การหมักเชิงอุตสาหกรรม

การหมักเชิงอุตสาหกรรม(อังกฤษ:Industrial fermentation) เป็นการหมักจุลินทรีย์เช่นแบคทีเรียและเห็ดราที่ทำโดยตั้งใจเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่เป็นประโยชน์
ที่สามารถใช้เป็นอาหารหรือเพื่อประโยชน์อื่น ๆ ในอุตสาหกรรมสารเคมีที่มีขายทั่วไปบางอย่าง เช่นกรดน้ำส้มกรดซิตริก และเอทานอลล้วนผลิตโดยวิธีการหมักความช้าเร็วของกระบวนการหมักขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของจุลินทรีย์เซลล์องค์ประกอบของเซลล์เอนไซม์รวมทั้งอุณหภูมิและค่ากรดและสำหรับการหมักบางชนิดออกซิเจนกระบวนการสกัดผลิตภัณฑ์ออกมา บ่อยครั้งต้องเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายที่เจือจางนั้นเอนไซม์ที่ผลิตขายทั้งหมด เช่น lipase, invertase, และ rennet
จะทำโดยการหมักที่ใช้จุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรมในบางกรณี มวลชีวภาพของจุลินทรีย์นั่นแหละเป็นผลิตภัณฑ์ เช่น ยีสต์ขนมอบ (Saccharomyces cerevisiae) และแบคทีเรียที่เปลี่ยนแล็กโทสเป็นกรดแล็กติกที่ใช้ในการผลิตชีส
โดยทั่วไปแล้ว สามารถแบ่งการหมักได้ออกเป็น 4 จำพวก คือ
การหมักเพื่อผลผลิต 4 อย่างนี้ ไม่ใช่ว่าต้องทำแยกจากกันโดยสิ้นเชิง แต่เป็นการแยกเพื่อให้เข้าใจความแตกต่างของวิธีการได้ง่าย ๆสิ่งมีชีวิตที่ใช้อาจเป็นแบคทีเรียยีสต์เห็ดราเซลล์สัตว์ หรือเซลล์พืช
ซึ่งแต่ละอย่างจะมีความต้องการจำเพาะของตนเองเช่น ระดับออกซิเจน ระดับสารอาหาร และอุณหภูมิ
ในกระบวนการหมักทางอุตสาหกรรมโดยมากสิ่งมีชีวิตที่ใช้จะใส่จมไว้ในของเหลว แต่ในบางอย่างเช่น การหมักเมล็ดโกโก้ เมล็ดกาแฟ และการหมักมิโซะสิ่งที่หมักจะวางไว้ในที่เปียก ๆ ไม่ถึงกับจมมีปัจจัยทางอุตสาหกรรมอื่น ๆ ที่สำคัญต่อกระบวนการหมัก
ยกตัวอย่างเช่น เพื่อป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพ ของเหลวที่ใช้ในการหมัก อากาศ และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องต้องทำให้ปลอดเชื้อ
การป้องกันฟองสามารถทำได้โดยใช้เครื่องกลหรือสารกันฟอง
ปัจจัยอื่น ๆ อีกเช่นความดัน อุณหภูมิ ความแรงของเครื่องกวน และความหนืดต้องวัดและควบคุมให้ดี
ประเด็นสำคัญเกี่ยวกับการหมักอีกอย่างหนึ่งก็คือการขยายสเกล
ซึ่งก็คือการเปลี่ยนกระบวนการที่ทำในแล็บ ให้ใช้ผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้
