Industriële fermentatie is een proces waarbij micro-organismen worden gebruikt om op grote schaal verschillende producten te produceren. Dit proces wordt al eeuwenlang gebruikt om alcoholische dranken, brood en zuivelproducten te produceren.
Met de vooruitgang in technologie en wetenschap is industriële fermentatie geëvolueerd om een breed scala aan producten te produceren, waaronder voedsel- en drankadditieven, farmaceutische producten en biobrandstoffen.
Het proces van industriële fermentatie is afhankelijk van het vermogen van micro-organismen om complexe organische materialen af te breken tot eenvoudigere verbindingen. Deze verbindingen kunnen vervolgens worden gebruikt als grondstoffen om verschillende producten te produceren.
Industriële fermentatie vindt doorgaans plaats in grote fermentatievaten of bioreactoren die een gecontroleerde omgeving bieden voor de groei van micro-organismen.
Inhoudsopgave
1. De wetenschap achter industriële fermentatie
De wetenschap achter industriële fermentatie is gebaseerd op een diepgaand begrip van de betrokken biologische processen.
De eerste stap bij industriële fermentatie is de selectie van de juiste micro-organismen. De micro-organismen die bij industriële fermentatie worden gebruikt, zijn doorgaans bacteriën, gisten of schimmels en worden geselecteerd op hun vermogen om het gewenste product te produceren.
De micro-organismen moeten ook snel kunnen groeien en zich snel kunnen vermenigvuldigen in de gecontroleerde omgeving van een bioreactor of fermentor.
Zodra de juiste micro-organismen zijn geselecteerd, is de volgende stap om ze te voorzien van de nodige voedingsstoffen om hun groei en metabolisme te ondersteunen. Deze voedingsstoffen omvatten bronnen van koolstof, stikstof en andere essentiële mineralen.
Het groeimedium moet ook zorgvuldig worden gecontroleerd om optimale omstandigheden voor de groei van de micro-organismen te behouden.
Naarmate de micro-organismen groeien en zich vermenigvuldigen, produceren ze verschillende metabolieten, zoals organische zuren, alcoholen en enzymen. Deze metabolieten zijn essentieel voor het produceren van het gewenste product. De specifieke metabolische routes die betrokken zijn bij de productie van het product variëren afhankelijk van het micro-organisme en het geproduceerde product.
Een van de meest kritische factoren bij industriële fermentatie is de controle van het fermentatieproces. Om een optimale groei en metabolisme van de micro-organismen te garanderen, moeten de omstandigheden in de fermentor of bioreactor zorgvuldig worden gecontroleerd en beheerst. Dit omvat het beheersen van factoren zoals temperatuur, pH-waarde en zuurstofconcentratie.
De wetenschap achter industriële fermentatie vereist ook een diepgaand begrip van de genetica van micro-organismen. Genetische manipulatietechnieken kunnen worden gebruikt om de genetische samenstelling van micro-organismen te veranderen om hun vermogen om bepaalde producten te produceren te verbeteren.
Deze technologie heeft industriële fermentatie gerevolutioneerd en de productie van een breed scala aan hoogwaardige producten mogelijk gemaakt die voorheen moeilijk of onmogelijk te produceren waren.
2. Soorten micro-organismen die worden gebruikt bij industriële fermentatie
Micro-organismen spelen een cruciale rol in het proces van industriële fermentatie door complexe organische materialen af te breken tot eenvoudigere verbindingen die kunnen worden gebruikt om een breed scala aan producten te produceren. Het type micro-organisme dat wordt gebruikt bij industriële fermentatie, is afhankelijk van het product dat wordt geproduceerd.
2.1. bacteriën
Bacteriën worden vaak gebruikt bij de productie van voedings- en drankadditieven zoals melkzuur, citroenzuur en enzymen. Deze micro-organismen worden geselecteerd op basis van hun vermogen om het gewenste product efficiënt te produceren.
De bacteriën die gewoonlijk worden gebruikt bij industriële fermentatie zijn Lactobacillus, Streptococcus en Bacillus.
Bacteriën zijn eencellige organismen die kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: archaea en eubacteria. Eubacteria zijn de groep die het meest wordt gebruikt in de industrie.
