Bei der industriellen Fermentation handelt es sich um einen Prozess, bei dem Mikroorganismen eingesetzt werden, um verschiedene Produkte in großem Maßstab herzustellen. Dieses Verfahren wird seit Jahrhunderten zur Herstellung von alkoholischen Getränken, Brot und Milchprodukten eingesetzt.
Mit den Fortschritten in Technologie und Wissenschaft hat sich die industrielle Fermentation weiterentwickelt, um eine breite Palette von Produkten herzustellen, darunter Lebensmittel- und Getränkezusätze, Arzneimittel und Biokraftstoffe.
Der Prozess der industriellen Fermentation beruht auf der Fähigkeit von Mikroorganismen, komplexe organische Materialien in einfachere Verbindungen zu zerlegen. Diese Verbindungen können dann als Rohstoffe zur Herstellung verschiedener Produkte verwendet werden.
Die industrielle Fermentation findet typischerweise in großen Fermentern oder Bioreaktoren statt, die eine kontrollierte Umgebung für das Wachstum von Mikroorganismen bieten.
Inhaltsverzeichnis
1. Die Wissenschaft hinter der industriellen Fermentation
Die Wissenschaft hinter der industriellen Fermentation basiert auf einem tiefen Verständnis der beteiligten biologischen Prozesse.
Der erste Schritt bei der industriellen Fermentation ist die Auswahl der geeigneten Mikroorganismen. Bei den bei der industriellen Fermentation verwendeten Mikroorganismen handelt es sich typischerweise um Bakterien, Hefen oder Pilze, und sie werden aufgrund ihrer Fähigkeit, das gewünschte Produkt herzustellen, ausgewählt.
Die Mikroorganismen müssen außerdem in der kontrollierten Umgebung eines Bioreaktors oder Fermenters schnell wachsen und sich vermehren können.
Sobald die geeigneten Mikroorganismen ausgewählt wurden, besteht der nächste Schritt darin, sie mit den notwendigen Nährstoffen zu versorgen, um ihr Wachstum und ihren Stoffwechsel zu unterstützen. Zu diesen Nährstoffen gehören Quellen für Kohlenstoff, Stickstoff und andere essentielle Mineralien.
Auch das Wachstumsmedium muss sorgfältig kontrolliert werden, um optimale Bedingungen für das Wachstum der Mikroorganismen aufrechtzuerhalten.
Während die Mikroorganismen wachsen und sich vermehren, produzieren sie verschiedene Metaboliten wie organische Säuren, Alkohole und Enzyme. Diese Metaboliten sind der Schlüssel zur Produktion des gewünschten Produkts. Die spezifischen Stoffwechselwege, die an der Herstellung des Produkts beteiligt sind, variieren je nach Mikroorganismus und produziertem Produkt.
Einer der kritischsten Faktoren bei der industriellen Fermentation ist die Kontrolle des Fermentationsprozesses. Um ein optimales Wachstum und einen optimalen Stoffwechsel der Mikroorganismen zu gewährleisten, müssen die Bedingungen im Fermenter oder Bioreaktor sorgfältig überwacht und kontrolliert werden. Dabei geht es um die Steuerung von Faktoren wie Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffkonzentration.
Die Wissenschaft hinter der industriellen Fermentation erfordert auch ein tiefes Verständnis der Genetik von Mikroorganismen. Mithilfe gentechnischer Techniken kann die genetische Ausstattung von Mikroorganismen verändert werden, um ihre Fähigkeit zur Herstellung bestimmter Produkte zu verbessern.
Diese Technologie hat die industrielle Fermentation revolutioniert und die Herstellung einer breiten Palette hochwertiger Produkte ermöglicht, die zuvor nur schwer oder gar nicht herzustellen waren.
2. Verschiedene Arten von Mikroorganismen, die bei der industriellen Fermentation verwendet werden
Mikroorganismen spielen im Prozess der industriellen Fermentation eine entscheidende Rolle, indem sie komplexe organische Materialien in einfachere Verbindungen zerlegen, die zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten verwendet werden können. Die Art des bei der industriellen Fermentation verwendeten Mikroorganismus hängt vom hergestellten Produkt ab.
2.1. Bakterien
Bakterien werden häufig bei der Herstellung von Lebensmittel- und Getränkezusatzstoffen wie Milchsäure, Zitronensäure und Enzymen verwendet. Diese Mikroorganismen werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, das gewünschte Produkt effizient herzustellen. Zu den bei der industriellen Fermentation am häufigsten verwendeten Bakterien gehören Lactobacillus, Streptococcus und Bacillus.