เพราะว่า เป็นเรื่องที่รู้กันมานานในสาขาจุลชีววิทยาอุตสาหกรรมแล้วว่า กระบวนการที่เป็นไปได้ดีในห้องปฏิบัติการ อาจจะทำได้ไม่ดีหรือไม่ได้เลยถ้าขยายสเกล
คือโดยทั่วไปแล้ว จะไม่สามารถนำวิธีการและปัจจัยที่ใช้ในการหมักระดับห้องปฏิบัติการ มาใช้กับอุปกรณ์เครื่องมือระดับอุตสาหกรรมได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงอะไรเลย
แม้ว่าจะมีการทดสอบตัวแปรต่าง ๆ ในการหมัก เพื่อที่จะให้เพิ่มสเกลได้ แต่ว่า ไม่มีสูตรอะไรที่ใช้ได้โดยทั่วไป เพราะกระบวนการหมักมีความต่าง ๆ กัน
ถึงอย่างนั้น วิธีการที่สำคัญที่สุดในการปรับสเกลก็คือ การรักษาการใช้พลังงานให้สม่ำเสมอต่อปริมาณของเหลว และการรักษาปริมาตรการถ่ายโอนให้สม่ำเสมอ<-- ข้อมูลจากวิกีอังกฤษเหมือนกับแหล่งอ้างอิง ไม่มีข้อมูลรายละเอียดเพิ่มในเรื่องนี้ -->
การปลูกเชื้อเริ่มขึ้นตั้งแต่ใส่เชื้อลงในของเหลวที่ใช้เพาะเลี้ยง
แต่สิ่งมีชีวิตจะไม่เริ่มเจริญขึ้นโดยทันที จะต้องใช้เวลาสักพักหนึ่ง
ช่วงนี้เป็นช่วงการปรับตัวที่เรียกว่า lag phase (ช่วงล้า)ในช่วงต่อมา อัตราการเจริญของสิ่งมีชีวิตจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า log phase หรือ exponential phase (ช่วงการเพิ่มแบบชี้กำลัง)หลังจากนั้น อัตราการเพิ่มจะค่อย ๆ ลดลง เนื่องจากความเข้มข้นของสารอาหารลดลง หรือ/และความเข้มข้นของสารพิษเพิ่มขึ้น
ซึ่งเรียกว่า deceleration phase (ช่วงลดอัตราเพิ่ม)
หลังจากนั้น การเพิ่มขึ้นจะยุติลง และสิ่งเพาะเลี้ยงจะเข้าสู่ช่วง stationary phase (ช่วงคงที่)มวลชีวภาพจะอยู่นิ่ง ยกเว้นถ้ามีสารเคมีสะสมที่สามารถสลายเซลล์ผ่านกระบวนการ chemolysis
และถ้าไม่มีจุลินทรีย์อื่นที่มาปนเปื้อน องค์ประกอบสารเคมีก็จะนิ่งเช่นกัน
แต่ถ้าจุลินทรีย์กินสารอารหารทั้งหมด หรือว่าความเข้มข้นของสารพิษสูงเกินไป เซลล์อาจจะถึงความเสื่อม (senescence) แล้วเริ่มตาย
ดังนั้น แม้ว่ามวลชีวภาพจะไม่ได้ลดลง แต่จำนวนจุลินทรีย์ที่รอดชีวิตอยู่ได้ก็จะมีน้อยลง
จุลินทรีย์ที่ใช้ในการหมัก จะเพิ่มจำนวนขึ้นใน (หรือบน)อาหารเลี้ยงเชื้อที่ทำมาพิเศษ ที่จะให้อาหารตามที่จุลินทรีย์ต้องการ
แม้ว่าจะมีอาหารหลายประเภท แต่ทุกประเภทจะมีสารที่ให้คาร์บอนไนโตรเจนน้ำเกลือและสารอาหารรอง (micronutrient) อย่างอื่น ๆ
ในการผลิตไวน์สารอาหารก็คือน้ำองุ่นสด
ในการผลิตเอทานอลชีวภาพ สารอาหารจะเป็นแหล่งคาร์บอนอะไรบางอย่างที่มีอยู่และไม่แพงเกินไป
