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Fermentation: Grundlagen, Verfahrensweisen und Gassteuerung

Fermentation? Dazu fällt wohl den meisten Gärung und Alkohol ein – vielleicht noch das Haltbarmachen von Lebensmitteln. Tatsächlich nutzen Menschen schon seit Jahrtausenden Fermentationsprozesse, um Brot, Käse, Joghurt und alkoholische Getränke herzustellen. Heute wenden viele Branchen Fermentationsprozesse in Forschung und Produktion an. Dazu gehört neben den Unternehmen der Nahrungs- und Genussmittelproduktion auch die pharmazeutische Industrie.
Im Folgenden erfahren Sie mehr über Fermentation und die Gassteuerung im Fermentationsprozess.

Woher kommt der Begriff „Fermentation“ und was bedeutet er?

Der Begriff Fermentation kommt aus dem Lateinischen und ist eng verwandt mit „Fermentum“, der lateinischen Bezeichnung für Sauerteig. Von Fermentierung spricht man in der Biotechnologie, wenn organische Stoffe mithilfe von Bakterien, Pilz- oder Zellkulturen sowie durch den Zusatz von Enzymen (Fermenten) umgewandelt werden. Dabei entstehen Gase, Alkohol und Säuren. Mit letzteren können Lebensmittel länger haltbar gemacht werden. Es gibt verschiedene Arten der Fermentation. Der grundsätzliche Unterschied besteht darin, ob sie anaerob (ohne Sauerstoff) oder aerob (mit Sauerstoff) ablaufen.

Sind Fermentation und Gärung das Gleiche?

Fermentation und Gärung – ist das nicht das Gleiche? Häufig werden diese Begriffe synonym verwendet. Das ist nicht ganz richtig, denn von Gärung spricht man nur bei anaeroben Prozessen. Die Fermentation schließt dagegen sowohl aerobe als auch anaerobe Prozesse ein. Das heißt, die Gärung ist eine Art der Fermentation, die ohne Sauerstoff abläuft.

Die sechs Phasen der Fermentation

Der Fermentationsprozess lässt sich in sechs Phasen aufteilen. Für ein optimales Ergebnis sollte der Prozess vor dem Eintritt in die stationäre Phase gestoppt werden.

  1. Die Fermentation beginnt mit der Animpfung des Wachstumsmediums mit dem gewünschten Mikroorganismus.
  2. In der Verzögerungsphase oder Inkubationsphase passen sich die Mikroorganismen an die neue Umgebung an. Das Zellwachstum verläuft noch langsam.
  3. Danach beginnt die exponentielle Phase mit einem stetigen Anstieg der Wachstumsrate.
  4. Während der Verlangsamungsphase reduziert sich die Wachstumsrate aufgrund der sinkenden Nährstoffkonzentration.
  5. Darauf folgt die stationäre Phase, in der die Biomasse konstant bleibt.
  6. Und schließlich beginnt die Absterbephase der Mikroorganismen.

Anwendungsbereiche der Fermentation

  • Herstellung von Arzneimitteln (z. B. Insulin, Impfstoffe, Antibiotika)
  • Nahrungs- und Genussmittel (Brot, Joghurt und alkoholische Gärung, z. B. bei Bier und Wein)
  • Biotreibstoffe
  • Chemikalien (z. B. Waschmittel)
  • Aminosäuren (z. B. Glutamat)
  • Biologische Abwasserreinigung
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Der Unterschied zwischen einem Bioreaktor und einem Fermenter

Für einen kontrollierten Fermentationsprozess wird ein geeignetes Behältnis benötigt. Dieses nennt man Bioreaktor oder Fermenter. Sie sollen sicherstellen, dass die Fermentation kontrolliert und unter optimalen Bedingungen abläuft.

                                                    Bakterien, Hefen, Pilze                                         Zellkulturen

Grafische Darstellung Petrischale mit Bakterien, Hefen, Pilze und Petrischalte mit Zellkulturen

Wo werden Bioreaktoren und Fermenter eingesetzt?

