จลศาสตร์การหมัก

ในกระบวนการชีวภาพ สิ่งที่สำคัญที่สุดคือผลกำไรจากการผลิต ดังนั้นนักเทคโนโลยีชีวภาพจึงต้องหาวิธีที่จะทำให้ระบบชีวภาพสามารถสร้างผลกำไรมากที่สุด หรือทำให้ใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

การผลิตสารชีวภาพในเชิงพาณิชย์ที่สำคัญหลายชนิดต้องอาศัยการผลิตมวลเซลล์จำนวนมาก การสร้างผลกำไรสูงสุดจึงมักจะขึ้นกับการหาสภาวะที่เหมาะสมในการสร้างผลิตภัณฑ์โดยเซลล์ นั่นคือการทำให้ได้ผลิตภัณฑ์มากที่สุดในระยะเวลาที่สั้นที่สุดและค่าใช้จ่ายต่ำสุด

เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์นี้เราจึงต้องสามารถอธิบายระบบการเลี้ยงเซลล์ได้ในเชิงปริมาณ (quantitative) นั่นคือจลศาสตร์ของระบบ ซึ่งทำให้เราสามารถคาดหมายผลผลิต (yield) และระยะเวลา และทำให้สามารถกำหนดขนาดของถังปฏิกรณ์ชีวภาพได้

เราจะต้องทราบข้อมูลจลศาสตร์ของปฏิกิริยานี้ก่อนที่จะสร้างระบบการผลิตขนาดใหญ่ ในทางปฏิบัติข้อมูลเหล่านี้จะได้จากการทดลองในถังหมักขนาดเล็ก และจึงนำมาขยายขนาดผลิตอีกครั้ง

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์

การเพาะเลี้ยงเซลล์เป็นระบบที่ค่อนข้างสลับซับซ้อน เป็นระบบที่มีสิ่งที่เข้า (input) และออก (output) มากมาย และแตกต่างจากระบบปฏิกิริยาเคมี เพราะตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) นั้นสามารถเพิ่มจำนวนได้ด้วย นักเทคโนโลยีชีวภาพมักใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ (mathematical model) มาช่วยในการคำนวณต่างๆ

ตัวอย่างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่รู้จักกันดีเช่น ทฤษฎีสัมพันธภาพของไอน์สไตน์

E = mc²

รูปแบบของการหมัก

คำว่า “การหมัก” (fermentation) ในที่นี้ใช้แทนกระบวนการที่ใช้เซลล์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ (bioreactor) หรือถังหมัก (fermenter) รูปแบบการหมักมีหลักๆ อยู่ 3 แบบ คือ

• การหมักแบบครั้ง (Batch operation)
• การหมักแบบต่อเนื่อง (Continuous operation)
• การหมักแบบเติม (Fed-batch operation)