แหล่งคาร์บอนโดยปกติแล้ว จะเป็นน้ำตาลหรือคาร์โบไฮเดรตอย่างอื่น ๆ แต่ว่าในการผลิตโดยเปลี่ยนซับสเตรต (เช่นการผลิตน้ำส้มสายชู) แหล่งคาร์บอนอาจจะเป็นแอลกอฮอล์หรืออะไรอย่างอื่น ๆ
ในการหมักขนาดยักษ์ เช่นที่ใช้ในการผลิตเอทานอลจะใช้คาร์โบไฮเดรตที่ไม่แพง เช่นกากน้ำตาล, corn steep liquor ซึ่งเป็นสารละลายจากข้าวโพดมีลักษณะเข้มข้นและเหนียว ๆ และมีทั้งกรดอะมิโนวิตามินและแร่ธาตุ,
น้ำอ้อย, หรือน้ำของพืชประเภทบีตรูตที่ใช้ผลิตน้ำตาล เพื่อลดค่าใช้จ่าย
แต่ถ้าเป็นการหมักที่ต้องทำอย่างละเอียด ก็อาจจะใช้กลูโคสซูโครสกลีเซอรีน หรือน้ำตาล ที่บริสุทธิ์ เพื่อช่วยลดความหลากหลาย และให้มั่นใจได้ว่าจะได้ผลิตภัณฑ์ที่บริสุทธิ์
สิ่งมีชีวิตที่ใช้ผลิตเอนไซม์เช่น beta galactosidase, invertase, และ amylase อย่างอื่น ๆ จะเลี้ยงด้วยแป้งแล้วคัดเลือกสิ่งมีชีวิตที่สามารถผลิตเอนไซม์ได้มากที่สุด
แหล่งไนโตรเจนแบบตรึงแล้วเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิดเพื่อผลิตโปรตีนกรดนิวคลีอิกและองค์ประกอบของเซลล์อย่างอื่น ๆ
ขึ้นอยู่กับสมรรถภาพของระบบเอนไซม์ อาจสามารถให้ไนโตรเจนในรูปแบบโปรตีนที่ยังไม่ได้ย่อย เช่น สารอาหารจากถั่วเหลืองหรือแบบที่ย่อยแล้วเป็นโพลีเปบไทด์เช่น เพปโทนหรือ tryptone หรือเป็นแอมโมเนียหรือเกลือไนเตรตค่าใช้จ่ายเป็นเรื่องที่สำคัญในการเลือกแหล่งไนโตรเจน
นอกจากนั้นแล้ว จำเป็นต้องใช้ฟอสฟอรัสเพื่อผลิตฟอสโฟลิพิดที่อยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์และเพื่อผลิตกรดนิวคลีอิกแต่จำนวนที่ใช้จะต่าง ๆ กันไปขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของของเหลว ความต้องการของจุลินทรีย์ และเป้าหมายของการหมัก
ยกตัวอย่างเช่น การเพาะเชื้อบางอย่างจะไม่ให้ผลเป็นเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (เช่นยาปฏิชีวนะ) ถ้ามีฟอสเฟตอยู่
จะมีการใช้แฟกเตอร์การเติบโต (growth factor) และสารอาหารรอง (trace nutrient) ในของเหลวหมักสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถผลิตวิตามินที่จำเป็นได้
สารสกัดจากยีสต์ เป็นแหล่งสารอาหารรองและวิตามินที่สามัญที่ใช้
สารอาหารอนินทรีย์ รวมทั้งสารอาหารรอง เช่นเหล็กสังกะสีทองแดงแมงกานีสโมลิบดีนัมและโคบอลต์มักจะมีอยู่โดยธรรมชาติในแหล่งคาร์บอนและไนโตรเจนที่ไม่บริสุทธิ์ แต่อาจจะต้องใส่เพิ่มถ้าใช้แหล่งที่บริสุทธิ์
การหมักที่เกิดแก๊สเป็นจำนวนมาก หรือต้องใส่แก๊สเพิ่ม มักจะเกิดฟอง
