Introduktion til fermentering

Denne underside udgør første del af teorien for Biotech Academys materiale om Fermenteringsteknologi.

Bioteknologi er brugen af celler til at producere kemikalier og materialer, der er brugbare for mennesker, såsom reagenser, madvarer og lægemidler. Der er blevet brugt mange former for bioteknologi gennem tiden. For eksempel har man i årtusinder brugt gær til at fremstille øl og vin, mens man i århundreder har brugt bakteriekulturer til fremstilling af ost og yoghurt. I lang tid har mennesker brugt disse omsætningsprocesser uden at være bevidste om cellerne, der medvirker i dem.

For omtrent hundrede år siden blev det klart, at mikrober som bakterie- og gærceller kunne bruges som producenter til at fremstille særlige produkter. I 1928 opdagede mikrobiologen Alexander Fleming, at skimmelsvampen Penicillium producerer et antibiotiske stof, nemlig penicillin. Det førte til den industrielle dyrkning af celler til masseproduktion af antibiotika og andre brugbare molekyler. Sidenhen er der sket enorme fremskridt indenfor mikrobiologi og fermenteringsteknologi. I 1930’erne blev det opdaget, at man med fysiske og kemiske påvirkninger kan skabe mutationer i mikroorganismer, som forbedrer deres vækst og produktivitet, og i 1970’erne udviklede man genteknologi. Et af de vigtigste fremskridt var i 1978, da biotekfirmaet Genentech kopierede det DNA-stykke fra menneskets DNA, som styrer menneskekroppens produktion af insulin, og indsatte det i en bakteries DNA ved gensplejsning: nu kunne bakterien producere insulin! Det har sidenhen haft stor betydning for mennesker med diabetes, som har brug for indsprøjtninger af det livsnødvendige hormon. I dag kan næsten ethvert gen indsættes i celler, som dermed kan bruges til at fremstille og udskille genproduktet i store mængder. Fermenteringsteknologi bliver anvendt i mange og forskellige industrier, fra fremstilling af billige kemikalier som organiske syrer og alkoholer til produktion af kostbare molekyler som lægemidler. På verdensplan udgør fermenteringsindustrien nu et årligt marked i omegnen af 835 billioner kr. – altså 835.000.000.000.000 kr.!

Definition af fermentering

Fermentering er betegnelsen for den kemiske proces, hvor levende celler omsætter substrat til produkt – dvs. at substrat er indgangsstof for omsætningsprocessen, mens produkt er udgangsstof (se figur 1). Cellerne kan være alt fra simple mikroorganismer som bakterie- og svampeceller til mere komplekse organismer som dyre- og planteceller. Man kalder produktionsorganismen i en fermentering for en cellefabrik, fordi hver enkelt af de mange celler udnyttes som en mikroskopisk fabrik, der producerer det ønskede produkt. I nogle tilfælde er det et produkt, som cellen naturligt fremstiller. I andre tilfælde er cellefabrikken blevet gensplejset, hvormed der er blevet indsat et eller flere gener i cellens genom, som gør, at den producerer det ønskede produkt.

Figur 1. I en fermenteringsproces omsætter celler et substrat (S) til et produkt (P). Derudover produceres der affaldsprodukter i form af små og store molekyler, som ikke har værdi for fermenteringsprocessen (affald).

Fermentering kan spille en vigtig rolle i overgangen fra den oliebaserede produktion af kemikalier, materialer og energi til en mere bæredygtig og biobaseret produktion. I dag er næsten alle de produkter, som vi anvender i vores hverdag, fremstillet enten af den kemiske industri ud fra olie og fossilgas, eller ved ekstrahering fra den naturlige kilde, hvilket skader verdens naturressourcer. Der er derfor et voksende behov for mere klima- og miljøvenlige måder at fremstille og forbruge produkter på. Grundtanken er, at man med celler kan omsætte billige, tilgængelige og CO₂-neutrale substrater til værdifulde produkter. Et eksempel på et produkt, som potentielt kan produceres mere bæredygtigt ved hjælp af bioteknologi, er stoffet paclitaxel, som bruges til behandling af cancer. Paclitaxel bliver fremstillet i barken af takstræer, som er en særlig form for nordamerikanske nåletræer. For at ekstrahere stoffet er det nødvendigt at fælde de langsomtvoksende takstræer, og derfor er denne produktionsform økonomisk og økologisk uegnet. Samtidig har paclitaxel en kompleks struktur, der gør det indviklet, eller ligefrem umuligt, at syntetisere det kemisk. Derfor forsøger man at overføre takstræernes egenskaber til bakterie- og gærceller for at producere paclitaxel uden fældning af træer. Bæredygtighedspotentialet for fermentering er enormt!

De fire kategorier af fermentering

Der er fire overordnede kategorier af industrielt vigtige fermenteringer: Produktion af mikrobielle celler, mikrobielle enzymer, mikrobielle metabolitter og rekombinante proteiner.

