Fermentering

Ordet fermentering kommer af det latinske ord fevere som betyder at syde eller at koge. Udtrykket stammer fra brygningen af øl og vin som er de første eksempler på fermenteringsprocesser i anvendt bioteknologi. Udtrykket er imidlertid ikke entydigt forståeligt, men afhænger af sammenhængen i hvilken ordet bliver brugt. I biokemien bruges udtrykket om en anaerob nedbrydningsproces som omdanner sukker til mælkesyre eller ethanol og CO2. I mikrobiologien bruges udtrykket fermentering om en proces hvorved der dannes et givet produkt ved mikrobiel omsætning. Den sidstnævnte er den vi vil forklare om her.

Fermenteringsprocessen

Fermenteringsprocessen, som også kaldes gæring, kan foregå enten på overfladen af et fast eller flydende medium eller neddyppet i et flydende medium. Den førstnævnte metode bruges primært ved skimmelsvampe (mug) som fra naturens side er bygget til at vokse på overflader af fx træer, frugt eller vægge i bygninger.

Den sidstnævnte er den bedst kendte metode som er den der bruges ved vin- og ølbrygning. Her tilsættes mikroorganismen (ofte gær) til en beholder, en fermentor, som indeholder et medium med al den næring som organismen kræver. Ofte indeholder mediet glucose som kulstofkilde og gærekstrakt som kompleks nitrogenkilde. Fermentoren er tilsluttet apparater der styrer temperatur, omrøring, forgasning (fx iltning) og andre ønskede parametre.

Fermenteringsformer

Der findes tre forskellige former for fermenteringer: batch fermentering, fed-batch fermentering og kontinuert fermentering.

Batch fermenteringen er den mest simple form for fermentering. Den går ud på at man har et substrat i en given koncentration som man tilsætter producerorganismen. Organismen forbruger substratet som omdannes til produkt, og når der ikke er mere substrat tilbage, oprenses produktet. En batch fermentering kan ses herunder:

Film 3: Batch fermentering

Fed-batch fermenteringen går ud på at tilsætte substratet løbende for at holde koncentrationen konstant. Mange sekundære metabolitter dannes kun ved lav substratkoncentration (fx penicillin), hvorfor man kun ville danne disse produkter i den allersidste del af en batch fermentering. Da substratet tilsættes løbende, vil både volumen og produktkoncentration i fermentoren stige med tiden. Processen standses normalt når celletætheden er så høj at iltningen er utilstrækkelig. En fed-batch animation er skitseret herunder:

Film 4: Fed-batch fermentering

Den kontinuerte fermentering, eller chemostaten, har ligesom fed-batch fermentering et inflow (det der kommer ind i fermentoren) af substrat. Ydermere har den et outflow (det der kommer ud af fermentoren) af "suppe" indeholdende produkt (og andre bestanddele). Dette bevirker at både volumen, substratkoncentrationen og produktkoncentrationen er konstant, og man kan samtidig regulere substratkoncentrationen som ved fed-batch fermenteringen.En chemostat reaktor kan ses herunder:

Film 5: Chemostat fermentering

	Batch	Fed-batch	Chemostat
Volumen i fermentor	Konstant	Stiger i løbet af processen	Konstant
Substrat koncentration	Falder i løbet af processen	Konstant	Konstant
Produkt koncentration	Stiger i løbet af processen	Stiger i løbet af processen	Konstant

Tabel 1. Sammenligning af fermenteringsformer

Fermentering i industrien

I industrielt øjemed er der mange parametre der afgør hvilken fermenteringsform der er den foretrukne. Chemostaten er smart idet man ikke spilder tid på rengøring og klargøring af fermentoren, som man gør imellem hver batch og fed-batch fermentering. Den tid hvor fermentorerne ikke kører, tæller negativt i budgettet, og det er derfor ønskværdigt at fermentorerne er i gang så meget at tiden som muligt.

Chemostaten ses dog sjældent i den virkelige verden. Dette skyldes primært at det er meget svært at spore et produkt tilbage til dets oprindelse hvis det er produceret i en chemostat. Dette er en vigtig ting at tage i betragtning for hvis der er en fejl i et produkt, skal man kunne finde tilsvarende produkter og kalde dem tilbage. Dette er en af de store fordele ved både batch og fed-batch fermenteringer hvor hver batch mærkes med et unikt nummer og derved nemt kan findes hvis der er behov for det.

Fermenteringskinetik

Når man regner på sin fermenteringsproces, er der mange parametre at overveje. For at gøre systemet overskueligt ser man på processen som en sort kasse hvor man ikke ser hvad der sker inde i kassen, men man ved hvad der bliver puttet i, og hvad der kommer ud. Helt grundlæggende tilsættes et substrat, der bliver forbrugt med hastigheden r_S(r = rate, S = substrat). Det der kommer ud af kassen, er et produkt, biprodukter (forskellige metabolitter) og biomasse (celler der formerer sig) (se figur 12). Disse bliver dannet med hastighederne r_P, r_P og μ. Produkt og biprodukter regnes normalt som ét produkt da det er nemmest. Hastigheden af biomassedannelse, μ (my), kaldes også den specifikke væksthastighed. Væksthastigheden hænger sammen med generationstiden for organismen, altså hvor tit en celle deler sig i to. For den meget anvendte bakterie Escherichia coli er generationstiden 20 minutter hvorimod den for Saccharomyces cerevisiae(bagegær) er ca. 2 timer.

Sammenhængen mellem generationstiden og den specifikke væksthastighed er givet ved hvor t_D er generationstiden i timer, og ln er den naturlige logaritme.

Opgave 2

Prøv at regne ud hvad den specifikke væksthastighed er for E. coli og S. cerevisiae.

Figur 12: Input og output fra en celle.

Når man udregner produkt- og biomasseudbyttet, finder man altid udbyttet som forholdet mellem reaktionshastighederne. Dvs. at biomasseudbyttet henholdsvis produktudbyttet findes ved:

Her betragtes systemet, som en sort kasse,hvor udbyttet altid erkonstant. Dette gælder for alle udbytter hvad enten det er biomasse, produkt eller biprodukt. Substratoptagelseshastigheden, rS, kan da findes som en funktion af den specifikkevæksthastighed, μ:

Da μ afhænger af mange procesparametre, fx carbonkilden, nitrogenkilden, produktinhibering m.m., er μ ikke konstant igennem fermenteringsprocessen. Dog antages det at den eneste parameter der har betydning for μ, er substratkoncentrationen. Der er mange forslag til hvordan μ kan beregnes ud fra substratkoncentrationen, c_S, men den mest brugte kinetiske model hedder Monod modellen, og den giver følgende bud på den specifikke væksthastighed:

hvor μ_max er den maksimale specifikke væksthastighed for organismen. K_S er en konstant der angiver den substratkoncentration hvor μ = ½μ_max. K_S er altså konstant for en organisme, men gælder kun for et bestemt substrat, fx glucose eller saccharose. Som eksempel herpå er K_S for E. coli på glucose 4 mg/L, og K_S for S. cerevisiae på glucose er 180 mg/L. Dette betyder at S. cerevisiae kræver en meget højere glucosekoncentration end E. coli for at kunne vokse. Bemærk at tallene ikke er direkte sammenlignelige da μ_max er forskellig for E. coli og S. cerevisiae, der har forskellige generationstider.

Page updated by 18.11.2009