Grundlagen der Fermentation
Fermentation umfasst eine Reihe von aufeinanderfolgenden Operationen, die mit der Einführung von Saatmaterial in ein vororganisiertes und thermisch reguliertes Medium beginnen, gefolgt vom Wachstum von Zellen oder der Biosynthese des gewünschten Produkts. Nach Abschluss des Fermentationsprozesses entsteht ein komplexes Gemisch, das aus Produzenten-Zellen, verbleibenden Nährstoffen und biosynthetischen Produkten, die im Medium angereichert wurden, besteht. Dieses Gemisch wird gemeinhin als Kulturmedium bezeichnet.
Technologische Aspekte der Fermentationsprozesse
Mikrobiologische Prozesse werden auf der Grundlage ihres technologischen Designs klassifiziert, wobei zwei Hauptkategorien die aerobe und die anaerobe Kultur sind.
Aerobe Kultur
Die Belüftung ist eine wesentliche Voraussetzung für mikrobiologische Prozesse, die aerobe Mikroorganismen beinhalten. Der Sauerstoffbedarf dieser Mikroorganismen wird durch die oxidierte Kohlenstoffquelle, ihre physiologischen Eigenschaften und ihre Wachstumsaktivität beeinflusst. Zum Beispiel erfordert die Biosynthese von 1 kg Hefebiomasse etwa 0,74–2,6 kg molekularem Sauerstoff. Unter Bedingungen intensiven Substratverbrauchs assimiliert das Mikroorganismus, unabhängig von der Kohlenstoffquelle, zwischen 0,83–4,0 mg Sauerstoff pro Liter Medium pro Minute.
Die Löslichkeit von Sauerstoff im Medium ist grundsätzlich niedrig und hängt von der Temperatur, dem Druck und der Konzentration gelöster, emulgierter und dispergierter Komponenten ab. Bei einem Druck von 0,1 MPa und einer Temperatur von 30 °C beträgt die maximale Löslichkeit von Sauerstoff in 1 Liter destilliertem Wasser etwa 7,5 mg. In realen Nährmedien liegt diese Löslichkeit jedoch typischerweise zwischen 2 und 5 mg/L. Die Verfügbarkeit von Sauerstoff im Medium unterstützt die aerobe mikrobielle Aktivität nur für 0,5–2 Minuten.
Bei der Tiefenkultivierung werden die Sauerstoffwerte durch kontinuierliche Belüftung wieder aufgefüllt und durch erhöhte Mischintensität verstärkt. Während des Biomassewachstums zeigen Mikroorganismen typischerweise einen höheren Sauerstoffverbrauch im Vergleich zur Phase der Metabolitenübersynthese. Eine kritische Sauerstoffkonzentration ist definiert als die Schwelle, unterhalb derer die Zellatmung eingeschränkt wird. Für die meisten aeroben Mikroorganismen, die in zuckerhaltigen Substraten wachsen, liegt diese kritische Konzentration zwischen 0,05 und 0,10 mg/L, was 3–8% der gesamten Sauerstoffsättigung des Mediums entspricht. Das Zellwachstum und die physiologische Aktivität beginnen bei Sauerstoffkonzentrationen von etwa 20–25% der vollen Sättigung in glucosebasierten Medien abzunehmen.
Die optimale Sauerstoffkonzentration für das Biomassewachstum wird allgemein mit 50–60% der vollen Sättigung angegeben, während für die Biosynthese von Zielmetaboliten die optimale Konzentration bei 10–20% liegt.
Anaerobe Kultivierung
Anaerobe mikrobielle Prozesse, die basierend auf dem finalen Akzeptor von Wasserstoffatomen oder Elektronen klassifiziert werden, sind in drei Gruppen unterteilt:
- Atmung (Sauerstoff als Akzeptor),
- Fermentation (organische Verbindungen als Akzeptoren) und
- Anaerobe Atmung (anorganische Verbindungen wie Nitrate und Sulfate als Akzeptoren).
Für obligate Anaerobier stellt die Fermentation die einzige Methode der Energieproduktion dar. Im Gegensatz dazu durchlaufen fakultative Anaerobier ein initiales Fermentationsstadium im Glukosekatabolismus, gefolgt von einer aeroben Oxidation von Zwischenprodukten, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Eine distincte Zwischengruppe umfasst aerotolerante Mikroorganismen, die Energie durch anaerobe Prozesse (Substratphosphorylierung) gewinnen, während sie eine Atmungskette besitzen, die die Sauerstoffaufnahme ermöglicht. Dieser Mechanismus wird als „Respiratorischer Schutzeffekt“ bezeichnet.
Beispiele für obligate anaerobe Fermentationen sind Buttersäure- und Methanfermentationen. Ein nahezu universeller Stoffwechselweg unter Mikroorganismen ist der Glukosekatabolismus über die Glykolyse, der zur Pyruvatbildung führt:
Glukose++ 2АТР + 2 NAD = 2 Pyruvat + 4АТР + 2NADH + 2Н+
Bei der alkoholischen Fermentation decarboxylieren Hefen Pyruvat zu Acetaldehyd, der anschließend zu Ethanol reduziert wird. Die homolaktische Fermentation, die für Milchsäurebakterien charakteristisch ist, reduziert Pyruvat direkt zu Milchsäure, während die heterolaktische Fermentation einem Pentosephosphatweg folgt, der Milchsäure, Essigsäure, Ethanol und Kohlendioxid produziert.
Anaerobe Bedingungen in industriellen Anwendungen werden durch abgedichtete Fermentationsausrüstung, Spülen des Mediums mit inerten Gasen oder die Nutzung von Fermentationsnebenprodukten in gasförmiger Form aufrechterhalten. Das Fehlen von Belüftung vereinfacht das strukturelle Design des Bioreaktors und erleichtert die Prozesskontrolle während der anaeroben Fermentation.
| Menge der zugeführten Drehzahl Luft, m3/(m3*min) | Drehzahl des Mischers, min-1 | ||||
| 0 | 500 | 800 | 1000 | 2000 | |
| 0,35 | 1,3 | 4,0 | 7,5 | 14,5 | 15,1 |
| 0,65 | 3,5 | 7,3 | 12,1 | 19,1 | 22,1 |
| 1,00 | 6,0 | 10,0 | 15,0 | 23,0 | 24,0 |
| 1,30 | 7,5 | 13,9 | 18,0 | 26,0 | 28,0 |
| 1,60 | 11,0 | 15,5 | 20,0 | 27,0 | 29,0 |
