工業発酵

工業発酵とは、製造工程で意図的に発酵を利用することです。発酵食品や発酵飲料の大量生産に加え、工業発酵は化学産業でも幅広く利用されています。酢酸、クエン酸、エタノールなどの汎用化学物質は発酵によって作られています。 ^{[1]さらに、}リパーゼ、インベルターゼ、レンネットなどの商業的に生産されているほぼすべての工業用酵素は、遺伝子組み換え微生物による発酵によって作られています。単細胞タンパク質、パン酵母、チーズ製造に使用される乳酸菌のスターター培養物の場合のように、バイオマス自体の生産が目的となる場合もあります。

一般的に、発酵は4つのタイプに分けられます。^[2]

• バイオマス（生存細胞物質）の生産
• 細胞外代謝物（化合物）の生成
• 細胞内成分（酵素やその他のタンパク質）の生成
• 基質の変換（変換された基質自体が生成物となる）

これらのタイプは必ずしも互いに切り離されているわけではありませんが、アプローチの違いを理解するための枠組みを提供します。使用される生物は通常、微生物、特に細菌、藻類、酵母やカビなどの真菌ですが、工業用発酵では、CHO細胞や昆虫細胞などの植物や動物の細胞培養も使用されることがあります。発酵に使用される特定の生物については、溶存酸素レベル、栄養レベル、温度など、特別な考慮が必要です。発酵速度は、微生物、細胞、細胞成分、酵素の濃度、および温度、pH ^{[3] 、}好気性発酵の酸素レベルに依存します。^[4]製品の回収には、希薄溶液の濃縮が頻繁に含まれます。

ほとんどの工業的発酵では、生物または真核細胞は液体培地に浸されていますが、カカオ豆、コーヒーチェリー、味噌などの発酵では、培地の湿った表面で発酵が起こります。^{[5] [6]}

発酵プロセスに関連する工業的考慮事項もあります。たとえば、生物学的プロセス汚染を避けるために、発酵培地、空気、および装置は滅菌されます。泡の制御は、機械的な泡破壊または化学的な消泡剤のいずれかによって達成できます。圧力、温度、撹拌機シャフトの電力、粘度など、他のいくつかの要因を測定して制御する必要があります。工業発酵の重要な要素はスケールアップです。これは、実験室の手順を工業プロセスに変換することです。工業微生物学の分野では、実験室規模でうまく機能するものが、最初に大規模に試したときにうまく機能しないか、まったく機能しない可能性があることはよく知られています。通常、実験室で機能した発酵条件を盲目的に工業規模の装置に適用することはできません。スケールアップの基準として使用するために多くのパラメーターがテストされていますが、発酵プロセスにはばらつきがあるため、一般的な公式はありません。最も重要な方法は、単位培養液あたりの電力消費量を一定に維持することと、体積移動速度を一定に維持することです。^[3]

発酵は、成長培地に目的の微生物を接種するとすぐに始まります。接種物の増殖はすぐには起こりません。これは適応期間であり、ラグフェーズと呼ばれます。 ^[7]ラグフェーズの後、微生物の増殖率は一定期間着実に増加します。この期間は対数フェーズまたは指数フェーズです。^[7]

指数関数的成長の段階の後、栄養素の濃度が継続的に低下したり、毒性物質の濃度が継続的に増加（蓄積）したりするため、成長速度は遅くなります。成長速度の増加が抑制されるこの段階は減速段階です。減速段階の後、成長は停止し、培養は定常段階または定常状態に入ります。培養中に蓄積された特定の化学物質が化学分解と呼ばれるプロセスで細胞を化学的に分解しない限り、バイオマスは一定のままです。他の微生物が培養物を汚染しない限り、化学組成は変化しません。培地中の栄養素がすべて消費された場合、または毒素の濃度が高すぎる場合、細胞は老化して死滅し始める可能性があります。バイオマスの総量は減少しない可能性がありますが、生存可能な生物の数は減少します。^[要出典]

発酵に使用される微生物または真核細胞は、生物または細胞に必要な栄養素を供給する特別に設計された成長培地内（または培地上）で成長します。培地にはさまざまな種類がありますが、炭素源、窒素源、水、塩、微量栄養素が必ず含まれています。ワインの生産では、培地はブドウの搾りかすです。バイオエタノールの生産では、培地は主に入手可能な安価な炭素源で構成されます。^{[引用が必要]}

