発酵

発酵とは、微生物や酵素が有機基質を分解し、その過程で酸、アルコール、ガス、芳香物質などの代謝生成物を形成する生化学的変換プロセスを指します。発酵は、食品、医薬品、バイオテクノロジーの分野で、製品の保存、改良、あるいは特定の有効成分や芳香物質の生成のために利用されています。代表的な発酵プロセスとしては、ヨーグルト、ザワークラウト、ビール、ワイン、酢、酵素、医薬品有効成分の製造などが挙げられます。

物質的に見ると、微生物は、ほとんどの場合嫌気性または微好気性の条件下で、エネルギー豊富な基質（例えば糖）を変換します。非常に単純化した発酵反応（乳酸発酵）は、例えば次のように表すことができます。

C₆H₁₂O₆ → 2 · C₃H₆O₃

グルコースは乳酸に変換され、その過程で微生物内にATPの形でエネルギーが生成されます。アルコール発酵では、一般的な分子式は次のとおりです。

C₆H₁₂O₆ → 2 · C₂H₅OH + 2 · CO₂

ここでは、ブドウ糖がエタノールと二酸化炭素に変換されます。

技術的には、発酵は主にバイオリアクターまたは発酵タンクで行われます。重要なプロセス変数は、温度、pH 値、酸素供給（通気、非通気、または低通気）、攪拌強度、栄養素組成、および期間です。微生物の成長の速度は、多くの場合、以下の単純化された関係式で説明されます。

μ = (1/X) · (dX/dt)

• μ：特定の成長率
• X：バイオマス濃度
• t: 時間 時間

製品形成は、次のような同様のバランスシートアプローチで検討することができます。

r_P = (dP/dt)

• r_P: 製品の生成速度
• P：製品濃度

ミキサーやプロセス容器では、発酵プロセスにおいて微生物、基質、および必要に応じて添加ガスが均一に分散されることが重要です。効果的な撹拌により、温度と pH 値が均一に保たれ、栄養素が十分に分散され、発酵槽のすべてのポイントで反応条件ができる限り均一になります。これにより、再現性のある製品品質、定義された香りのプロファイル、および安定した収量が実現されます。

発酵は、プロセスの目標に応じて、バッチ、フィードバッチ、または連続プロセスとして実施することができます。バッチ発酵では、1回のバッチを準備し、所望の変換率に達するまで発酵させます。フィードバッチプロセスでは、発酵中に基質の供給を意図的に制御して、望ましくない副反応（例えば、糖濃度の過度に高いことによるもの）を防ぐことができます。Amixon® 装置は、発酵プロセスに最適です。この点については、ブログ記事「amixon 発酵装置リアクターでの発酵」で詳しく説明しています。