工業発酵

発酵は、培養培地に目的の微生物を接種するとすぐに始まります。接種菌の増殖はすぐには起こりません。これは適応期間であり、遅延期と呼ばれます。^{[ 7 ]}遅延期の後、微生物の増殖速度は一定期間着実に増加します。この期間は対数期または指数期と呼ばれます。^{[ 7 ]}

指数関数的成長期の後、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、成長速度は鈍化します。成長速度の増加が抑制されるこの段階を減速期といいます。減速期の後、成長は停止し、培養は定常期または安定状態に入ります。培養液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。他の微生物が培養液を汚染しない限り、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ことがあります。バイオマスの総量は減少しないかもしれませんが、生存可能な生物の数は減少します。

発酵に用いられる微生物や真核細胞は、微生物や細胞に必要な栄養素を供給する特別に設計された培地の中で（または培地上で）増殖する。培地には様々な種類があるが、必ず炭素源、窒素源、水、塩類、微量栄養素が含まれている。ワインの製造では、培地はブドウ果汁である。バイオエタノールの製造では、培地は入手可能な安価な炭素源を主成分とすることができる。^{[ 8 ]}

炭素源は通常、糖類またはその他の炭水化物ですが、基質変換（酢の製造など）の場合は、炭素源はアルコールまたはまったく別のものになることがあります。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^{[ 9 ]}、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、またはその他の糖類を使用することがあり、これにより変動が減り、最終製品の純度が確保されます。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産する微生物には、酵素を大量に発現する微生物を選択するためにデンプンが与えられることがあります。

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、大豆粕などのバルクタンパク質、ペプトンやトリプトンなどの消化済みポリペプチド、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ける重要な要素です。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。添加する必要のあるリン酸の量は、培養液の組成と生物のニーズ、および発酵の目的に応じて異なります。たとえば、一部の培養では、リン酸が存在すると二次代謝産物が生成されません。^{[ 10 ]}

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微生物のために発酵液に添加されます。酵母エキスは、発酵培地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添加する必要がある場合があります。大量のガスを生成する発酵（またはガスの添加が必要な発酵）では、発酵液に泡を強化するタンパク質、ペプチド、またはデンプンが通常含まれているため、泡の層が形成される傾向があります。この泡の発生または蓄積を防ぐために、消泡剤が添加される場合があります。炭酸塩やリン酸塩などのミネラル緩衝塩は、pHを最適値付近に安定させるために使用できます。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場合があります。

発酵に最適な培地を開発することは、効率的な最適化における重要な概念です。培地組成の設計には、研究者が好んで用いる方法である「一度に1つの因子を変更する方法（OFAT）」が採用されています。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られます。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一度に1つずつ除去し、培地への影響を観察します。添加実験では、窒素と炭素の添加が生産に及ぼす影響を評価します。最後の実験は置換実験です。これは、目的とする生産に増強効果を示す窒素源と炭素源を置換する実験です。全体として、OFATはシンプルであるため、他の最適化方法よりも大きな利点があります。^{[ 11 ]}

一次代謝産物は、生物の成長期における通常の代謝中に生成される化合物です。一般的な例としては、解糖中に生成されるエタノールや乳酸が挙げられます。クエン酸は、アスペルギルス・ニガーの一部の株によってクエン酸回路の一部として生成され、環境を酸性化して競合種が優勢になるのを防ぎます。グルタミン酸はミクロコッカス属の一部の種によって生成され、^{[ 13 ]}コリネバクテリウム属の一部の種はリジン、トレオニン、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、環境中に放出されます。したがって、生成物を回収するために細胞を破裂させる必要はありません。

二次代謝産物は定常期に作られる化合物です。例えば、ペニシリンは、ペニシリウム菌と資源をめぐって競合する可能性のある細菌の増殖を阻害します。ラクトバチルス属などの一部の細菌は、細菌の競合相手の増殖を阻害するバクテリオシンを産生することができます。これらの化合物は、抗生物質または消毒剤（グラミシジンSなど）として、細菌の増殖を阻止したい人間にとって明らかに価値があります。グリセオフルビンなどの殺菌剤も二次代謝産物として産生されます。^{[ 10 ]}通常、二次代謝産物は、増殖を促進するグルコースやその他の炭素源が存在する場合には産生されず、^{[ 10 ]}一次代謝産物と同様に、細胞膜の破裂なしに周囲の培地に放出されます。

バイオテクノロジー産業の黎明期には、ほとんどのバイオ医薬品はE. coliで製造されていました。2004年までに、バイオ医薬品は微生物よりもCHO細胞などの真核細胞で製造されることが多くなりましたが、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年代に利用されるようになりました。^{[ 14 ]}

食品の歴史において、パン、ワイン、チーズ、カード、イドリ、ドーサなどの古代の発酵食品の製造プロセスは、7000年以上前に遡ることができます。^{[ 16 ]}これらは、人類が関与する微生物の存在を知るずっと前に開発されました。マーマイトなどの一部の食品は、この場合はビールの製造における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ある^{[ 17 ]}。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、さらに加工されて燃料となる。

下水処理の過程では、下水は細菌が分泌する酵素によって分解されます。固形有機物は無害な水溶性物質と二酸化炭素に分解されます。生成された液体は、河川や海に放流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されます。消化された固形物（スラッジとも呼ばれる）は乾燥され、肥料として使用されます。メタンなどの気体副産物は、バイオガスとして発電機の燃料として利用できます。細菌による消化の利点の1つは、下水の量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。下水処理における細菌による消化の主な欠点は、非常に時間がかかるプロセスであることです。

さまざまな農業産業廃棄物を発酵させて、動物、特に反芻動物の飼料として利用することができる。真菌はセルロース系廃棄物を分解してタンパク質含有量を増やし、試験管内消化率を向上させるために利用されてきた。^{[ 18 ]}