Bioreaktoren werden vor allem bei der Herstellung von Pharmazeutika verwendet, wie zum Beispiel Medikamenten, Antikörpern oder auch Impfstoffen. Fermenter hingegen werden in der Nahrungsmittelproduktion oder bei der Produktion von Milchsäure oder Ethanol verwendet.

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Der Bioreaktor: Aufbau und Verfahrensweisen

Ein Bioreaktor soll möglichst hohe Produktausbeuten liefern. Dazu bedarf es einer exakten Regelung aller Parameter, um die Fermentation optimal zu unterstützen. Entscheidend sind die Art und Konzentration der Nährstoffe, die Temperatur sowie der Sauerstoffgehalt und der pH-Wert. Reproduzierbare Prozesse sind dabei eine wesentliche Voraussetzung für eine gleichbleibend hohe Produktqualität.

Gassteuerung
Im Fermentationsprozess kommen vier Gase zum Einsatz: Sauerstoff O₂, Stickstoff N₂, Kohlendioxid CO₂ und Luft.
Verschiedenste Eingänge, z.B. für Nährlösungen oder um das Fermentationsgut anzuimpfen.
Rührwerk, um für eine homogene Verteilung im gesamten Reaktorraum zu sorgen."

Batch-, Fed-Batch- und kontinuierliche Fermentation: Vor- und Nachteile

In Bioreaktoren und Fermentern kommen drei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz: das Batch-, das Fed-Batch- oder das kontinuierliche Verfahren. In größeren Produktionsanlagen ist der kontinuierliche Betrieb aus wirtschaftlichen Gründen sinnvoll. In der Forschung oder bei kleineren Anlagen kommen eher Batch-Fermentationen zum Einsatz. Erfahren Sie hier mehr über die Vor- und Nachteile dieser Verfahrensweisen.

Das Batch-Verfahren

Der Bioreaktor wird vor Beginn des Fermentationsprozesses komplett gefüllt und nach dessen Beendigung komplett geleert. Zwischenzeitlich wird nichts hinzugefügt oder entnommen. Das Bierbrauen findet beispielsweise nach diesem Verfahren statt.

Vorteile

+ Flexibel einsetzbar
+ Geringe Investitionskosten
+ Kurze Kultivierungszeiten sorgen für geringe Infektionsgefahr    
+ Mutationseinfluss von Zellen wirkt sich kaum aus

Nachteile

- Füllen, sterilisieren, ernten und säubern sind nichtproduktive Totzeiten
- Hoher Materialverschleiß
- Für jeden Ansatz braucht man Inokulum
- Produktqualität schwankt

Grafische Darstellung eines Fermenters

Das Fed-Batch-Verfahren

Dem Bioreaktor werden während dem Fermentationsprozess Substrate hinzugefügt. Dieses Verfahren kommt zum Einsatz, wenn das kontinuierliche Verfahren nicht wirtschaftlich ist und das Batch-Verfahren, beispielsweise wegen geringer Substratkonzentration, nicht produktiv genug ist.

Vorteile

+ Große Flexibilität
+ Hohe Umsatzraten durch definierte Kultivierungszeit
+ Optimale Führungsbedingungen
+ Quasistationäre Betriebsweise

Nachteile

- Aufwendige Prozesssteuerung
- Hohe Materialbelastung
- Unproduktive Totzeiten

Grafische Darstellung Fed-Batch-Verfahren

Das kontinuierliche Verfahren

Dem Bioreaktor werden im laufenden Fermentationsprozess ständig Substrate zugefügt und das Endprodukt kontinuierlich entnommen. Das kontinuierliche Verfahren kommt beispielsweise bei der Herstellung von Sauerteig oder der Abwasserreinigung zum Einsatz.

