工業発酵プロセス
工業発酵とは、微生物を利用してさまざまな製品を大規模に生産するプロセスです。この手法は、アルコール飲料、パン、乳製品などの製造のために、何世紀にもわたって利用されてきました。
技術と科学の進歩に伴い、工業発酵は進化を遂げ、現在では食品・飲料の添加物、医薬品、バイオ燃料など、多岐にわたる製品の生産に使用されています。
工業発酵のプロセスは、複雑な有機物をより単純な化合物へと分解する微生物の能力に依存しています。これらの化合物は、さまざまな製品を製造するための原料として利用されます。
工業発酵は通常、大型の発酵槽やバイオリアクターの中で行われ、微生物の増殖に適した制御された環境が提供されます。
目次
1. 工業発酵の背後にある科学
工業発酵の背後にある科学は、関与する生物学的プロセスの深い理解に基づいています。
工業発酵の第一歩は、適切な微生物の選択です。使用される微生物は通常、細菌、酵母、または真菌であり、目的の製品を生産する能力に基づいて選定されます。
また、微生物はバイオリアクターや発酵槽の制御された環境下で、迅速に成長・増殖できる必要があります。
適切な微生物が選択されたら、次のステップは、その成長と代謝を支えるために必要な栄養素を提供することです。これらの栄養素には、炭素源、窒素源、およびその他の必須ミネラルが含まれます。
微生物の増殖に最適な条件を維持するために、培地（成長媒体）も注意深く管理されなければなりません。
微生物が成長・増殖するにつれて、有機酸、アルコール、酵素などのさまざまな代謝産物が生成されます。これらの代謝産物が、目的の製品を製造するための鍵となります。製品生産に関与する特定の代謝経路は、微生物の種類や生産される製品によって異なります。
工業発酵において最も重要な要因の一つは、発酵プロセスの制御です。微生物の最適な成長と代謝を確実にするために、発酵槽やバイオリアクター内の条件を注意深く監視・制御する必要があります。これには、温度、pH値、酸素濃度などの因子の制御が含まれます。
工業発酵の科学には、微生物の遺伝学に関する深い理解も求められます。遺伝子工学の手法を用いて微生物の遺伝的構成を改変し、特定の製品を生産する能力を向上させることができます。
この技術は工業発酵に革命をもたらし、以前は製造が困難または不可能であった高品質な製品を幅広く生産することを可能にしました。
2. 工業発酵に使用される微生物の種類
微生物は、複雑な有機物をより単純な化合物に分解し、幅広い製品の生産を可能にすることで、工業発酵プロセスにおいて極めて重要な役割を果たしています。使用される微生物の種類は、生産される製品によって決まります。
2.1. 細菌（バクテリア）
細菌は、乳酸、クエン酸、酵素などの食品・飲料添加物の生産によく使用されます。これらの微生物は、目的の製品を効率的に生産する能力に基づいて選択されます。
工業発酵で一般的に使用される細菌には、ラクトバチルス（Lactobacillus）、ストレプトコッカス（Streptococcus）、バチルス（Bacillus）などがあります。
細菌は単細胞生物であり、古細菌と真正細菌の2つのグループに分けられます。産業界で最も一般的に使用されるのは真正細菌のグループです。
真正細菌はさらに12のサブグループに分けられますが、産業的に重要なのはプロテオバクテリア（Proteobacteria）とグラム陽性真正細菌の2つだけです。
プロテオバクテリアはグラム陰性菌の大きなグループであり、光合成を行うものと行わないものの両方が含まれます。産業で利用される例としては、大腸菌（E. coli）、シュードモナス（Pseudomonas）、ストレプトミセス（Streptomyces）などが挙げられます。
グラム陽性真正細菌は、大きく2つのサブグループに分けられます。第一の区分は、DNA中のグアニン（G）とシトシン（C）の塩基対の含有量が低い細菌です。このサブグループの例には、バチルス、スタフィロコッカス、ラクトバチルスが含まれます。
第二のサブグループは、DNA中のグアニン（G）とシトシン（C）の含有量が高い細菌です。このサブグループの例には、放線菌（Actinomycetes）やマイコバクテリウム（Mycobacterium）が含まれます。
グラム陰性菌とグラム陽性菌の主な違いは、細胞外包の構成です。グラム陰性菌は比較的薄い細胞壁を持ち、その外側を外膜が囲んでいます。グラム陽性菌はより厚い細胞壁を持ち、外膜には囲まれていません。
