Figur 18. De tre opsætninger af en fermenteringstank: Batchfermentering (intet input og intet output); kontinuerlig fermentering (input og output); og fed-batchfermentering (input men intet ouput).
Måling og kontrol af fermenteringstanken
Eftersom forskellige mikroorganismer har forskellige behov for optimal vækst og produktivitet, skal parametrene for fermenteringen måles og kontrolleres for at sikre en optimal fermenteringsproces. Der er tre typer af variable, som kan overvåges i fermenteringstanken:
- Fysiske variable som temperatur, tryk, viskositet, luftnings- og omrøringshastighed samt strømningshastighed for tilløb af friskt næringsmedie og/eller afløb af brugt næringsmedie.
- Kemiske variable som pH og koncentrationen af O2, CO2 og N2.
- Biologiske variable som koncentrationen af celler, substrater, metabolitter og produkter.
Alle tre typer af variable er afhængige af hinanden, og i nogle tilfælde er biologiske variable afledt af kemiske variable. Generelt er de vigtigste variable at overvåge temperatur, pH og cellekoncentration, der tilsammen giver en indikation for cellernes vækst, og hvor effektivt cellerne omsætter substrat til produkt.
Der er overordnet tre former for målinger, som man kan foretage i fermenteringstanken, nemlig off-line, at-line og on-line. Off-line målinger involverer prøvetagning, prøveoverførsel til laboratoriet efterfulgt af prøvemålinger ved hjælp af laboratorieanalyser. At-line målinger involverer også prøvetagning, men i dette tilfælde bliver prøven analyseret tæt på processen for at minimere tidsforsinkelsen. Analysemetoden er typisk mindre sofistikeret og mere fejlsikker, hvormed prøvemålingerne kan udføres af operatører og ikke kun af laboranter. On-line målinger er teknikker, som er direkte forbundet til processen. Der er typisk ingen prøvetagning involveret; målingerne bliver foretaget real-time; her og nu. Det sikrer, at der er en minimal tidsforsinkelse, fra at processen bliver målt, og der bliver registret en fejl (f.eks. for høj temperatur, eller for lav pH-værdi) til at processen bliver kontrolleret, og der bliver korrigeret for fejlen (f.eks. ved at tilføre ekstra nedkøling, eller ved at tilføje ekstra base).
Et eksempel på forskellen mellem de forskellige typer målinger er ved måling af biomasse. Man kan tage en prøve for analysere celleantallet ved at dyrke cellerne på agarplader i laboratoriet (off-line måling); man kan tage en prøve for at analysere celletætheden ved at måle absorption i et spektrofotometer (at-line måling); og sidst kan man f.eks. måle CO2-udviklingen direkte i fermenteringstanken (on-line måling).
Udfordringerne i fermenteringstanken
I fermenteringstanken er det muligt at måle og overvåge cellernes vækst og produktivitet under fermenteringsprocessen for at sikre en nøje kontrolleret produktion af det ønskede produkt. Den ideelle og optimale fermenteringstank opretholder et homogent miljø, hvor cellerne er helt sammenblandet med de øvrige fermenteringskomponenter. I virkeligheden er miljøet i fermenteringstanken dog heterogent – der er forskel på forholdene for fermenteringen alt efter, hvor man måler i tanken, og hvornår man måler i tanken.
For eksempel er trykket større i bunden af fermenteringstanken end i toppen grundet den enorme masse af vand; og der er flere substrater og færre produkter i fermenteringstanken ved starten af fermenteringen end ved slutningen. I en fermentering sker der samtidig store forandringer indeni fermenteringstanken. Under cellernes vækst og omsætning af substrat til produkt bliver der frigivet varme ved stofskifteprocesserne, og samtidig sker der typisk en ophobning af affaldsstoffer som organiske syrer og alkoholer. Det resulterer i fermenteringszoner, hvor der er f.eks. ekstremt høje temperaturer eller lave pH-værdier – eller ekstremt forhøjede eller formindskede koncentrationer af nærings- og affaldsstoffer. Disse zoner er uundgåelige i fermenteringstanke i størrelsesordner af ti- eller hundredetusinde liter. Imidlertid leder det til problemer, fordi der er risiko for, at cellerne har begrænset eller hæmmet vækst og stofomsætning.
Den måske vigtigste pointe i dette undervisningsmateriale er, at fermenteringsteknologi indeholder lige dele bioteknologi og procesteknologi. Cellefabrikken er det biologiske system, som vi kan optimere ved hjælp af bioteknologisk viden ved at (re-)programmere cellens genetik og metabolisme til en optimeret omsætning af substrat til produkt. Fermenteringstanken er derimod det mekaniske system, som kan optimeres ved hjælp af procesteknologisk viden for at sikre, at cellerne har de mest optimale forudsætninger for at vokse og producere det ønskede produkt. Det er derfor vigtigt at have cellefabrikken og fermenteringstanken med i overvejelserne, idet man opstiller en fermenteringsproces.