เพราะว่า ของเหลวที่ใช้หมัก ปกติจะมีโปรตีน เพปไทด์ หรือแป้งที่เสริมฟอง
เพื่อป้องกันไม่ให้มีฟองหรือไม่ให้มีมาก อาจจะต้องใส่สารกันฟอง (antifoaming agent) เพิ่ม
อาจจะต้องใช้เกลือบัฟเฟอร์ เช่น คาร์บอเนตหรือหรือฟอสเฟต เพื่อรักษาค่าพีเอชให้อยู่ในระดับดีที่สุด
และเมื่อมีไอออนโลหะในระดับเข้มข้น อาจจะต้องใช้สารคีเลตเพื่อลดความเข้มข้นด้วย
การหมักระดับอุตสาหกรรมมักจะทำในถังขนาดใหญ่ที่เรียกว่า fermenter หรือ bioreactor
ขึ้นอยู่กับการหมัก อาจจะมีการเพิ่มแก๊สใส่ของเหลวที่ใช้หมัก
สำหรับการหมักที่ใช้ออกซิเจน มักจะใช้อากาศธรรมดาเพื่อช่วยการหายใจของเซลล์เพราะมีค่าใช้จ่ายต่ำ
ส่วนการหมักที่ไม่ใช้ออกซิเจน เช่นเพื่อผลิตเอทานอลไม่จำเป็นต้องเติมอากาศ แต่ต้องกวนบ่อย ๆ เพื่อให้จุลินทรีย์แขวนลอยอยู่ในของเหลว
การหมักแบบใช้ออกซิเจน อาจจะทำใช้ภาชนะหลายอย่างได้ เช่น bubble column reactor และแท่นอัด (packed bed) ที่ใช้หยดของเหลวหมักใส่ (เช่นในการผลิตน้ำส้มสายชู)
ปกติจะต้องมีการระบายความร้อน เนื่องจากเมแทบอลิซึมของสิ่งมีชีวิตจะสร้างความร้อน
ตัวเซลล์ของจุลินทรีย์หรือที่เรียกว่ามวลชีวภาพบางครั้งเป็นเป้าหมายของการหมักเอง
ยกตัวอย่างเช่น single cell protein (โปรตีนจากเซลล์เดี่ยว) ซึ่งเป็นโปรตีนที่ได้มาจากสาหร่ายยีสต์หรือเห็ดราที่ใช้เป็นอาหารโปรตีนสำหรับมนุษย์และสัตว์, ยีสต์ขนมอบ, เชื้อLactobacillus, และเชื้อEscherichia coliเป็นต้น
สำหรับโปรตีนจากเซลล์เดี่ยว จะมีการปลูกสาหร่ายในสระกลางแจ้งเพื่อให้สังเคราะห์แสงได้ถ้ามวลชีวภาพนั้นเป็นผลิตภัณฑ์เพื่อการปลูกเชื้อหรือเพื่อการหมักอย่างอื่น ๆ จะต้องป้องกันไม่ให้มีการกลายพันธุ์
เมแทบอไลต์จุลินทรีย์ ซึ่งก็คือสารมัธยันตร์และสารที่เป็นผลผลิตของเมแทบอลิซึมสามารถแบ่งออกเป็นสองพวก คือ พวกที่ผลิตในระยะเจริญขึ้นของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเรียกว่า เมแทบอไลต์ปฐมภูมิ (primary metabolite) และพวกที่ผลิตในช่วงที่เมื่อการเจริญหยุดนิ่งแล้ว ซึ่งเรียกว่า เมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (secondary metabolite)
ตัวอย่างของเมแทบอไลต์ปฐมภูมิ ได้แก่เอทานอล, กรดซิตริก, glutamic acid,ไลซีน,วิตามินและพอลิแซ็กคาไรด์ส่วนตัวอย่างของเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ ได้แก่เพนิซิลลิน, cyclosporin A ซึ่งเป็นยาระงับภูมิคุ้มกันใช้ในการปลูกถ่ายอวัยวะเพื่อป้องกันไม่ให้ร่างกายปฏิเสธอวัยวะใหม่,จิบเบอเรลลิน, และโลวาสแตติน
