattuna metaboliittien supersynteesivaiheeseen. Kriittinen happipitoisuus määritellään kynnysarvoksi, jonka alapuolella soluhengitys rajoittuu. Useimmille sokeria sisältävissä substraateissa kasvaville aerobisille mikro-organismeille tämä kriittinen pitoisuus vaihtelee välillä 0,05–0,10 mg/l, mikä vastaa 3–8 %:a kasvualustan kokonaishappisaturaatiosta. Solujen kasvu ja fysiologinen aktiivisuus alkavat heikentyä, kun happipitoisuus on noin 20–25 % glukoosipohjaisen kasvualustan täydestä kyllästymisestä.
Biomassan kasvun optimaalisen happipitoisuuden katsotaan yleensä olevan 50–60 % täydestä kyllästymisestä, kun taas kohdemetaboliittien biosynteesille optimaalinen pitoisuus on 10–20 %.
Anaerobinen viljely
Anaerobiset mikrobiprosessit, jotka luokitellaan vetyatomien tai elektronien lopullisen vastaanottajan perusteella, jaetaan kolmeen ryhmään:
- Hengitys (happi vastaanottajana),
- Käyminen (orgaaniset yhdisteet akseptoreina) ja
- Anaerobinen hengitys (epäorgaaniset yhdisteet, kuten nitraatit ja sulfaatit, toimivat akseptoreina).
Obligaattisilla anaerobeilla käyminen on ainoa energiantuotantomenetelmä. Sitä vastoin fakultatiiviset anaerobit käyvät läpi aluksi käymisvaiheen glukoosikataboliassa, jota seuraa välituotteiden aerobinen hapettuminen, jos happea on läsnä. Erillinen välituoteryhmä sisältää aerotolerantteja mikro-organismeja, jotka saavat energiaa anaerobisten prosessien (substraatin fosforylaation) kautta ja joilla on hengitysketju, joka helpottaa hapen imeytymistä. Tätä mekanismia kutsutaan ”hengitysteiden suojavaikutukseksi”.
Esimerkkejä obligaattisesta anaerobisesta käymisestä ovat voihappo- ja metaanikäyminen. Lähes universaali aineenvaihduntareitti mikro-organismien keskuudessa on glukoosikatabolia glykolyysin kautta, mikä johtaa pyruvaatin muodostumiseen:
Glucose++ 2АТР + 2 NAD = 2 Pyruvate + 4АТР + 2NADH + 2Н+
Alkoholikäymisessä hiivat dekarboksyloivat pyruvaatin muodostaen asetaldehydiä, joka sitten pelkistyy etanoliksi. Maitohappobakteereille ominainen homolaktinen käyminen pelkistää pyruvaatin suoraan maitohapoksi, kun taas heterolaktinen käyminen seuraa pentoosifosfaattireittiä tuottaen maitohappoa, etikkahappoa, etanolia ja hiilidioksidia.
Teollisissa sovelluksissa anaerobisia olosuhteita ylläpidetään suljetuilla käymislaitteilla, puhdistamalla väliaine inertillä kaasulla tai käyttämällä käymisestä peräisin olevia kaasumaisia sivutuotteita. Ilmastuksen puuttuminen yksinkertaistaa bioreaktorin rakennetta ja helpottaa prosessinohjausta anaerobisen käymisen aikana.
| Tuloilman määrä, m3/(m3*min) | Sekoittimen pyörimisnopeus, 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 |
