Teknologisesta näkökulmasta käymisprosessit voidaan luokitella seuraaviin mikrobiologisiin menetelmiin: aerobinen ja anaerobinen viljely; kiinteäfaasi-, pinta- ja syväviljely; sekä panos- ja jatkuvatoiminen viljely. Tässä artikkelissa käsitellään pinta- ja syväviljelyä sekä panos- ja jatkuvatoimista viljelyä.
Pintakäyminen nestemäisillä alustoilla. Pintakäyminen suoritetaan kyvetissä, jotka on sijoitettu ilmajäähdytettyihin kammioihin, joissa mikro-organismien viljelmä muodostaa biomassaa kalvona tai kiinteänä kerroksena nestemäisen väliaineen pinnalle. Happi absorboituu suoraan kaasufaasista (ilmasta), ja massansiirto näissä olosuhteissa on suhteellisen alhainen.
Mikro-organismien syväviljely. Syväviljelyä tapahtuu koko nestemäisen ravintoalustan tilavuudessa, joka sisältää liuennutta substraattia. Fermentorin on edistettävä mikrobien kasvua ja kehitystä nestefaasissa toimittamalla ravinteita mikrobisoluille, poistamalla aineenvaihdunnan sivutuotteita ja haihduttamalla solujen toiminnan tuottamaa lämpöä.
Eräviljely ja jatkuva viljely
- Eräviljely. Eräviljelyssä koko ravintoalustan tilavuus lisätään fermentoriin yhdessä inokulaatin kanssa. Mikrobien kasvu tapahtuu optimaalisissa olosuhteissa tietyn ajan, minkä jälkeen prosessi pysäytetään ja fermentorin sisältö kerätään tuotteen eristämistä varten. Mikrobien kasvusykli koostuu seuraavista vaiheista: viivevaihe, eksponentiaalivaihe, hidastuvuusvaihe, stationäärivaihe ja kuolemavaihe.
Syöttöeräviljely on laajalti käytetty muunnelma, jossa tuoretta viljelyalustaa lisätään ajoittain poistamatta viljelynestettä. Lisäksi puolijatkuvassa viljelyssä osa viljelytilavuudesta poistetaan ajoittain ja korvataan vastaavalla määrällä tuoretta viljelyalustaa.
- Jatkuva viljely. Jatkuvassa viljelyssä bioreaktoriin syötetään jatkuvasti tuoretta ravintoalustaa, samalla kun mikrobibiomassaa sisältävä viljelyalusta poistetaan. Tämä menetelmä pitää mikro-organismit tasaisessa eksponentiaalisessa kasvuvaiheessa varmistaen tasapainon solujen jakautumisen kautta tapahtuvan biomassan tuotannon ja sen poistamisen välillä laimentamalla sitä tuoreella viljelyalustalla.
Laajimmin tutkittu jatkuvatoiminen käymismenetelmä on upotettu käyminen, joka voidaan luokitella joko homogeeniseksi tai heterogeeniseksi jatkuvatoimiseksi käymiseksi:
- Homogeeninen jatkuva käyminen: Suoritetaan hyvin sekoitetussa bioreaktorissa, jossa kaikki parametrit pysyvät vakioina ajan kuluessa.
- Heterogeeninen jatkuva käyminen: Käsittää useita sarjaan kytkettyjä käymisastioita, joissa ravintoalusta tulee ensimmäiseen yksikköön ja lopullinen viljelyneste poistuu viimeisestä yksiköstä.
Mikrobien huuhtoutumisen estämiseksi jatkuva viljely edellyttää vakaan solupitoisuuden ylläpitämistä. Steriileissä olosuhteissa jatkuva läpivirtausfermentaatio varmistaa mikrobiviljelmän pitkäkestoisen fysiologisen aktiivisuuden.
Dynaamisen tasapainon ylläpitämiseen käytetyn menetelmän perusteella jatkuva viljely noudattaa joko turbidostaattista tai kemostaattista periaatetta:
- Turbidostaatti: Ravinteiden virtausnopeutta säädellään biomassapitoisuuden pitämiseksi vakiona.
- Kemostaatti: Mikrobien kasvua rajoittaa tietty ravintoaine (esim. hiili, happi tai välttämättömät vitamiinit), kun taas muita ravintoaineita on liikaa. Kasvua voidaan säädellä myös pH:n säädöllä (pH-stat) tai hapen saatavuuden säätelyllä (oksystaatti).
Fermentointiprosessien optimointi. Fermentointimenetelmän valinta riippuu tuotantotavoitteesta – onko tavoitteena biomassa vai aineenvaihduntatuotteet. Jos tavoitteena on biomassan tuotanto, fermentoinnissa pyritään saavuttamaan mahdollisimman korkea solupitoisuus. Aineenvaihduntatuotteiden tuotannossa kohdeyhdisteiden kertyminen tapahtuu ajan myötä, ja huipputuotannon vaiheet vaihtelevat biomassan ja aineenvaihduntatuotteiden välillä. Tämän seurauksena fermentoinnin kesto vaihtelee:
- Biomassan tuotanto eräprosesseissa: ≤24 tuntia
- Ensisijaisen metaboliitin biosynteesi: 48–72 tuntia
- Toissijaisen metaboliitin biosynteesi: 72–144 tuntia
Eri mikro-organismien viljelyolosuhteet vaihtelevat. Käyttölämpötilat vaihtelevat 25–60 °C:n välillä, pH-arvot ovat tyypillisesti noin 2,9 ja ilmankulutus aerobisissa prosesseissa vaihtelee 0,15–2,5 m³ viljelyalustaa kohden minuutissa.