เมแทบอไลต์ปฐมภูมิ (primary metabolite) เป็นสารประกอบที่ผลิตในกระบวนการเมแทบอลิซึมปกติของสิ่งมีชีวิตเมื่อมีการเจริญขึ้น
ตัวอย่างที่สามัญคือเอทานอลและกรดแล็กติกผลิตในกระบวนการสลายกลูโคส (glycolysis) ของเซลล์
ส่วนกรดน้ำส้มจะผลิตโดยสายพันธุ์ราAspergillus nigerตามวัฏจักรกรดซิตริกเพื่อสร้างกรดป้องกันการแข่งขันจากสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ
ส่วนกลูตาเมตผลิตโดยแบคทีเรียสกุลMicrococcusบางพันธุ์และแบคทีเรียสกุลCorynebacteriumบางพันธุ์ผลิตไลซีนทรีโอนีนทริปโตเฟนและกรดอะมิโนอื่น ๆ
ซึ่งล้วนแต่เป็นสารประกอบที่ผลิตตามปกติของเซลล์ แล้วปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม
ดังนั้น จึงไม่ต้องทำลายเซลล์เพื่อที่จะสกัดเอาผลิตภัณฑ์
เมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (secondary metabolite) เป็นสารประกอบที่ผลิตในช่วงที่การเจริญขึ้นหยุดแล้ว ยกตัวอย่างเช่น แบคทีเรียสกุลPenicilliumจะผลิตเพนิซิลลินเพื่อช่วยป้องกันการเจริญขึ้นของแบคทีเรียอื่น ๆ ที่เป็นคู่แข่ง
และแบคทีเรียอื่น ๆ เช่นในสกุลLactobacillusก็สามารถผลิตโปรตีนพิษ bacteriocin ซึ่งป้องกันการเจริญเติบโตของคู่แข่งอื่น ๆ เช่นกัน
สารประกอบเหล่านี้ชัดเจนว่ามีค่าสำหรับมนุษย์ เพื่อป้องกันการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย โดยใช้เป็นยาปฏิชีวนะหรือสารระงับเชื้อ (antiseptic) เช่น gramicidin S ที่ใช้ฆ่าเชื้อในบาดแผลตื้น ๆ
สารฆ่าราเช่น griseofulvin ที่ใช้ฆ่าราที่ผิวหนังหรือเล็บ ก็ผลิตโดยเป็นเมแทบอไลต์ทุติยภูมิแต่โดยทั่วไปแล้ว เมแทบอไลต์ทุติยภูมิจะไม่ผลิตในสิ่งแวดล้อมที่มีกลูโคสหรือแหล่งคาร์บอนอื่น ๆ ที่จะสนับสนุนการเจริญเติบโตและโดยเหมือนกับเมแทบอไลต์ปฐมภูมิ จะมีการปล่อยออกสู่ของเหลวที่แวดล้อมโดยไม่ต้องทำลายเซลล์
องค์ประกอบที่อยู่ในเซลล์ที่น่าสนใจรวมทั้งเอนไซม์เช่น catalase, amylase, protease, pectinase, glucose isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase เป็นต้น
โปรตีนลูกผสม (recombinant protein) เช่นอินซูลิน, วัคซีนตับอักเสบ บี,อินเตอร์เฟียรอน, granulocyte colony-stimulating factor ที่ปลุกให้ไขกระดูกสร้างแกรนูโลไซต์และสเต็มเซลล์, streptokinase ที่ใช้เป็นยาละลายลิ่มเลือด และช่วยแก้กล้ามเนื้อหัวใจตายเหตุขาดเลือด(myocardial infarction) และสิ่งหลุดอุดหลอดเลือดของปอด(pulmonary embolism) ล้วนแต่เป็นยาผลิตโดยใช้วิธีนี้