2.2. 酵母
酵母も、工業発酵で一般的に使用される微生物の一種です。酵母はビールやワインなどのアルコール飲料の製造に使用されるほか、パンやその他の焼き菓子の製造にも使われます。工業発酵で最も一般的に使用される酵母は、サッカロミセス・セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）です。
2.3. 真菌（カビ）
真菌は真核微生物であり、糸状の菌糸を持つもの（カビ）と単細胞のもの（酵母）に分けられます。糸状真菌は化学従属栄養性かつ非光合成性です。これらは多様な加水分解酵素を分泌し、さまざまなポリマーを吸収・代謝しやすい小さな分子に分解することができます。
酵母は単細胞の真菌であり、ヘテロトロフ（従属栄養生物）で、O2の有無にかかわらず増殖できます。栄養要求性はそれほど高くなく、比較的単純な培地組成で増殖・繁殖が可能です。
糸状真菌と酵母は、以下のようなさまざまな目的で工業的なバイオプロセスに使用されています：
- 酵素、抗生物質、ビタミン、その他の代謝産物の生産
- 食品および飲料の発酵
- 汚染物質の生物学的分解
工業利用に適するためには、微生物株は以下のような特定の基準を満たす必要があります：
- 安価な有機基質上で迅速に増殖できる能力
- 高い効率と最小限のエネルギー消費で目的の変換を行える能力
- 遺伝的安定性
- 抽出・分離が容易な製品の生産
- 非病原性
野生株（ワイルドタイプ）は、これらの基準をすべて満たしているわけではないため、工業用バイオプロセスで使用する前に遺伝子改変が必要になる場合があります。
工業利用のために微生物株を改良する遺伝子改変の例：
- 目的のシグナル経路に関与する酵素をコードする遺伝子の過剰発現
- 競合するシグナル経路に関与する酵素をコードする遺伝子の破壊（ノックアウト）
- 他の生物から遺伝子を導入して新しい能力を付与すること
遺伝子改変により、アミノ酸（例：L-バリン、L-トレオニン、L-リシン、L-アルギニン）、基礎化学品（例：1,4-ブタンジオール、1,4-ジアミノブタン、1,5-ジアミノペタン、1,3-プロパンジオール、ブタノール、イソブタノール、コハク酸）、および医薬品（例：アルテミシニン）など、多種多様な価値ある製品を生産できる微生物株が作成されています。
2.4. 藻類
藻類は、工業発酵に使用される微生物のリストに比較的最近加わったものです。これらは、バイオディーゼルやバイオエタノールを含むバイオ燃料の生産に使用されます。工業発酵で最も一般的に使用される藻類には、クロレラやスピルリナが含まれます。
2.5. 放線菌（アクチノマイセテス）
放線菌は、抗生物質の生産によく使われる細菌の一種です。これらの微生物は、目的の抗生物質化合物を生産する能力に基づいて選定されます。工業発酵で最も一般的に使用される放線菌は、ストレプトミセス（Streptomyces）です。
2.6. 原生動物
原生動物は、酵素やその他のバイオ製品を生産するために使用される単細胞生物の一種です。これらの微生物は、目的の製品を効率的に生産する能力に基づいて選定されます。工業発酵でよく使われる原生動物には、トリコモナス（Trichomonas）やエントアメーバ（Entamoeba）などがあります。
3. 工業発酵によって生産される製品
工業発酵は多目的なプロセスであり、食品・飲料添加物、医薬品、バイオ燃料、工業化学品など、幅広い製品の生産に使用できます。
3.1. アルコール飲料
ビール、ワイン、蒸留酒などのアルコール飲料は、工業発酵を用いて最も広く生産されている製品の一部です。このプロセスでは、酵母を使用して糖をアルコールに変換し、多様な風味や香りを生み出します。
3.2. 有機酸
乳酸、クエン酸、酢酸などの有機酸は、工業発酵によって一般的に生産されます。これらの酸は、食品・飲料添加物、洗浄剤、医薬品など、幅広い用途で使用されています。
3.3. 酵素
酵素は化学反応を触媒するために使用されるタンパク質です。工業発酵は、プロテアーゼ、リパーゼ、アミラーゼなど、幅広い酵素の生産に使用されます。これらの酵素は、食品・飲料の製造、洗濯洗剤、医薬品など多岐にわたる分野で利用されています。
3.4. 抗生物質
