Fed-batch fermentatie: gedoseerd voeren voor betere bioproductie
Stel je voor dat je een plant in één keer een hele zak mest geeft. De kans is groot dat de wortels verbranden en de plant het niet overleeft. Geef je diezelfde hoeveelheid voeding verspreid over enkele weken, dan groeit de plant juist voorspoedig. Fed-batch fermentatie werkt volgens datzelfde principe, maar dan met bacteriën, gist of schimmels in een grote roestvrijstalen tank.
Bij fed-batch fermentatie ('fed-batch' betekent letterlijk 'gevoede batch') start je een fermentatieproces met een beperkte hoeveelheid voedingsstoffen, en voeg je tijdens het proces geleidelijk extra voeding toe. Dat klinkt als een technisch detail, maar deze manier van doseren is een van de belangrijkste redenen waarom we vandaag op grote schaal insuline, antistoffen tegen kanker en industriële enzymen kunnen produceren met micro-organismen.
Wat is het precies?
Fermentatie is het proces waarbij micro-organismen (zoals bacteriën, gist of schimmels) suikers en andere voedingsstoffen omzetten in iets nuttigs: een eiwit, een enzym, alcohol of een grondstof voor medicijnen. Dit gebeurt in een bioreactor, een gesloten tank met controle over temperatuur, zuurgraad (pH) en zuurstof.
Er zijn grofweg drie manieren om zo'n reactor te bedrijven. Bij een batchproces stop je alle voedingsstoffen in één keer in de tank en laat je het proces lopen tot de voeding op is. Bij een continu proces (ook wel chemostaat genoemd) voer je constant nieuwe voeding toe en voer je tegelijk een deel van de inhoud af, zodat het volume gelijk blijft. Fed-batch zit daartussenin: je begint als een batch, maar voegt gedurende het proces extra voeding toe zonder iets af te voeren, totdat de tank aan het einde leeg wordt gehaald (geoogst).
Het slimme zit in de timing en de hoeveelheid van die toevoegingen. Micro-organismen groeien het snelst en het efficiëntst bij een bepaalde, vaak vrij lage, concentratie voedingsstof. Te veel suiker ineens leidt bij veel organismen tot ongewenste bijproducten: gist kan bijvoorbeeld overschakelen op alcoholproductie (het zogeheten Crabtree-effect) en de bacterie Escherichia coli produceert bij overmaat glucose azijnzuur, dat de groei juist remt. Door de voeding met sensoren en pompen nauwkeurig te doseren, houdt men de cellen in hun optimale groeizone, waardoor uiteindelijk veel meer cellen en veel meer product in dezelfde tank passen.
In de praktijk meet een besturingssysteem continu signalen zoals zuurstofverbruik, pH en soms de concentratie van de voedingsstof zelf, en past op basis daarvan de pompsnelheid aan. Dat kan volgens een vooraf berekend schema (op basis van een wiskundig groeimodel) of dynamisch, waarbij het systeem bijstuurt op actuele metingen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van fed-batch fermentatie is simpel: meer product uit dezelfde installatie halen, met minder bijproducten en een voorspelbaarder proces. Voor bedrijven die dure bioreactoren gebruiken, scheelt dat aanzienlijk in kosten per kilo product.
Een tweede doel is controle. Veel biologische producten, zoals eiwitten voor medicijnen, moeten aan strenge kwaliteitseisen voldoen. Door de groeisnelheid van de cellen te sturen, kunnen onderzoekers ook de kwaliteit van het eindproduct beïnvloeden, bijvoorbeeld hoe een antistof precies is opgevouwen of welke suikergroepen eraan vastzitten (glycosylering), wat weer invloed heeft op de werking van een medicijn in het lichaam.
Daarnaast speelt fed-batch een rol in het behalen van hoge celdichtheden: meer levende cellen per liter betekent meer productiecapaciteit zonder dat je grotere tanks nodig hebt. Dat is relevant nu de vraag naar biologische geneesmiddelen, industriële enzymen en nieuwe eiwitbronnen (zoals fermentatie-eiwitten voor alternatieve zuivel en vlees) sterk groeit.
Voorbeelden uit de praktijk
Humuline-insuline (1982). Een van de eerste grote commerciële toepassingen was de productie van menselijk insuline in gemodificeerde E. coli-bacteriën, ontwikkeld door Genentech en op de markt gebracht door Eli Lilly. Fed-batch-technieken maakten het mogelijk om de bacteriën op industriële schaal insuline te laten produceren zonder dat de cellen stikten in hun eigen bijproducten.
