Aus technologischer Sicht können Fermentationsprozesse in folgende mikrobiologische Methoden eingeteilt werden: aerobe und anaerobe Kultivierung; Festphasen-, Oberflächen- und Tiefenkultivierung; sowie Batch- und kontinuierliche Kultivierung. Dieser Artikel behandelt die Oberflächen- und Tiefenkultivierung sowie die Batch- und kontinuierliche Kultivierung.
Oberflächenfermentation auf flüssigen Substraten Die Oberflächenfermentation wird in Küvetten durchgeführt, die in belüfteten Kammern platziert sind. Dabei bildet die Kultur der Mikroorganismen eine Biomasse als Film oder feste Schicht auf der Oberfläche eines flüssigen Mediums. Sauerstoff wird direkt aus der Gasphase (Luft) aufgenommen, und der Stofftransport unter diesen Bedingungen ist relativ gering.
Tiefenkultivierung von Mikroorganismen Die Tiefenkultivierung erfolgt im gesamten Volumen eines flüssigen Nährmediums, das ein gelöstes Substrat enthält. Der Fermenter muss das Wachstum und die Entwicklung der Mikroorganismen in der flüssigen Phase unterstützen, indem er Nährstoffe zu den mikrobiellen Zellen transportiert, Stoffwechselnebenprodukte entfernt und die durch die Zellaktivität erzeugte Wärme abführt.
Batch- und kontinuierliche Kultivierung
- Batch-KultivierungBei der Batch-Kultivierung wird das gesamte Volumen des Nährmediums zusammen mit dem Inokulum in den Fermenter eingebracht. Das mikrobielle Wachstum erfolgt unter optimalen Bedingungen für eine bestimmte Dauer, wonach der Prozess gestoppt und der Inhalt des Fermenters zur Produktisolierung geerntet wird. Der mikrobielle Wachstumszyklus besteht aus den folgenden Phasen: Lag-Phase, exponentielle Phase, Verlangsamungsphase, stationäre Phase und Absterbephase.
Die Fed-Batch-Kultivierung ist eine weit verbreitete Variante, bei der frisches Medium periodisch zugegeben wird, ohne Kulturflüssigkeit zu entfernen. Bei der semi-kontinuierlichen Kultivierung wird ein Teil des Kulturvolumens intermittierend entfernt und durch eine äquivalente Menge frischen Mediums ersetzt.
- Kontinuierliche Kultivierung Bei der kontinuierlichen Kultivierung wird kontinuierlich frisches Nährmedium in den Bioreaktor zugeführt, während gleichzeitig Kulturmedium, das mikrobielle Biomasse enthält, entfernt wird. Diese Methode hält die Mikroorganismen in einer stabilen exponentiellen Wachstumsphase und gewährleistet ein Gleichgewicht zwischen der Biomasseproduktion durch Zellteilung und ihrer Entfernung durch Verdünnung mit frischem Medium.
Die am intensivsten untersuchte Methode der kontinuierlichen Fermentation ist die Submersfermentation, die als homogene oder heterogene kontinuierliche Fermentation klassifiziert werden kann:
- Homogene kontinuierliche Fermentation: Wird in einem gut durchmischten Bioreaktor durchgeführt, in dem alle Parameter über die Zeit konstant bleiben.
- Heterogene kontinuierliche Fermentation: Umfasst mehrere in Reihe geschaltete Fermenter, wobei das Nährmedium in die erste Einheit eintritt und die endgültige Kulturflüssigkeit die letzte Einheit verlässt.
Um ein Auswaschen der Mikroorganismen zu verhindern, erfordert die kontinuierliche Kultivierung die Aufrechterhaltung einer stabilen Zellkonzentration. Unter sterilen Bedingungen gewährleistet die kontinuierliche Durchflussfermentation eine lang anhaltende physiologische Aktivität der mikrobiellen Kultur.
Basierend auf der Methode zur Aufrechterhaltung des dynamischen Gleichgewichts folgt die kontinuierliche Kultivierung entweder dem turbidostatischen oder chemotatischen Prinzip:
- Turbidostat: Die Nährstoffflussrate wird reguliert, um eine konstante Biomassekonzentration aufrechtzuerhalten.
- Chemostat: Das mikrobielle Wachstum wird durch einen bestimmten Nährstoff (z. B. Kohlenstoff, Sauerstoff oder essentielle Vitamine) begrenzt, während andere Nährstoffe im Überschuss vorhanden sind. Das Wachstum kann auch durch pH-Regulierung (pH-Stat) oder Sauerstoffverfügbarkeit (Oxystat) gesteuert werden.
Optimierung von Fermentationsprozessen Die Wahl der Fermentationsmethode hängt vom Produktionsziel ab – ob es sich um Biomasse oder Stoffwechselprodukte handelt. Wenn die Biomasseproduktion das Ziel ist, zielt die Fermentation darauf ab, die höchstmögliche Zellkonzentration zu erreichen. Bei der Produktion von Metaboliten erfolgt die Anreicherung der Zielverbindungen über die Zeit, wobei die Spitzenproduktionsphasen für Biomasse und Metaboliten unterschiedlich sind. Folglich variiert die Fermentationsdauer:
- Biomasseproduktion in Batch-Prozessen: ≤24 Stunden
- Biosynthese primärer Metaboliten: 48–72 Stunden
- Biosynthese sekundärer Metaboliten: 72–144 Stunden
Die Kultivierungsbedingungen für verschiedene Mikroorganismen variieren, wobei die Betriebstemperaturen zwischen 25–60 °C liegen, die pH-Werte typischerweise bei etwa 2,9 liegen und der Luftverbrauch in aeroben Prozessen zwischen 0,15 und 2,5 m³ pro m³ Medium pro Minute beträgt.