抗生物質は、細菌感染症の治療に使用される薬剤です。工業発酵は、ペニシリン、エリスロマイシン、ストレプトマイシンなど、多くの抗生物質の生産に使用されています。これらの抗生物質は細菌感染症の治療に不可欠であり、数え切れないほどの命を救ってきました。
3.5. バイオ燃料
エタノールやバイオディーゼルなどのバイオ燃料は、工業発酵を用いて生産されます。このプロセスでは、酵母や藻類などの微生物を使用して有機物をバイオ燃料に変換し、車両や機械の動力として利用できるようにします。
3.6. 工業化学品
ブタノール、プロピオン酸、メタノールなどの工業化学品は、工業発酵によって生産されます。これらの化学物質は、プラスチック、溶剤、医薬品の製造など、幅広い用途で使用されています。
4. 工業発酵の利点
工業発酵は、微生物を利用して有機物を有用な製品に変換するプロセスです。このプロセスには、効率の向上、廃棄物の削減、持続可能性の向上など、多くの利点があります。
4.1. 効率の向上
工業発酵は非常に効率的なプロセスであり、比較的短時間で大量の製品を生産することが可能です。これは、微生物が有機物を有用な製品に急速に変換できるためで、従来の化学プロセスよりもはるかに速いペースで行われることが多いからです。
4.2. 廃棄物の削減
工業発酵は、従来の化学プロセスと比較して、相対的に廃棄物の少ないプロセスです。これは、原料として有機物を使用するためであり、これらは多くの場合、容易に入手可能で再生可能です。さらに、工業発酵の副産物の多くはリサイクルや再利用が可能であり、廃棄物のさらなる削減につながります。
4.3. 持続可能性の向上
工業発酵は持続可能なプロセスであり、従来の化学プロセスよりも環境への影響がはるかに低いです。これは、原料として再生可能で生分解性のある有機物を使用するためです。さらに、このプロセスは従来の化学プロセスと比較して温室効果ガスの排出量が少なく、必要なエネルギーも少なくて済みます。
4.4. 多用途性
工業発酵は多目的なプロセスであり、食品・飲料添加物、医薬品、バイオ燃料、工業化学品など、幅広い製品の生産に使用できます。この多用途性により多様な応用が可能となり、工業発酵は多くの産業において価値あるツールとなっています。
4.5. 費用対効果
工業発酵は、特に医薬品や酵素などの高付加価値製品の生産において、費用対効果の高いプロセスとなり得ます。これは、プロセスが非常に効率的であり、比較的短時間で大量の製品を生産できるため、ユニットあたりのコストを抑えられるからです。
5. 工業発酵の課題
工業発酵は非常に効率的で多目的なプロセスであり、多くの利点がありますが、他の製造プロセスと同様に、いくつかの課題も存在します。
5.1. 微生物汚染（コンタミネーション）
工業発酵における最も大きな課題の一つは、微生物汚染のリスクです。細菌や真菌などの不要な微生物が発酵プロセスに混入し、目的の微生物と競合すると汚染が発生します。これにより、効率の低下、製品品質の劣化、さらには発酵プロセス全体の失敗につながる可能性があります。
5.2. プロセス制御
一貫した製品の品質と収率を確保するためには、発酵プロセスの厳密な管理が不可欠です。発酵プロセスは温度、pH、栄養素の可用性などの環境要因に強く依存するため、これは困難な場合があります。最適な条件から少しでも外れると、効率の低下や製品品質の低下を招く恐れがあります。
5.3. スケールアップ
発酵プロセスをラボスケールから工業スケールにスケールアップすることは、大きな挑戦となります。設備の相違、環境条件、栄養素の供給状況の違いにより、発酵プロセスに予期せぬ変化が生じることがあります。スケールアップを成功させるには、慎重な計画と最適化が必要です。
5.4. ダウンストリーム工程（後段処理）
工業発酵の生成物は、使用可能にする前に、精製や抽出などのダウンストリーム工程が必要になることがよくあります。これは、特に医薬品などの高付加価値製品において、複雑でコストのかかるプロセスになる可能性があります。
5.5. 規制遵守（レギュラトリー・コンプライアンス）
工業発酵は、特に人間が消費することを目的とした製品において、さまざまな規制や基準の対象となります。これらの規制の遵守は複雑で時間がかかる場合があり、広範な文書化と品質管理措置が求められます。
参考文献
- 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.
