การหมักเชิงอุตสาหกรรม

การหมักเชิงอุตสาหกรรม () เป็นการหมักจุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรียและเห็ดรา ที่ทำโดยตั้งใจเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่เป็นประโยชน์
ที่สามารถใช้เป็นอาหารหรือเพื่อประโยชน์อื่น ๆ ในอุตสาหกรรม
สารเคมีที่มีขายทั่วไปบางอย่าง เช่น กรดน้ำส้ม กรดซิตริก และเอทานอล ล้วนผลิตโดยวิธีการหมัก
ความช้าเร็วของกระบวนการหมักขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของจุลินทรีย์ เซลล์ องค์ประกอบของเซลล์ เอนไซม์ รวมทั้งอุณหภูมิและค่ากรด
และสำหรับการหมักบางชนิด ออกซิเจน
กระบวนการสกัดผลิตภัณฑ์ออกมา บ่อยครั้งต้องเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายที่เจือจางนั้น
เอนไซม์ที่ผลิตขายทั้งหมด เช่น lipase, invertase, และ rennet
จะทำโดยการหมักที่ใช้จุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรม
ในบางกรณี มวลชีวภาพของจุลินทรีย์นั่นแหละเป็นผลิตภัณฑ์ เช่น ยีสต์ขนมอบ ("Saccharomyces cerevisiae") และแบคทีเรียที่เปลี่ยนแล็กโทสเป็นกรดแล็กติกที่ใช้ในการผลิตชีส

โดยทั่วไปแล้ว สามารถแบ่งการหมักได้ออกเป็น 4 จำพวก คือ

การหมักเพื่อผลผลิต 4 อย่างนี้ ไม่ใช่ว่าต้องทำแยกจากกันโดยสิ้นเชิง แต่เป็นการแยกเพื่อให้เข้าใจความแตกต่างของวิธีการได้ง่าย ๆ
สิ่งมีชีวิตที่ใช้อาจเป็นแบคทีเรีย ยีสต์ เห็ดรา เซลล์สัตว์ หรือเซลล์พืช
ซึ่งแต่ละอย่างจะมีความต้องการจำเพาะของตนเองเช่น ระดับออกซิเจน ระดับสารอาหาร และอุณหภูมิ

ในกระบวนการหมักทางอุตสาหกรรมโดยมาก สิ่งมีชีวิตที่ใช้จะใส่จมไว้ในของเหลว แต่ในบางอย่างเช่น การหมักเมล็ดโกโก้ เมล็ดกาแฟ และการหมักมิโซะ สิ่งที่หมักจะวางไว้ในที่เปียก ๆ ไม่ถึงกับจม
มีปัจจัยทางอุตสาหกรรมอื่น ๆ ที่สำคัญต่อกระบวนการหมัก
ยกตัวอย่างเช่น เพื่อป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพ ของเหลวที่ใช้ในการหมัก อากาศ และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องต้องทำให้ปลอดเชื้อ
การป้องกันฟองสามารถทำได้โดยใช้เครื่องกลหรือสารกันฟอง
ปัจจัยอื่น ๆ อีกเช่นความดัน อุณหภูมิ ความแรงของเครื่องกวน และความหนืด ต้องวัดและควบคุมให้ดี

ประเด็นสำคัญเกี่ยวกับการหมักอีกอย่างหนึ่งก็คือการขยายสเกล
ซึ่งก็คือการเปลี่ยนกระบวนการที่ทำในแล็บ ให้ใช้ผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้
เพราะว่า เป็นเรื่องที่รู้กันมานานในสาขาจุลชีววิทยาอุตสาหกรรมแล้วว่า กระบวนการที่เป็นไปได้ดีในห้องปฏิบัติการ อาจจะทำได้ไม่ดีหรือไม่ได้เลยถ้าขยายสเกล
คือโดยทั่วไปแล้ว จะไม่สามารถนำวิธีการและปัจจัยที่ใช้ในการหมักระดับห้องปฏิบัติการ มาใช้กับอุปกรณ์เครื่องมือระดับอุตสาหกรรมได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงอะไรเลย
แม้ว่าจะมีการทดสอบตัวแปรต่าง ๆ ในการหมัก เพื่อที่จะให้เพิ่มสเกลได้ แต่ว่า ไม่มีสูตรอะไรที่ใช้ได้โดยทั่วไป เพราะกระบวนการหมักมีความต่าง ๆ กัน
ถึงอย่างนั้น วิธีการที่สำคัญที่สุดในการปรับสเกลก็คือ การรักษาการใช้พลังงานให้สม่ำเสมอต่อปริมาณของเหลว และการรักษาปริมาตรการถ่ายโอนให้สม่ำเสมอ