Eubacteria kunnen verder worden onderverdeeld in 12 subgroepen, maar slechts twee van deze subgroepen zijn belangrijk voor de industrie: Proteobacteria en Gram-positieve Eubacteria.
Proteobacteria zijn een grote groep gram-negatieve bacteriën die zowel fotosynthetische als niet-fotosynthetische bacteriën omvat. Enkele voorbeelden van proteobacteria die in de industrie worden gebruikt, zijn E. coli, Pseudomonas en Streptomyces.
Gram-positieve eubacteria kunnen worden onderverdeeld in twee grote subgroepen. De eerste divisie omvat bacteriën waarvan het DNA een laag gehalte aan guanine (G) en cytosine (C) basenparen heeft. Voorbeelden van bacteriën in deze subgroep zijn Bacillus, Staphylococcus en Lactobacillus.
De tweede subgroep omvat bacteriën waarvan het DNA een hoog gehalte aan guanine (G) en cytosine (C) basenparen heeft. Voorbeelden van bacteriën in deze subgroep zijn Actinomycetes en Mycobacterium.
Het belangrijkste verschil tussen gramnegatieve en grampositieve bacteriën is de samenstelling van hun celomhulsels. Gramnegatieve bacteriën hebben een relatief dunne celwand omgeven door een buitenmembraan. Grampositieve bacteriën hebben een dikkere celwand die niet omgeven is door een buitenmembraan.
2.2. Gist
Gist is een ander type micro-organisme dat vaak wordt gebruikt bij industriële fermentatie. Gist wordt gebruikt bij de productie van alcoholische dranken zoals bier en wijn. Het wordt ook gebruikt bij de productie van brood en andere gebakken producten. Saccharomyces cerevisiae is de meest gebruikte gist bij industriële fermentatie.
2.3. Schimmels
Schimmels zijn eukaryotische micro-organismen die kunnen worden onderverdeeld in draadvormige schimmeldraden (schimmels) en eencellige schimmels (gisten). Draadvormige schimmels zijn chemoheterotroof en niet-fotosynthetisch. Ze scheiden een verscheidenheid aan hydrolytische enzymen af die verschillende polymeren kunnen afbreken tot kleinere moleculen die gemakkelijk kunnen worden geabsorbeerd en gemetaboliseerd.
Gisten zijn eencellige schimmels die heterotroof zijn en het beste groeien in de aanwezigheid en afwezigheid van O2. Ze zijn niet veeleisend qua voeding en kunnen zich voortplanten in een relatief eenvoudige mediumsamenstelling.
Zowel draadvormige schimmels als gisten worden gebruikt in industriële bioprocessen voor verschillende doeleinden, zoals:
- Productie van enzymen, antibiotica, vitaminen en andere metabolieten
- Fermentatie van voedsel en dranken
- Biologische afbraak van verontreinigende stoffen
Om geschikt te zijn voor industrieel gebruik, moet een microbiële stam aan bepaalde criteria voldoen, zoals:
- Vermogen om snel te groeien op goedkope organische substraten
- Vermogen om gewenste transformaties uit te voeren met een hoge efficiëntie en minimaal energieverbruik
- Genetische stabiliteit
- Producten produceren die gemakkelijk te extraheren en te scheiden zijn
- Niet-pathogeniteit
Wildtype stammen voldoen vaak niet aan al deze criteria en moeten daarom mogelijk genetisch worden gemodificeerd voordat ze kunnen worden gebruikt in industriële bioprocessen.
Voorbeelden van genetische modificaties die kunnen worden uitgevoerd om microbiële stammen te verbeteren voor industrieel gebruik:
- Overexpressie van genen die coderen voor enzymen die betrokken zijn bij het gewenste signaalpad
- Verstoring van genen die coderen voor enzymen die betrokken zijn bij concurrerende signaalpaden
- Introductie van genen van andere organismen om nieuwe vaardigheden te geven
Door genetische modificatie zijn microbiële stammen gecreëerd die een verscheidenheid aan waardevolle producten kunnen produceren, waaronder aminozuren (bijv. L-valine, L-threonine, L-lysine en L-arginine), basischemicaliën (bijv. 1,4-butaandiol, 1,4-diaminobutaan, 1,5-diaminopentaan, 1,3-propaandiol, butanol, isobutanol en barnsteenzuur) en geneesmiddelen (bijv. artemisinine).
