Fermentering med cellefabrikker
Fermentering er den produktionsproces, der forløber, når der dyrkes mikroorganismer som fx cellefabrikker. Processen kaldes også gæring (selv hvis cellen ikke er gær). Fermenteringer i industriel storskala eller mindre laboratorieskala foregår efter samme princip, nemlig at forsøge at skabe ideelle betingelser for cellerne. Her kan man studere cellernes opførsel, heriblandt vækst og udskillelse/optag af stoffer. Dette kan bruges til at forsøge at få dannet mest muligt produkt!
Figur 26. Små fermentorer med en computer (th.), der styrer temperatur, tilsætningen af næring osv. Her kan en cellefabriks vækst studeres. Fermentorer fra Institut for Systembiologi, DTU.
Fermentorer
Fermenteringerne foregår i lukkede tanke, der kaldes fermentorer. Til dem kan der tilsættes sterilt medium og luft, samt udtages prøver m.m.. En kraftig omrører sikrer tilførsel af O2 i hele blandingen. Målere følger intensivt udviklingen i pH, temperatur og CO2-gas, et biprodukt bl.a. ved organismens respiration. Afhængigt af målingerne justeres automatisk op eller ned for fx kølelegemerne, så de optimale betingelser fastholdes. Selv små forbedringer har ofte betydning for udbyttet. Den næring, der bruges, afhænger af cellefabrikken, men kan fx være glucose og diverse næringssalte. Hvis der skal laves mange testfermenteringer, kan rystekolber også bruges, men her har man ikke samme kontrol med processen og kan ikke så nemt udtage sterile prøver undervejs.
Cellernes vækst i fermentorer
Mikroorganismernes vækst afhænger af fermenteringsmetoden. Fermenteringen indledes, når det sterile næringsmedium i tanken inokuleres med produktionsorganismen.
Nu gennemlever kulturen (mikroorganismerne) forskellige vækstfaser, heriblandt den eksponentielle, hvor celletallet fordobles for hver gang en bestemt tid er gået – denne såkaldte fordoblingstid er helt ned mod kun tyve minutter for Escherichia coli-bakterier ved optimale forhold (faserne er beskrevet i Biotech Academy materiale om øl).
Gærceller, der gror i et glucose-medium, vil nedbryde glucosen for at skaffe energi i form af ATP og som biprodukt bl.a. ethanol og CO2. Væksten vil ophøre, når der ikke er mere tilgængelig næring, hvilket bl.a. afsløres som et øjeblikkeligt fald i CO2-produktionen, som kan følges live af måleinstrumenter.
Fermenteringsstrategier
Når cellerne har spist næringen i mediet, kan man fortsætte efter tre overordnede, forskellige strategier: batch, fed-batch og kontinuert produktion:
-
Batch produktion er den simpleste, og her afbrydes hele fermenteringen, når al næring er opbrugt. Herefter høster man produktet.
-
Da produktionen typisk er hurtigst netop inden næringen er opbrugt, fortsætter man i fed-batch produktion i stedet fermenteringen ved løbende at tilsætte en koncentreret næringsblanding i en efterfølgende periode. Tilsætningen afstemmes, så næringskoncentrationen konstant ligger på et optimalt niveau. For høje koncentrationer kan nemlig starte ineffektive nedbrydningsveje i organismen, og for lave kan selvsagt mindske hastigheden. På et tidspunkt er fermentorens volumen fyldt op, og celletætheden maksimal. Her afbrydes fermenteringen, og produktet høstes.
- Anderledes er den kontinuerte produktion. Karakteriseret ved at køre uafbrudt, forløber den med en løbende næringstilsætning som i fed-batch fermenteringen, men samtidig tappes fra fermenteringsblandingen med samme hastighed, og dermed høstes produktet løbende undervejs. På den måde kan de optimale næringskoncentrationer fastholdes længe, og uden at der ophobes stoffer, der inhiberer produktionen. Kontinuert fermentering kræver nøje kendskab til den specifikke produktionsorganisme og er ikke så udbredt, skønt metoden er meget effektiv.
