Fermentering förstås som hela uppsättningen av sekventiella operationer från införandet av frömaterial i ett förberedd och uppvärmt medium till den erforderliga temperaturen och till fullbordandet av processen för celltillväxt eller biosyntes av målprodukten. I slutet av jäsningen bildas en komplex blandning bestående av producentceller, en lösning av förbrukade näringsämnen och biosyntetiska produkter ackumulerade i mediet. Denna blandning kallas ett odlingsmedium.
Bland olika mikrobiologiska processer särskiljs två primära kategorier genom sin tekniska design: aerob och anaerob odling. Var och en av dessa processer använder olika typer av bioreaktorer och fermentorer som är skräddarsydda för deras specifika krav.
Aerob odling kräver luftning av mediet, ett kritiskt villkor för mikrobiologiska processer som involverar aeroba mikroorganismer. Behovet av molekylärt syre från dessa organismer påverkas av typen av oxiderad kolkälla som används, såväl som de fysiologiska egenskaperna och tillväxtaktiviteten hos själva mikroorganismerna. Till exempel kräver biosyntesen av 1 kg jästbiomassa ungefär 0,74 till 2,6 kg molekylärt syre. Under perioder av intensiv substratkonsumtion, oavsett kolkälla, assimilerar producenten vanligtvis mellan 0,83 och 4,0 mg syre per liter medium per minut.
Lösligheten av syre i fermentationsmediet är relativt låg och påverkas av faktorer som 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 mängden löst syre i en liter destillerat vatten cirka 7,5 mg. Men i ett typiskt näringsmedium varierar den maximala syrelösligheten från 2 till 5 mg per liter. Rent praktiskt kan syrereserver i miljön upprätthålla aeroba producenter i endast cirka 0,5 till 2 minuter.
Vid djupodling fylls syrereserverna i näringsmediet på genom luftning med luft. Hastigheten med vilken syre absorberas ökar med intensiteten av blandningen i mediet. Särskilt under biomassatillväxt förbrukar mikroorganismer i allmänhet mer syre än de gör under supersyntesen av målmetaboliter.
Det är viktigt att överväga kritiska syrekoncentrationer som begränsar cellandningen. För de flesta aeroba mikroorganismer som växer på sockerhaltiga substrat faller denna kritiska koncentration mellan 0,05 och 0,10 mg/l, vilket motsvarar 3-8 % av den totala syremättnaden i mediet. Intressant nog kan begränsningar av celltillväxt och fysiologisk aktivitet inträffa vid högre syrekoncentrationer; till exempel begränsas jästtillväxt i glukosmedier när partiellt syretryck (pO2) når cirka 20-25 % av full mättnad. Optimala förhållanden för biomassatillväxt uppnås vid en syrekoncentration på 50-60 % av full mättnad, medan en koncentration på 10-20 % anses vara idealisk för biosyntesen av målmetaboliter.
För att uppnå optimala resultat vid aerob odling är det väsentligt att bioreaktorns utformning underlättar upprätthållandet av den erforderliga syrekoncentrationen. I sådana bioreaktorer spelar flera kritiska faktorer en avgörande roll, inklusive temperaturkontroll, blandningssystem, luftningsmekanismer och pH-reglering. Vart och ett av dessa element måste noggrant optimeras för att skapa en miljö som främjar effektiv tillväxt av aeroba mikroorganismer och framgångsrik produktion av målmetaboliter.
Anaeroba biologiska oxidationsprocesser i heterotrofa mikroorganismer kan klassificeras i tre distinkta grupper, beroende på den slutliga acceptorn för väteatomer eller elektroner: andning (där syre fungerar som acceptor), jäsning (där organiskt material fungerar som acceptor som t.ex. involverande ämnen) och respiranat. som nitrater eller sulfater).
I obligatoriska anaerober är jäsning det enda sättet för energiproduktion. Omvänt använder fakultativa anaerober fermentering som det väsentliga första steget av glukoskatabolism, som sedan kan följas av aerob oxidation av de resulterande produkterna om syre finns i miljön. En unik mellankategori består av aerotoleranta mikroorganismer, som får den energi som krävs för sina vitala funktioner genom anaeroba processer, särskilt på nivån av substratfosforylering. Dessa organismer har också en andningskedja som gör att de kan absorbera syre från sin omgivning och därigenom skapa gynnsamma anaeroba förhållanden. Detta fenomen är känt som ”andningsskyddseffekten.”
Exempel på obligatoriskt anaeroba processer inkluderar smörsyra- och metanjäsningar. En vanlig väg bland nästan alla mikroorganismer – med få undantag – är katabolismen av glukos genom glykolys, vilket resulterar i bildandet av pyruvat:
Glucose+2ATP+2NAD→2Pyruvate+4ATP+2NADH+2H+
Vid alkoholjäsning dekarboxylaterar jäst pyruvat för att bilda acetaldehyd, som sedan reduceras till etanol. Däremot omvandlar mjölksyrabakterier som är engagerade i homolaktisk fermentering pyruvat till mjölksyra. Heterofermentativa mjölksyrabakterier använder en något annorlunda väg – pentosfosfatvägen – för att fermentera glukos, vilket ger inte bara mjölksyra utan också ättiksyra, etanol och koldioxid.
Anaeroba förhållanden i produktionsmiljöer uppnås genom att försegla utrustning och rensa mediet med inerta gaser, inklusive gasformiga biprodukter som bildas under fermenteringen. Frånvaron av krav på medelhög luftning förenklar designen av bioreaktorer under anaerob fermentering och förbättrar processkontrollen.