2.4. Algen
Algen zijn een relatief nieuwe toevoeging aan de lijst van micro-organismen die worden gebruikt bij industriële fermentatie. Ze worden gebruikt bij de productie van biobrandstoffen, waaronder biodiesel en bio-ethanol. De meest voorkomende algen die worden gebruikt bij industriële fermentatie zijn chlorella en spirulina.
2.5. Actinomyceten
Actinomyceten zijn een type bacterie dat vaak wordt gebruikt bij de productie van antibiotica. Deze micro-organismen worden geselecteerd op hun vermogen om de gewenste antibiotische verbinding te produceren. Streptomyces is de actinomyceet die het meest wordt gebruikt bij industriële fermentatie.
2.6. Protozoa
Protozoa zijn een type eencellige organismen die worden gebruikt om enzymen en andere bioproducten te produceren. Deze micro-organismen worden geselecteerd op basis van hun vermogen om efficiënt het gewenste product te produceren. Trichomonas en Entamoeba behoren tot de meest gebruikte protozoa bij industriële fermentatie.
3. Producten geproduceerd door industriële fermentatie
Industriële fermentatie is een veelzijdig proces dat kan worden gebruikt om een breed scala aan producten te produceren, waaronder voedsel- en drankadditieven, farmaceutische producten, biobrandstoffen en industriële chemicaliën.
3.1. Alcoholische dranken
Alcoholische dranken zoals bier, wijn en sterke drank zijn enkele van de meest geproduceerde producten met behulp van industriële fermentatie. Het proces omvat het gebruik van gist om suikers om te zetten in alcohol, wat een breed scala aan smaken en aroma’s oplevert.
3.2. Organische zuren
Organische zuren zoals melkzuur, citroenzuur en azijnzuur worden vaak geproduceerd met behulp van industriële fermentatie. Deze zuren worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder voedsel- en drankadditieven, reinigingsmiddelen en farmaceutische producten.
3.3. Enzymen
Enzymen zijn eiwitten die worden gebruikt om chemische reacties te katalyseren. Industriële fermentatie wordt gebruikt om een breed scala aan enzymen te produceren, waaronder proteasen, lipasen en amylasen. Deze enzymen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder de productie van voedsel en dranken, wasmiddelen en farmaceutische producten.
3.4. Antibiotica
Antibiotica zijn een soort medicatie die wordt gebruikt om bacteriële infecties te behandelen. Industriële fermentatie wordt gebruikt om een breed scala aan antibiotica te produceren, waaronder penicilline, erytromycine en streptomycine. Deze antibiotica zijn cruciaal bij de behandeling van bacteriële infecties en hebben talloze levens gered.
3.5. Biobrandstoffen
Biobrandstoffen zoals ethanol en biodiesel worden geproduceerd met behulp van industriële fermentatie. Het proces omvat het gebruik van micro-organismen zoals gist en algen om organisch materiaal om te zetten in biobrandstoffen, die kunnen worden gebruikt om voertuigen en machines aan te drijven.
3.6. Industriële chemicaliën
Industriële chemicaliën zoals butanol, propionzuur en methanol worden geproduceerd met behulp van industriële fermentatie. Deze chemicaliën worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder de productie van kunststoffen, oplosmiddelen en farmaceutische producten.
4. De voordelen van industriële fermentatie
Industriële fermentatie is een proces waarbij micro-organismen worden gebruikt om organische materialen om te zetten in bruikbare producten. Dit proces heeft een aantal voordelen, waaronder verbeterde efficiëntie, minder afval en verhoogde duurzaamheid.
4.1. Verbeterde efficiëntie
Industriële fermentatie is een zeer efficiënt proces dat de productie van grote hoeveelheden producten in een relatief korte tijd mogelijk maakt. Dit komt omdat micro-organismen organische materialen snel kunnen omzetten in bruikbare producten, vaak veel sneller dan traditionele chemische processen.