ความแตกต่างจากกระบวนการก่อน ๆ ก็คือ ต้องสลายเซลล์หลังจากผ่านกระบวนการหมักแล้ว
และจะต้องปรับสิ่งแวดล้อมให้ดีที่สุดเพื่อให้ได้ผลผลิตมากที่สุด
นอกจากนั้นแล้ว ผลิตภัณฑ์ที่ปกติเป็นโปรตีน จะต้องแยกออกจากโปรตีนในเซลล์อื่น ๆ แล้วทำให้บริสุทธิ์
การแปลงซับสเตรต เป็นการแปลงสารประกอบอย่างหนึ่งให้เป็นอีกอย่างหนึ่ง
เช่นการแปลงเป็น phenylacetylcarbinol (ที่ใช้เป็นสารต้นกำเนิดของ ephedrine ที่ใช้เป็นสารกระตุ้น ช่วยสร้างสมาธิ แก้คัดจมูก ลดความหิว และแก้ความดันต่ำ) และการแปลงเป็นสเตอรอยด์หรือเป็นการแปลงวัตถุดิบให้เป็นวัตถุอย่างอื่น เช่น ในการหมักอาหารหรือการบำบัดสิ่งโสโครก (sewage treatment)
กระบวนการหมักอาหารที่มีมาตั้งแต่โบราณ เช่น การทำขนมปังไวน์ชีสเต้าหู้โดซาปลาร้าเป็นต้น อาจจะเริ่มขึ้นกว่า 7,000 ปีก่อนซึ่งเกิดขึ้นก่อนที่จะมีความรู้เกี่ยวกับจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกัน
เชื้อเพลิงเอทานอลโดยมากผลิตผ่านการหมัก
พืชผลสามัญ เช่นอ้อยมันฝรั่งมันสำปะหลังและข้าวโพดสามารถใช้หมักกับยีสต์เพื่อผลิตเอทานอล แล้วกลั่นเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง
ในกระบวนการบำบัดสิ่งโสโครกแบคทีเรียจะหลั่งเอนไซม์ที่เป็นตัวย่อยสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นของแข็ง
ให้กลายเป็นสารละลายน้ำที่ไม่มีพิษมีภัย พร้อมกับคาร์บอนไดออกไซด์ของเหลวที่เป็นผล จะผ่านกระบวนการฆ่าเชื้อก่อนที่จะปล่อยลงสู่แม่น้ำหรือทะเล หรือสามารถใช้เป็นปุ๋ยส่วนของแข็งที่ผ่านการย่อยแล้ว คือกากตะกอน (sludge) จะทำให้แห้งแล้วใช้เป็นปุ๋ย
ส่วนผลิตผลพลอยได้ที่เป็นแก๊สเช่นมีเทนสามารใช้เป็นแก๊สชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าข้อดีอย่างหนึ่งของการย่อยด้วยแบคทีเรียก็คือ สามารถลดปริมาตรและกลิ่นของสิ่งโสโครก และดังนั้น จึงลดพื้นที่ใช้ทิ้ง
ข้อเสียหลักของวิธีนี้ก็คือ เป็นกระบวนการที่ช้ามาก
ของที่ทิ้งแล้วหลายอย่างของเกษตรกรรมและอุตสาหกรรม สามารถหมักแล้วใช้เป็นอาหารสัตว์โดยเฉพาะสัตว์เคี้ยวเอื้องเช่นพวกปศุสัตว์เป็นต้น
นอกจากนั้นแล้ว ยังสามารถใช้ราเพื่อย่อยของเสียที่เป็นเซลลูโลสเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนและช่วยให้ย่อยได้ง่ายขึ้น