Monoklonale antistoffen tegen kanker. Sinds de jaren negentig wordt het grootste deel van de therapeutische antistoffen, zoals trastuzumab (Herceptin) van Roche/Genentech, geproduceerd in Chinese hamster-ovariumcellen (CHO-cellen) via fed-batch-processen. Dit is nog altijd de industriestandaard in de biofarmaceutische sector.
Industriële enzymen van Novonesis (voorheen Novozymes). Het Deens-Nederlandse biotechbedrijf Novonesis produceert enzymen voor wasmiddelen, voeding en biobrandstof met schimmels en bacteriën zoals Aspergillus en Bacillus, grotendeels via fed-batch fermentatie in tanks van honderdduizenden liters.
Precision fermentation voor zuiveleiwitten. Het Amerikaanse bedrijf Perfect Day, opgericht in 2014, gebruikt gemodificeerde schimmels om melkeiwitten (whey-eiwit) te produceren zonder koe, en bracht de eerste producten daarmee in 2020 op de markt. Ook dit proces draait op fed-batch fermentatie om de schimmel efficiënt eiwit te laten maken.
Citroenzuurproductie. Al decennialang wordt citroenzuur, gebruikt in frisdrank en voedingsmiddelen, grotendeels geproduceerd door de schimmel Aspergillus niger in fed-batch-processen, een van de oudste industriële toepassingen van deze techniek.
Hoe ver is de techniek?
Fed-batch fermentatie is geen nieuwe of experimentele technologie: het is al tientallen jaren de werkpaard-methode van de biotech- en farma-industrie. De basisprincipes zijn goed begrepen en op grote schaal (tot wel 20.000 liter of meer per tank) bewezen.
De ontwikkeling zit vooral in de verfijning. Moderne fabrieken gebruiken steeds vaker 'soft sensors' (wiskundige modellen die op basis van indirecte metingen de celdichtheid of producttiter schatten) en modelgestuurde regeltechniek om de voeding nog nauwkeuriger te doseren. Ook wordt machine learning ingezet om voedingsschema's te optimaliseren op basis van data uit eerdere productierondes.
Een belangrijk obstakel blijft opschaling: een proces dat in een laboratoriumreactor van twee liter perfect werkt, gedraagt zich in een tank van twintigduizend liter vaak anders, omdat zuurstofoverdracht, mengtijd en lokale concentratieverschillen dan een grotere rol spelen. Dit 'scale-up'-probleem kost bedrijven nog altijd veel tijd en geld bij het opschalen van nieuwe producten.
Daarnaast wint continue fermentatie (perfusie), waarbij voortdurend wordt gevoed én geoogst, terrein als alternatief voor fed-batch, vooral bij antistofproductie. Beide technieken zullen naar verwachting naast elkaar blijven bestaan, afhankelijk van het product en de gewenste schaal.
Wie werken eraan?
In de farmaceutische sector zijn Novo Nordisk (Denemarken), Sanofi (Frankrijk), Roche/Genentech (Zwitserland/VS) en Samsung Biologics (Zuid-Korea) grote partijen die fed-batch-processen op industriële schaal toepassen voor insuline en antistoffen. Lonza (Zwitserland) is een van de grootste contractfabrikanten die dit soort processen voor andere bedrijven uitvoert.
Op het gebied van industriële enzymen en alternatieve eiwitten zijn Novonesis (Denemarken/Nederland, ontstaan uit de fusie van Novozymes en Chr. Hansen in 2023) en DSM-Firmenich (Nederland/Zwitserland) belangrijke spelers. In de opkomende precision-fermentation-sector voor voedsel zijn Perfect Day en Imagindairy (beide VS/Israël) voorbeelden van bedrijven die fed-batch-technieken gebruiken voor nieuwe eiwitbronnen.
Op onderzoeksgebied werken instituten zoals DTU Biosustain in Denemarken, Wageningen University & Research in Nederland en diverse Duitse Max Planck- en Fraunhofer-instituten aan de volgende generatie fermentatietechnieken, waaronder betere regelalgoritmes en nieuwe gastheerorganismen. De Verenigde Staten, Denemarken, Nederland, Duitsland en Zuid-Korea vormen momenteel de belangrijkste landen op het gebied van industriële biotechnologie en bioproductie.