Unter Fermentation versteht man die Gesamtheit der aufeinanderfolgenden Schritte von der Einbringung des Impfmaterials in ein vorbereitetes und auf die erforderliche Temperatur erwärmtes Medium bis zum Abschluss des Prozesses des Zellwachstums oder der Biosynthese des Zielprodukts. Am Ende der Fermentation entsteht ein komplexes Gemisch, das aus Produzentenzellen, einer Lösung verbrauchter Nährstoffe und den im Medium angereicherten biosynthetischen Produkten besteht. Dieses Gemisch wird als Kulturmedium bezeichnet.
Bei den verschiedenen mikrobiologischen Prozessen werden zwei Hauptkategorien nach ihrem technologischen Aufbau unterschieden: aerobe und anaerobe Kultivierung. Jeder dieser Prozesse nutzt spezifische Arten von Bioreaktoren und Fermentoren, die auf ihre jeweiligen Anforderungen zugeschnitten sind.
Die aerobe Kultivierung erfordert die Belüftung des Mediums, eine entscheidende Voraussetzung für mikrobiologische Prozesse, an denen aerobe Mikroorganismen beteiligt sind. Der Bedarf an molekularem Sauerstoff bei diesen Organismen wird durch die Art der oxidierten Kohlenstoffquelle sowie durch die physiologischen Eigenschaften und die Wachstumsaktivität der Mikroorganismen selbst beeinflusst. Beispielsweise erfordert die Biosynthese von 1 kg Hefebiomasse etwa 0,74 bis 2,6 kg molekularen Sauerstoff. Während Phasen intensiven Substratverbrauchs nimmt der Produzent unabhängig von der Kohlenstoffquelle typischerweise zwischen 0,83 und 4,0 mg Sauerstoff pro Liter Medium pro Minute auf.
Die Löslichkeit von Sauerstoff im Fermentationsmedium ist relativ gering und wird durch Faktoren wie Temperatur, Druck sowie die Konzentration gelöster, emulgierter und dispergierter Komponenten beeinflusst. Bei einem Druck von 0,1 MPa und einer Temperatur von 30 °C beträgt die maximale Menge an gelöstem Sauerstoff in einem Liter destilliertem Wasser etwa 7,5 mg. In einem typischen Nährmedium liegt die maximale Sauerstofflöslichkeit jedoch zwischen 2 und 5 mg pro Liter. In der Praxis reichen die Sauerstoffreserven in der Umgebung nur für etwa 0,5 bis 2 Minuten aus, um aerobe Produzenten zu versorgen.
Während der Tiefenkultivierung werden die Sauerstoffreserven im Nährmedium durch Belüftung mit Luft wieder aufgefüllt. Die Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff aufgenommen wird, steigt mit der Intensität der Durchmischung des Mediums. Es ist bemerkenswert, dass Mikroorganismen während des Biomassenwachstums im Allgemeinen mehr Sauerstoff verbrauchen als während der Übersynthese von Zielmetaboliten.
Es ist wichtig, kritische Sauerstoffkonzentrationen zu berücksichtigen, die die Zellatmung begrenzen. Für die meisten aeroben Mikroorganismen, die auf zuckerhaltigen Substraten wachsen, liegt diese kritische Konzentration zwischen 0,05 und 0,10 mg/l, was 3–8 % der gesamten Sauerstoffsättigung im Medium entspricht. Interessanterweise können Einschränkungen des Zellwachstums und der physiologischen Aktivität auch bei höheren Sauerstoffkonzentrationen auftreten; beispielsweise wird das Hefewachstum in Glukosemedien eingeschränkt, wenn der partielle Sauerstoffdruck (pO₂) etwa 20–25 % der vollen Sättigung erreicht. Optimale Bedingungen für das Biomassenwachstum werden bei einer Sauerstoffkonzentration von 50–60 % der vollen Sättigung erreicht, während eine Konzentration von 10–20 % als ideal für die Biosynthese von Zielmetaboliten gilt.
Um optimale Ergebnisse in der aeroben Kultivierung zu erzielen, ist es entscheidend, dass das Design des Bioreaktors die Aufrechterhaltung der erforderlichen Sauerstoffkonzentration ermöglicht. In solchen Bioreaktoren spielen mehrere kritische Faktoren eine zentrale Rolle, darunter Temperaturkontrolle, Mischsysteme, Belüftungsmechanismen und pH-Regulierung. Jedes dieser Elemente muss sorgfältig optimiert werden, um ein Umfeld zu schaffen, das das effiziente Wachstum aerober Mikroorganismen und die erfolgreiche Produktion von Zielmetaboliten fördert.
Anaerobe biologische Oxidationsprozesse bei heterotrophen Mikroorganismen können je nach dem finalen Akzeptor von Wasserstoffatomen oder Elektronen in drei Gruppen eingeteilt werden: Atmung (bei der Sauerstoff als Akzeptor dient), Fermentation (bei der organische Materie als Akzeptor fungiert) und anaerobe Atmung (bei der anorganische Stoffe wie Nitrate oder Sulfate beteiligt sind).
Bei obligaten Anaerobiern ist die Fermentation die einzige Möglichkeit der Energiegewinnung. Fakultative Anaerobier nutzen die Fermentation hingegen als essenzielles erstes Stadium des Glukosekatabolismus, dem bei Vorhandensein von Sauerstoff in der Umgebung eine aerobe Oxidation der entstandenen Produkte folgen kann. Eine einzigartige Zwischenkategorie bilden aerotolerante Mikroorganismen, die die für ihre Lebensfunktionen notwendige Energie durch anaerobe Prozesse, insbesondere auf der Ebene der Substratphosphorylierung, gewinnen. Diese Organismen besitzen auch eine Atmungskette, die es ihnen ermöglicht, Sauerstoff aus ihrer Umgebung aufzunehmen und so günstige anaerobe Bedingungen zu schaffen. Dieses Phänomen wird als „Respiratorischer Schutzeffekt“ bezeichnet.
Beispiele für obligat anaerobe Prozesse sind die Buttersäure- und Methanfermentation. Ein gemeinsamer Weg bei fast allen Mikroorganismen – mit wenigen Ausnahmen – ist der Katabolismus von Glukose durch Glykolyse, der zur Bildung von Pyruvat führt:
Glukose + 2 ATP + 2 NAD → 2 Pyruvat + 4 ATP + 2 NADH + 2 H⁺
Bei der alkoholischen Fermentation decarboxylieren Hefen Pyruvat zu Acetaldehyd, der anschließend zu Ethanol reduziert wird. Im Gegensatz dazu wandeln Milchsäurebakterien, die an homolaktischer Fermentation beteiligt sind, Pyruvat in Milchsäure um. Heterofermentative Milchsäurebakterien nutzen einen leicht unterschiedlichen Weg – den Pentosephosphatweg – um Glukose zu fermentieren, wobei nicht nur Milchsäure, sondern auch Essigsäure, Ethanol und Kohlendioxid entstehen.
Anaerobe Bedingungen in Produktionsumgebungen werden durch das Abdichten von Geräten und das Spülen des Mediums mit inerten Gasen, einschließlich gasförmiger Nebenprodukte, die während der Fermentation entstehen, erreicht. Das Fehlen einer Anforderung zur Belüftung des Mediums vereinfacht das Design von Bioreaktoren bei der anaeroben Fermentation und verbessert die Prozesskontrolle.