4.2. Minder afval
Industriële fermentatie is een relatief afvalarm proces vergeleken met traditionele chemische processen. Dit komt omdat het proces organische materialen als grondstof gebruikt, die vaak gemakkelijk verkrijgbaar en hernieuwbaar zijn. Bovendien kunnen veel van de bijproducten van industriële fermentatie worden gerecycled of hergebruikt, waardoor afval verder wordt verminderd.
4.3. Verhoogde duurzaamheid
Industriële fermentatie is een duurzaam proces dat een veel lagere impact op het milieu heeft dan traditionele chemische processen. Dit komt doordat het proces organische materialen als grondstof gebruikt, die vaak hernieuwbaar en biologisch afbreekbaar zijn. Bovendien produceert het proces minder broeikasgasemissies en vereist het minder energie in vergelijking met traditionele chemische processen.
4.4. Veelzijdigheid
Industriële fermentatie is een veelzijdig proces dat kan worden gebruikt om een breed scala aan producten te produceren, waaronder additieven voor voedingsmiddelen en dranken, farmaceutische producten, biobrandstoffen en industriële chemicaliën. Deze veelzijdigheid maakt een breed scala aan toepassingen mogelijk, waardoor industriële fermentatie een waardevol hulpmiddel is in veel industrieën.
4.5. Kosteneffectief
Industriële fermentatie kan een kosteneffectief proces zijn, met name voor de productie van hoogwaardige producten zoals farmaceutische producten en enzymen. Dit komt doordat het proces zeer efficiënt is en grote hoeveelheden producten in een relatief korte tijd kan produceren, waardoor de kosten per eenheid worden verlaagd.
5. De uitdagingen van industriële fermentatie
Industriële fermentatie is een zeer efficiënt en veelzijdig proces dat veel voordelen heeft. Zoals elk productieproces brengt het echter ook een aantal uitdagingen met zich mee.
5.1. Microbiële besmetting
Een van de grootste uitdagingen bij industriële fermentatie is het risico op microbiële besmetting. Besmetting kan optreden wanneer ongewenste micro-organismen zoals bacteriën of schimmels het fermentatieproces binnendringen en concurreren met de gewenste micro-organismen. Dit kan leiden tot verminderde efficiëntie, verminderde productkwaliteit en zelfs volledige mislukking van het fermentatieproces.
5.2. Procesbeheersing
Het handhaven van strikte controle over het fermentatieproces is van cruciaal belang om consistente productkwaliteit en opbrengst te garanderen. Dit kan een uitdaging zijn, omdat het fermentatieproces sterk afhankelijk is van omgevingsfactoren zoals temperatuur, pH en beschikbaarheid van voedingsstoffen. Elke afwijking van de optimale omstandigheden kan leiden tot verminderde efficiëntie of productkwaliteit.
5.3. Opschalen
Het opschalen van het fermentatieproces van laboratoriumschaal naar industriële schaal kan een aanzienlijke uitdaging zijn. Verschillen in apparatuur, omgevingsomstandigheden en beschikbaarheid van voedingsstoffen kunnen leiden tot onverwachte veranderingen in het fermentatieproces. Zorgvuldige planning en optimalisatie zijn vereist om succesvolle opschaling te garanderen.
5.4. Downstream-verwerking
De producten van industriële fermentatie vereisen vaak downstream-verwerking, zoals zuivering of extractie, voordat ze kunnen worden gebruikt. Dit kan een complex en kostbaar proces zijn, met name voor hoogwaardige producten zoals farmaceutische producten.
5.5. Naleving van regelgeving
Industriële fermentatie is onderworpen aan een reeks voorschriften en normen, met name voor producten die bedoeld zijn voor menselijke consumptie. Naleving van deze voorschriften kan complex en tijdrovend zijn en uitgebreide documentatie en kwaliteitscontrolemaatregelen vereisen.
Referenties
- Introduction to Conventional Fermentation Processes. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119505822.ch1
- Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products. – https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-7691-0_24
- Industrial fermentation: its contribution to the bioeconomy and renewable chemistry
- Microbial Enzymes with Special Characteristics for Biotechnological Applications
- Industrial Enzymes – Present status and future perspectives for India