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 แต่ทุกประเภทจะมีสารที่ให้คาร์บอน ไนโตรเจน น้ำ เกลือ และสารอาหารรอง (micronutrient) อย่างอื่น ๆ
ในการผลิตไวน์ สารอาหารก็คือน้ำองุ่นสด
ในการผลิตเอทานอลชีวภาพ สารอาหารจะเป็นแหล่งคาร์บอนอะไรบางอย่างที่มีอยู่และไม่แพงเกินไป

แหล่งคาร์บอนโดยปกติแล้ว จะเป็นน้ำตาลหรือคาร์โบไฮเดรตอย่างอื่น ๆ แต่ว่าในการผลิตโดยเปลี่ยนซับสเตรต (เช่นการผลิตน้ำส้มสายชู) แหล่งคาร์บอนอาจจะเป็นแอลกอฮอล์หรืออะไรอย่างอื่น ๆ
ในการหมักขนาดยักษ์ เช่นที่ใช้ในการผลิตเอทานอล จะใช้คาร์โบไฮเดรตที่ไม่แพง เช่น กากน้ำตาล, corn steep liquor ซึ่งเป็นสารละลายจากข้าวโพดมีลักษณะเข้มข้นและเหนียว ๆ และมีทั้งกรดอะมิโน วิตามิน และแร่ธาตุ,
น้ำอ้อย, หรือน้ำของพืชประเภทบีตรูตที่ใช้ผลิตน้ำตาล เพื่อลดค่าใช้จ่าย
แต่ถ้าเป็นการหมักที่ต้องทำอย่างละเอียด ก็อาจจะใช้กลูโคส ซูโครส กลีเซอรีน หรือน้ำตาล ที่บริสุทธิ์ เพื่อช่วยลดความหลากหลาย และให้มั่นใจได้ว่าจะได้ผลิตภัณฑ์ที่บริสุทธิ์
สิ่งมีชีวิตที่ใช้ผลิตเอนไซม์ เช่น beta galactosidase, invertase, และ amylase อย่างอื่น ๆ จะเลี้ยงด้วยแป้งแล้วคัดเลือกสิ่งมีชีวิตที่สามารถผลิตเอนไซม์ได้มากที่สุด

แหล่งไนโตรเจนแบบตรึงแล้ว เป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิดเพื่อผลิตโปรตีน กรดนิวคลีอิก และองค์ประกอบของเซลล์อย่างอื่น ๆ
ขึ้นอยู่กับสมรรถภาพของระบบเอนไซม์ อาจสามารถให้ไนโตรเจนในรูปแบบโปรตีนที่ยังไม่ได้ย่อย เช่น สารอาหารจากถั่วเหลือง หรือแบบที่ย่อยแล้วเป็นโพลีเปบไทด์ เช่น เพปโทนหรือ tryptone หรือเป็นแอมโมเนียหรือเกลือไนเตรต
ค่าใช้จ่ายเป็นเรื่องที่สำคัญในการเลือกแหล่งไนโตรเจน
นอกจากนั้นแล้ว จำเป็นต้องใช้ฟอสฟอรัสเพื่อผลิตฟอสโฟลิพิดที่อยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ และเพื่อผลิตกรดนิวคลีอิก
แต่จำนวนที่ใช้จะต่าง ๆ กันไปขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของของเหลว ความต้องการของจุลินทรีย์ และเป้าหมายของการหมัก
ยกตัวอย่างเช่น การเพาะเชื้อบางอย่างจะไม่ให้ผลเป็นเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (เช่นยาปฏิชีวนะ) ถ้ามีฟอสเฟตอยู่