炭素源は通常、糖類やその他の炭水化物ですが、基質変換（酢の製造など）の場合、炭素源はアルコールやその他のものである可能性があります。エタノールの製造に使用されるような大規模な発酵では、コストを最小限に抑えるために、糖蜜、コーンスティープリカー、^[8]サトウキビジュース、またはテンサイジュースなどの安価な炭水化物源が使用されます。より繊細な発酵では、代わりに精製されたグルコース、スクロース、グリセロール、またはその他の糖を使用することがあります。これにより、ばらつきが減り、最終製品の純度が保証されます。βガラクトシダーゼ、インベルターゼ、またはその他のアミラーゼなどの酵素を生成する生物にデンプンを与えて、酵素を大量に発現する生物を選択することができます。^[要出典]

ほとんどの生物は、タンパク質、核酸、その他の細胞成分を合成するために固定窒素源を​​必要とします。生物の酵素能力に応じて、窒素は大豆ミールなどのバルクタンパク質、ペプトンやトリプトンなどの前消化ポリペプチド、またはアンモニアや硝酸塩として供給されます。コストも窒素源の選択において重要な要素です。リンは、細胞膜のリン脂質の生成と核酸の生成に必要です。添加する必要があるリン酸の量は、培養液の組成と生物のニーズ、および発酵の目的によって異なります。たとえば、一部の培養では、リン酸の存在下では二次代謝産物が生成されません。^[9]

成長因子と微量栄養素は、必要なビタミンをすべて生成できない生物のために発酵培養液に含まれています。酵母エキスは、発酵培地用の微量栄養素とビタミンの一般的な供給源です。鉄、亜鉛、銅、マンガン、モリブデン、コバルトなどの微量元素を含む無機栄養素は、通常、未精製の炭素源と窒素源に含まれていますが、精製された炭素源と窒素源を使用する場合は、追加する必要があるかもしれません。大量のガスを生成する発酵（またはガスの追加を必要とする発酵）では、発酵培養液には通常、泡を強化するさまざまなタンパク質、ペプチド、またはデンプンが含まれているため、泡の層が形成される傾向があります。この泡の発生や蓄積を防ぐために、消泡剤を追加することができます。炭酸塩やリン酸塩などのミネラル緩衝塩を使用して、pH を最適値近くに安定させることができます。金属イオンが高濃度で存在する場合は、キレート剤の使用が必要になることがあります。^[要出典]

発酵に最適な培地を開発することは、効率的な最適化の重要な概念です。研究者が培地組成を設計するために使用する優先的な選択肢は、OFAT (One-factor-at-a-time) です。この方法では、他の濃度を一定に保ちながら、一度に 1 つの因子のみを変更します。この方法は、いくつかのサブグループに分けることができます。1 つは除去実験です。この実験では、培地のすべての成分を 1 つずつ除去し、培地への影響を観察します。補充実験では、窒素と炭素の補充が生産に与える影響を評価します。最後の実験は置換実験です。これは、意図した生産に増強効果を示す窒素と炭素源を置換するものです。全体的に、OFAT はシンプルであるため、他の最適化方法に比べて大きな利点があります。^[10]

微生物 細胞やバイオマスは、発酵の目的の産物となることがあります。例としては、単細胞タンパク質、パン酵母、乳酸菌、大腸菌などがあります。単細胞タンパク質の場合、藻類は光合成を可能にする大きな開放池で栽培されます。^{[11]バイオマスを他の発酵の接種に使用する場合は、}突然変異が発生しないように注意する必要があります。

代謝物は2つのグループに分けられます。生物の成長期に生成される一次代謝物と定常期に生成される二次代謝物です。一次代謝物の例としては、エタノール、クエン酸、グルタミン酸、リジン、ビタミン、多糖類などがあります。二次代謝物の例としては、ペニシリン、シクロスポリンA、ジベレリン、ロバスタチンなどがあります。^[9]

一次代謝産物は、成長期の生物の通常の代謝中に生成される化合物です。一般的な例は、解糖中に生成されるエタノールまたは乳酸です。クエン酸は、クエン酸回路の一部として、Aspergillus nigerのいくつかの菌株によって生成され、環境を酸性化し、競合菌による乗っ取りを防ぎます。グルタミン酸は、Micrococcus のいくつかの種によって生成され、^[12]一部のCorynebacterium の種は、リジン、スレオニン、トリプトファン、その他のアミノ酸を生成します。これらの化合物はすべて、細胞の通常の「活動」中に生成され、環境に放出されます。したがって、生成物の回収のために細胞を破壊する必要はありません。