Mikrobielle celler fremstilles ved produktion af en levende masse af celler – også betegnet cellemasse. Der produceres per definition altid celler i en fermentering (også hvis det ikke er det ønskede produkt), men indimellem er produktion af cellemasse formålet med fermenteringen. Eksempler på cellemasse fremstillet ved fermentering er bagergær og bryggergær, der bruges i produktion af hhv. bagværk og spiritus som øl, vin og cider. Cellemasse bliver ligeledes brugt i kosttilskud til mennesker og i foder til køer, grise og heste.

Mikrobielle enzymer er proteiner, som fungerer som katalysatorer af cellens kemiske reaktioner. Celler producerer enzymer med alverdens virkningsmekanismer: For eksempel er der proteaser, lipaser og amylaser, der spalter hhv. proteiner, fedtstoffer og kulhydrater. Cellens proteinsyntese er reguleret af mekanismer, der gør, at cellen kun syntetiserer proteiner, der er nødvendige for cellen. I den industrielle produktion af enzymer modificerer man derfor proteinsyntesen ved at optimere ekspressionen af det gen (eller de gener), som koder for det ønskede protein. Enzymer, som fremstilles ved fermentering, bliver anvendt i alt fra madvarer og vaskepulver til produktion af brændstof og tekstiler.

Mikrobielle metabolitter er kemiske forbindelser, som fremstilles og forbruges ved de metaboliske reaktioner i cellen. Primære metabolitter er vækstrelaterede stoffer, der er forbundet med cellens vækst, udvikling og formering. Ved fermentering fremstilles der primære metabolitter som organiske syrer, alkoholer, vitaminer og aminosyrer. Et eksempel er citronsyre, som er et vigtigt stof i cellens citronsyrecyklus. Citronsyre bliver også fremstillet ved fermentering, hvor det som produkt bruges som tilsætningsmiddel i føde- og drikkevarer og i rengøringsmidler. Sekundære metabolitter er typisk ikke-vækstrelaterede stoffer, som antages at være forbundet med cellens interaktion med andre celler. Sekundære metabolitter, der fremstilles ved fermentering, er f.eks. duft-, farve- og smagsstoffer samt medicin som antibiotiske penicilliner og kolesterolsænkende statiner. I naturen er cellers syntese af metabolitter reguleret for at sikre en tilstrækkelig produktion – helst producerer cellerne hverken for meget eller for lidt. I industrien er udfordringen derfor at modificere cellens genom og metabolisme for at optimere produktionen af den ønskede metabolit.

Rekombinante proteiner fremstilles ved produktion i celler ud fra rekombinante gener. Gensplejsning er den populære betegnelse for rekombinant DNA-teknik, som bruges ved overførslen af DNA-materiale mellem organismer. Med gensplejsning har man udvidet porteføljen af produkter, som i dag fremstilles ved fermentering. Man kan overføre egenskaber fra én organisme til en anden, og man kan indføre nye gener og genprodukter i en produktionsorganisme. Eksempler på rekombinante proteiner er antistoffer, hormoner og peptider, som bruges i behandling af sygdomme som astma, blodmangel, sukkersyge, hjertesvigt og sklerose.

I et økonomisk perspektiv kan de fire overordnede kategorier af industrielt vigtige fermenteringer vises i et diagram, hvor den vandrette akse angiver molarmassen af produktet, og den lodrette akse angiver markedsværdien af produktet (pris/vægt) – dvs. hvor stort et produkt er, kontra hvor stor en pengesum det potentielt er værd (se figur 2). Markedsværdien af produktet er vigtig for fermenteringsprocessen i en industriel sammenhæng, og derfor har det en afgørende betydning for hele fermenteringens opsætning.

Figur 2.  Oversigt over et produkts markedsværdi (f.eks. DKK/kg) versus dets molarmasse (f.eks. g/mol).

Fermentering: Fra start til slut

Uafhængigt af produktet er der (næsten) altid seks grundlæggende bestanddele i en fermenteringsproces (se figur 3):

1. Medieforberedelse. Der forberedes et vækstmedie, som indeholder de nødvendige substrater for, at produktionsorganismen kan vokse og producere det ønskede produkt.
2. Sterilisering. Fermenteringstanken og dets tilhørende udstyr bliver steriliseret sammen med vækstmediet for at forhindre vækst af fremmede mikroorganismer under fermenteringen.
3. Podning. Der forberedes en cellekultur af produktionsorganismen: Først dyrkes cellerne i en lille podekolbe, så overføres de til en eller flere podetanke, hvorfra cellerne sidst kan dyrkes i den store fermenteringstank.
4. Produktion. Produktionsorganismen befinder sig nu i fermenteringstanken, hvor den vokser og producerer det ønskede produkt under de optimale forhold, f.eks. temperatur, pH og iltkoncentration.
5. Oprensning. Efter produktionsorganismen er færdig med at producere det ønskede produkt, skal produktet udtrækkes og oprenses fra fermenteringstanken for at høste et renere produkt.
6. Affaldshåndtering. Der foretages en ansvarlig behandling og bortskaffelse af affaldsprodukterne, som er blevet produceret under fermenteringen, og som ikke har en værdi for fermenteringsprocessen.

Figur 3. Oversigt over de seks grundlæggende bestanddele i en fermentering: (1) medieforberedelse, (2) sterilisering, (3) podning, (4) produktion, (5) oprensning og (6) affaldshåndtering.