Ur ett tekniskt perspektiv kan fermenteringsprocesser klassificeras i följande mikrobiologiska metoder: aerob och anaerob odling; fastfas-, yt- och djupodling; samt satsvis och kontinuerlig odling. Den här artikeln kommer att täcka yt- och djupodling, såväl som satsvis och kontinuerlig odling.
Ytjäsning på flytande substrat. Ytjäsning utförs i kyvetter placerade i luftventilerade kammare, där odlingen av mikroorganismer bildar biomassa som en film eller ett fast skikt på ytan av ett flytande medium. Syre absorberas direkt från gasfasen (luft), och massöverföringen under dessa förhållanden är relativt låg i intensitet.
Djupodling av mikroorganismer. Djupodling sker genom hela volymen av ett flytande näringsmedium som innehåller ett löst substrat. Fermentorn måste underlätta mikrobiell tillväxt och utveckling inom vätskefasen genom att tillföra näringsämnen till mikrobiella celler, ta bort metaboliska biprodukter och avleda värme som genereras av cellulär aktivitet.
Sats och kontinuerlig odling
- Satsodling. Vid satsvis odling införs hela volymen av näringsmediet i fermentorn tillsammans med inokulatet. Mikrobiell tillväxt sker under optimala förhållanden under en bestämd tid, varefter processen stoppas och innehållet i fermentorn skördas för produktisolering. Den mikrobiella tillväxtcykeln består av följande faser: eftersläpningsfas, exponentiell fas, retardationsfas, stationär fas och dödsfas.
Fed-batch-odling är en flitigt använd variant, där färskt medium tillsätts periodiskt utan att ta bort odlingsvätska. Dessutom innebär semi-kontinuerlig odling intermittent avlägsnande av en del av odlingsvolymen, som ersätts med en ekvivalent mängd färskt medium.
- Kontinuerlig odling. Vid kontinuerlig odling tillförs färskt näringsmedium kontinuerligt till bioreaktorn medan odlingsmedium, innehållande mikrobiell biomassa, samtidigt avlägsnas. Denna metod upprätthåller mikroorganismer i en stadig exponentiell tillväxtfas, vilket säkerställer jämvikt mellan produktion av biomassa genom celldelning och dess avlägsnande på grund av utspädning med färskt medium.
Den mest omfattande studerade kontinuerliga jäsningsmetoden är nedsänkt jäsning, som kan klassificeras som antingen homogen eller heterogen kontinuerlig jäsning:
- Homogen kontinuerlig fermentering: Utförs i en välblandad bioreaktor där alla parametrar förblir konstanta över tiden.
- Heterogen kontinuerlig fermentering: involverar flera fermentorer kopplade i serie, med näringsmedium som kommer in i den första enheten och den slutliga odlingsvätskan som lämnar den sista enheten.
För att förhindra mikrobiell tvättning kräver kontinuerlig odling att en stabil cellkoncentration upprätthålls. Under sterila förhållanden säkerställer kontinuerlig genomflödesfermentering förlängd fysiologisk aktivitet hos den mikrobiella kulturen.
Baserat på metoden som används för att upprätthålla dynamisk jämvikt, följer kontinuerlig odling antingen turbidostat- och kemostatprincipen:
- Turbidostat: Näringsflödeshastigheten regleras för att bibehålla en konstant biomassakoncentration.
- Kemostat: Mikrobiell tillväxt begränsas av ett specifikt näringsämne (t.ex. kol, syre eller viktiga vitaminer) medan andra näringsämnen förblir i överskott. Tillväxten kan också regleras genom pH-kontroll (pH-stat) eller syretillgänglighet (oxystat).
Optimering av jäsningsprocesser. Valet av jäsningsmetod beror på produktionsmålet – om målet är biomassa eller metabola produkter. Om biomassaproduktion är målet syftar fermenteringen till att uppnå högsta möjliga cellkoncentration. Omvänt, för metabolitproduktion sker ackumuleringen av målföreningar över tid, med toppproduktionsfaser som skiljer sig mellan biomassa och metaboliter. Som ett resultat varierar jäsningstiden:
- Biomassaproduktion i batchprocesser: ≤24 timmar
- Primär metabolitbiosyntes: 48–72 timmar
- Sekundär metabolitbiosyntes: 72–144 timmar
Odlingsförhållandena för olika mikroorganismer varierar, med driftstemperaturer mellan 25–60°C, pH-värden typiskt runt 2,9 och luftförbrukning i aeroba processer från 0,15 till 2,5 m³ per m³ medium per minut.