Vorteile

+ Automatisierte, sehr wirtschaftliche Prozesse
+ Gleichbleibende Qualität
+ Geringe Personalkosten    
+ Geringe Infektionsgefahr   

Nachteile

- Geringe Fertigungsflexibilität
- Gleichbleibende Rohstoffqualität notwendig
- Hohe Investitionskosten für Automatisierung und sterile Führung
- Höhere Mutationsgefahr
- Erhöhte Kontaminationsgefahr kann zu Produktverlust führen

Grafische Darstellung kontinuierliche Verfahren

Die Gaszufuhr im Bioreaktor

Um den Fermentationsprozess exakt zu steuern, können – je nach Bedarf – vier Fermentergase in den Bioreaktor eingeleitet werden: Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Luft. Man muss diese Gase präzise steuern, um die erwünschten Prozesse zu erreichen.

  • Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) fördern den Wachstumsprozess
  • Reiner Stickstoff (N2) steuert die Geschwindigkeit des Wachstums, z. B. vor der Ernte
  • Luft dient als Universalgas, wenn keine spezielle Gaszufuhr notwendig ist. Es enthält 21 % Sauerstoff und 79 % Stickstoff.
Übersicht über Gase in der Fermentation

Eine präzise Gassteuerung in der Fermentation ist essenziell um einen optimalen Wachstumsprozess sicherzustellen. Lesen Sie hier, wie Gase exakt in Ihrem Bioreaktor gesteuert werden können.

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Massendurchflussmesser und -regler für die Fermentation

Massendurchflussregler (MFC) von Bürkert für reproduzierbare Prozesse bei der Fermentation. Denn mithilfe unserer MFC können Sie Gase präzise steuern – automatisiert und wiederholgenau. Die Geräte sind konform zu USP Class VI, FDA und können mit 3.1 Zeugnis geliefert werden.

Abbildung der MFC Typen 8741 und 8745.

MFC/MFM Typen 8741 und 8745

Erfahren Sie mehr über die Gasregelung bei der Fermentation mit unseren Massendurchflussmessern.

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Typ 8741

Massendurchflussregler (MFC)/ Massendurchflussmesser (MFM) für Gase

Typ 8741
  • Nenndurchflussbereiche von 0,010 l/min bis 160 l/min
  • Hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit
  • Sehr schnelle Reaktionszeiten
  • Erleichterter Geräteaustausch durch Konfigurationsspeicher
  • Optional: USP Class VI-, FDA-, EG 1935- Konformität

Typ 8742

Massendurchflussregler (MFC)/ Massendurchflussmesser (MFM) für Gase

Typ 8742
  • Nenndurchflussbereiche von 0,010 l/min bis 160 l/min
  • Sehr hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit bei sehr schnellen Reaktionszeiten
  • Langzeit Stabilität der Durchflusskalibrierung
  • Erleichterter Geräteaustausch durch Konfigurationsspeicher
  • Optional: ATEX II Kat. 3G/D oder USP Class VI-, FDA-, EG 1935- Konformität

Typ 8745

Massendurchflussregler (MFC)/ Massendurchflussmesser (MFM) für Gase

Typ 8745
  • Nenndurchflussbereiche von 20 l/min bis zu 2500 l/min
  • Hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit
  • Kommunikation über Normsignale oder Industrial Ethernet
  • Elektromagnetischer und elektromotorischer Ventilantrieb verfügbar
  • Erleichterter Geräteaustausch durch Konfigurationsspeicher

Typ 8746

Massendurchflussregler (MFC)/Massendurchflussmesser (MFM) für Gase

Typ 8746
  • Nenndurchflussbereiche von 20 l/min bis zu 2500 l/min
  • Hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit bei sehr schnellen Reaktionszeiten
  • Langzeit Stabilität der Durchflusskalibrierung
  • Erleichterter Geräteaustausch durch Konfigurationsspeicher
  • Optional: ATEX II Kat. 3G/D oder USP Class VI, FDA, EG 1935 Konformität

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