จะมีการใช้แฟกเตอร์การเติบโต (growth factor) และสารอาหารรอง (trace nutrient) ในของเหลวหมักสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถผลิตวิตามินที่จำเป็นได้
สารสกัดจากยีสต์ เป็นแหล่งสารอาหารรองและวิตามินที่สามัญที่ใช้
สารอาหารอนินทรีย์ รวมทั้งสารอาหารรอง เช่น เหล็ก สังกะสี ทองแดง แมงกานีส โมลิบดีนัม และโคบอลต์ มักจะมีอยู่โดยธรรมชาติในแหล่งคาร์บอนและไนโตรเจนที่ไม่บริสุทธิ์ 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 เช่นเพื่อผลิตเอทานอล ไม่จำเป็นต้องเติมอากาศ แต่ต้องกวนบ่อย ๆ เพื่อให้จุลินทรีย์แขวนลอยอยู่ในของเหลว
การหมักแบบใช้ออกซิเจน อาจจะทำใช้ภาชนะหลายอย่างได้ เช่น bubble column reactor และแท่นอัด (packed bed) ที่ใช้หยดของเหลวหมักใส่ (เช่นในการผลิตน้ำส้มสายชู)
ปกติจะต้องมีการระบายความร้อน เนื่องจากเมแทบอลิซึมของสิ่งมีชีวิตจะสร้างความร้อน

ตัวเซลล์ของจุลินทรีย์หรือที่เรียกว่ามวลชีวภาพ บางครั้งเป็นเป้าหมายของการหมักเอง
ยกตัวอย่างเช่น single cell protein (โปรตีนจากเซลล์เดี่ยว) ซึ่งเป็นโปรตีนที่ได้มาจากสาหร่าย ยีสต์ หรือเห็ดรา ที่ใช้เป็นอาหารโปรตีนสำหรับมนุษย์และสัตว์, ยีสต์ขนมอบ, เชื้อ Lactobacillus, และเชื้อ Escherichia coli เป็นต้น
สำหรับโปรตีนจากเซลล์เดี่ยว จะมีการปลูกสาหร่ายในสระกลางแจ้งเพื่อให้สังเคราะห์แสงได้
ถ้ามวลชีวภาพนั้นเป็นผลิตภัณฑ์เพื่อการปลูกเชื้อหรือเพื่อการหมักอย่างอื่น ๆ จะต้องป้องกันไม่ให้มีการกลายพันธุ์

เมแทบอไลต์จุลินทรีย์ ซึ่งก็คือสารมัธยันตร์และสารที่เป็นผลผลิตของเมแทบอลิซึม สามารถแบ่งออกเป็นสองพวก คือ พวกที่ผลิตในระยะเจริญขึ้นของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเรียกว่า เมแทบอไลต์ปฐมภูมิ (primary metabolite) และพวกที่ผลิตในช่วงที่เมื่อการเจริญหยุดนิ่งแล้ว ซึ่งเรียกว่า เมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (secondary metabolite)
ตัวอย่างของเมแทบอไลต์ปฐมภูมิ ได้แก่ เอทานอล, กรดซิตริก, glutamic acid, ไลซีน, วิตามิน และพอลิแซ็กคาไรด์
ส่วนตัวอย่างของเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ ได้แก่ เพนิซิลลิน, cyclosporin A ซึ่งเป็นยาระงับภูมิคุ้มกันใช้ในการปลูกถ่ายอวัยวะเพื่อป้องกันไม่ให้ร่างกายปฏิเสธอวัยวะใหม่, จิบเบอเรลลิน, และโลวาสแตติน

เมแทบอไลต์ปฐมภูมิ (primary metabolite) เป็นสารประกอบที่ผลิตในกระบวนการเมแทบอลิซึมปกติของสิ่งมีชีวิตเมื่อมีการเจริญขึ้น
ตัวอย่างที่สามัญคือเอทานอลและกรดแล็กติก ผลิตในกระบวนการสลายกลูโคส (glycolysis) ของเซลล์
ส่วนกรดน้ำส้มจะผลิตโดยสายพันธุ์รา "Aspergillus niger" ตามวัฏจักรกรดซิตริก เพื่อสร้างกรดป้องกันการแข่งขันจากสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ
ส่วนกลูตาเมตผลิตโดยแบคทีเรียสกุล "Micrococcus" บางพันธุ์
และแบคทีเรียสกุล "Corynebacterium" บางพันธุ์ผลิตไลซีน ทรีโอนีน ทริปโตเฟน และกรดอะมิโนอื่น ๆ
ซึ่งล้วนแต่เป็นสารประกอบที่ผลิตตามปกติของเซลล์ แล้วปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม
ดังนั้น จึงไม่ต้องทำลายเซลล์เพื่อที่จะสกัดเอาผลิตภัณฑ์

เมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (secondary metabolite) เป็นสารประกอบที่ผลิตในช่วงที่การเจริญขึ้นหยุดแล้ว ยกตัวอย่างเช่น แบคทีเรียสกุล "Penicillium" จะผลิตเพนิซิลลินเพื่อช่วยป้องกันการเจริญขึ้นของแบคทีเรียอื่น ๆ ที่เป็นคู่แข่ง
และแบคทีเรียอื่น ๆ เช่นในสกุล "Lactobacillus" ก็สามารถผลิตโปรตีนพิษ bacteriocin ซึ่งป้องกันการเจริญเติบโตของคู่แข่งอื่น ๆ เช่นกัน
สารประกอบเหล่านี้ชัดเจนว่ามีค่าสำหรับมนุษย์ เพื่อป้องกันการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย โดยใช้เป็นยาปฏิชีวนะ หรือสารระงับเชื้อ (antiseptic) เช่น gramicidin S ที่ใช้ฆ่าเชื้อในบาดแผลตื้น ๆ
สารฆ่าราเช่น griseofulvin ที่ใช้ฆ่าราที่ผิวหนังหรือเล็บ ก็ผลิตโดยเป็นเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ
แต่โดยทั่วไปแล้ว เมแทบอไลต์ทุติยภูมิจะไม่ผลิตในสิ่งแวดล้อมที่มีกลูโคสหรือแหล่งคาร์บอนอื่น ๆ ที่จะสนับสนุนการเจริญเติบโต
และโดยเหมือนกับเมแทบอไลต์ปฐมภูมิ จะมีการปล่อยออกสู่ของเหลวที่แวดล้อมโดยไม่ต้องทำลายเซลล์

องค์ประกอบที่อยู่ในเซลล์ที่น่าสนใจรวมทั้งเอนไซม์ เช่น catalase, amylase, protease, pectinase, glucose isomerase, cellulase, hemicellulase, lipase, lactase, streptokinase เป็นต้น
โปรตีนลูกผสม (recombinant protein) เช่น อินซูลิน, 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) และการแปลงเป็นสเตอรอยด์
หรือเป็นการแปลงวัตถุดิบให้เป็นวัตถุอย่างอื่น เช่น ในการหมักอาหารหรือการบำบัดสิ่งโสโครก (sewage treatment)

กระบวนการหมักอาหารที่มีมาตั้งแต่โบราณ เช่น การทำขนมปัง ไวน์ ชีส เต้าหู้ โดซา ปลาร้า เป็นต้น อาจจะเริ่มขึ้นกว่า 7,000 ปีก่อน
ซึ่งเกิดขึ้นก่อนที่จะมีความรู้เกี่ยวกับจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกัน

เชื้อเพลิงเอทานอลโดยมากผลิตผ่านการหมัก
พืชผลสามัญ เช่น อ้อย มันฝรั่ง มันสำปะหลัง และข้าวโพด สามารถใช้หมักกับยีสต์ เพื่อผลิตเอทานอล แล้วกลั่นเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง

ในกระบวนการบำบัดสิ่งโสโครก แบคทีเรียจะหลั่งเอนไซม์ที่เป็นตัวย่อยสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นของแข็ง
ให้กลายเป็นสารละลายน้ำที่ไม่มีพิษมีภัย พร้อมกับคาร์บอนไดออกไซด์
ของเหลวที่เป็นผล จะผ่านกระบวนการฆ่าเชื้อก่อนที่จะปล่อยลงสู่แม่น้ำหรือทะเล หรือสามารถใช้เป็นปุ๋ย
ส่วนของแข็งที่ผ่านการย่อยแล้ว คือกากตะกอน (sludge) จะทำให้แห้งแล้วใช้เป็นปุ๋ย
ส่วนผลิตผลพลอยได้ที่เป็นแก๊ส เช่น มีเทน สามารใช้เป็นแก๊สชีวภาพ เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ข้อดีอย่างหนึ่งของการย่อยด้วยแบคทีเรียก็คือ สามารถลดปริมาตรและกลิ่นของสิ่งโสโครก และดังนั้น จึงลดพื้นที่ใช้ทิ้ง
ข้อเสียหลักของวิธีนี้ก็คือ เป็นกระบวนการที่ช้ามาก

ของที่ทิ้งแล้วหลายอย่างของเกษตรกรรมและอุตสาหกรรม สามารถหมักแล้วใช้เป็นอาหารสัตว์ โดยเฉพาะสัตว์เคี้ยวเอื้อง เช่นพวกปศุสัตว์เป็นต้น
นอกจากนั้นแล้ว ยังสามารถใช้ราเพื่อย่อยของเสียที่เป็นเซลลูโลส เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีน และช่วยให้ย่อยได้ง่ายขึ้น