二次代謝物は定常期に生成される化合物である。例えばペニシリンは、ペニシリウム属のカビと資源を争う可能性のある細菌の増殖を防ぐ。ラクトバチルス属などの一部の細菌は、競合細菌の増殖も防ぐバクテリオシンを生成することができる。これらの化合物は、抗生物質または防腐剤（グラミシジンSなど）として、細菌の増殖を阻止したい人にとって明らかに価値がある。グリセオフルビンなどの殺菌剤も二次代謝物として生成される。^[9]通常、二次代謝物は、増殖を促すグルコースやその他の炭素源の存在下では生成されず、^[9]一次代謝物と同様に、細胞膜を破裂させることなく周囲の培地に放出される。

バイオテクノロジー産業の初期には、ほとんどのバイオ医薬品は大腸菌で作られていましたが、2004年までに微生物よりもCHO細胞などの真核細胞で製造されるバイオ医薬品が増えましたが、同様のバイオリアクターシステムが使用されました。^[6] 昆虫細胞培養システムも2000年代に使用されるようになりました。^[13]

細胞内成分の中で主に興味深いのは、微生物酵素です：カタラーゼ、アミラーゼ、プロテアーゼ、ペクチナーゼ、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、リパーゼ、ラクターゼ、ストレプトキナーゼなど。^[14] インスリン、B型肝炎ワクチン、インターフェロン、顆粒球コロニー刺激因子、ストレプトキナーゼなどの組み換えタンパク質もこの方法で作られています。^[6]このプロセスと他のプロセスの最大の違いは、発酵の最後に細胞を破裂（溶解）させ、環境を操作して生成物の量を最大化する必要があることです。さらに、生成物（通常はタンパク質）は、精製する 溶解物内の他のすべての細胞タンパク質から分離する必要があります。

基質変換には、フェニルアセチルカルビノールやステロイド 生体内変換の場合のように特定の化合物を別の化合物に変換すること、または食品発酵や下水処理の場合のように原材料を完成品に変換することが含まれます。

食品の歴史において、パン、ワイン、チーズ、カード、イドゥリ、ドーサなどの製造など、古代の発酵食品の工程は7000年以上前に遡ります。^{[15]それらは、人類が関与する}微生物の存在を知るずっと前から開発されていました。マーマイトなどの一部の食品は、ビール製造時の発酵プロセスの副産物です。

発酵は、エタノール燃料の生産におけるエタノールの主な供給源です^[要出典]。サトウキビ、ジャガイモ、キャッサバ、トウモロコシなどの一般的な作物は、酵母によって発酵され、エタノールが生成され、それがさらに加工されて燃料になります。

下水処理の過程では、下水はバクテリアが分泌する酵素によって消化されます。固形有機物は無害な可溶性物質と二酸化炭素に分解されます。結果として生じる液体は、河川や海に排出される前に病原菌を除去するために消毒されるか、液体肥料として使用できます。消化された固形物はヘドロとも呼ばれ、乾燥されて肥料として使用されます。メタンなどのガス状副産物は、バイオガスとして利用して発電機の燃料として使用できます。バクテリア消化の利点の 1 つは、下水のかさと臭いが軽減されるため、投棄に必要なスペースが削減されることです。下水処理におけるバクテリア消化の主な欠点は、非常に遅いプロセスであることです。

多種多様な農業廃棄物は発酵させて動物、特に反芻動物の餌として利用することができます。真菌はセルロース廃棄物を分解してタンパク質含有量を増やし、体外消化率を改善するために利用されてきました。^[16]

精密発酵は、合成生物学を応用して、特に、利用可能なリソースで可能な限り効率的に目的の化合物を生産するように最適化された遺伝子操作されたゲノムと代謝経路を備えた合成「細胞工場」を生成することにより、不要な副産物の生成を最小限に抑えることを目的とした特定の機能性製品を製造するアプローチです。^[17]遺伝子組み換え微生物の精密発酵は、細胞培養培地に必要なタンパク質の製造に使用でき、^[18]培養肉の製造プロセスで無血清細胞培養培地を提供します。^[19] 2021年の出版物は、太陽光発電による微生物タンパク質生産では、大豆栽培と比較して、同等の量のタンパク質を得るために必要な土地を10分の1に抑えることができることを示しました。^[20]