Bakterien sind einzellige Organismen, die in zwei Gruppen eingeteilt werden können: Archaeen und Eubakterien. Eubakterien sind die Gruppe, die in der Industrie am häufigsten eingesetzt wird.
Eubakterien können weiter in 12 Untergruppen unterteilt werden, aber nur zwei dieser Untergruppen sind für die Industrie wichtig: Proteobakterien und grampositive Eubakterien.
Proteobakterien sind eine große Gruppe gramnegativer Bakterien, zu der sowohl photosynthetische als auch nichtphotosynthetische Bakterien gehören. Einige Beispiele für Proteobakterien, die in der Industrie verwendet werden, sind E. coli, Pseudomonas und Streptomyces.
Grampositive Eubakterien können in zwei große Untergruppen unterteilt werden. Die erste Unterteilung umfasst Bakterien, deren DNA einen niedrigen Gehalt an Guanin- (G) und Cytosin-Basenpaaren (C) aufweist. Beispiele für Bakterien in dieser Untergruppe sind Bacillus, Staphylococcus und Lactobacillus.
Die zweite Untergruppe umfasst Bakterien, deren DNA einen hohen Gehalt an Guanin- (G) und Cytosin- (C) Basenpaaren aufweist. Beispiele für Bakterien in dieser Untergruppe sind Actinomyceten und Mycobacterium.
Der Hauptunterschied zwischen gramnegativen und grampositiven Bakterien besteht in der Zusammensetzung ihrer Zellhüllen. Gramnegative Bakterien haben eine relativ dünne Zellwand, die von einer Außenmembran umgeben ist. Grampositive Bakterien haben eine dickere Zellwand, die nicht von einer Außenmembran umgeben ist.
2.2. Hefe
Hefe ist eine weitere Art von Mikroorganismen, die häufig bei der industriellen Fermentation verwendet wird. Hefe wird bei der Herstellung alkoholischer Getränke wie Bier und Wein verwendet. Es wird auch bei der Herstellung von Brot und anderen Backwaren verwendet. Saccharomyces cerevisiae ist die am häufigsten in der industriellen Fermentation verwendete Hefe.
2.3. Pilze
Pilze sind eukaryotische Mikroorganismen, die in fadenförmige Hyphen (Schimmelpilze) und einzellige Pilze (Hefen) unterteilt werden können. Fadenpilze sind Chemoheterotrophe und nicht photosynthetisch. Sie scheiden eine Vielzahl hydrolytischer Enzyme aus, die verschiedene Polymere in kleinere Moleküle abbauen können, die leicht absorbiert und verstoffwechselt werden können.
Hefen sind einzellige Pilze, die heterotroph sind und am besten in Gegenwart und Abwesenheit von O2 wachsen können. Sie sind ernährungsphysiologisch nicht anspruchsvoll und können sich in relativ einfacher mittlerer Zusammensetzung vermehren.
Sowohl Fadenpilze als auch Hefen werden in industriellen Bioprozessen für verschiedene Zwecke eingesetzt, wie zum Beispiel:
- Produktion von Enzymen, Antibiotika, Vitaminen und anderen Metaboliten
- Fermentierung von Lebensmitteln und Getränken
- Biologischer Abbau von Schadstoffen
Um für den industriellen Einsatz geeignet zu sein, muss ein Mikrobenstamm bestimmte Kriterien erfüllen, wie zum Beispiel:
- Fähigkeit, schnell auf kostengünstigen organischen Substraten zu wachsen
- Fähigkeit, die gewünschten Transformationen mit hoher Effizienz und minimalem Energieverbrauch durchzuführen
- Genetische Stabilität
- Herstellung von Produkten, die sich leicht extrahieren und trennen lassen
- Nichtpathogenität
Wildtyp-Stämme erfüllen häufig nicht alle dieser Kriterien und müssen daher möglicherweise genetisch verändert werden, bevor sie in industriellen Bioprozessen eingesetzt werden können.
Beispiele für genetische Veränderungen, die zur Verbesserung mikrobieller Stämme für den industriellen Einsatz vorgenommen werden können:
- Überexpression von Genen, die Enzyme kodieren, die am gewünschten Signalweg beteiligt sind
- Störung von Genen, die Enzyme kodieren, die an konkurrierenden Signalwegen beteiligt sind
- Einführung von Genen anderer Organismen, um neue Fähigkeiten zu verleihen
Durch genetische Modifikation wurden Mikrobenstämme geschaffen, die eine Vielzahl wertvoller Produkte produzieren können, darunter Aminosäuren (z. B. L-Valin, L-Threonin, L-Lysin und L-Arginin), Grundchemikalien (z. B. 1,4- Butandiol, 1,4-Diaminobutan, 1,5-Diaminopentan, 1,3-Propandiol, Butanol, Isobutanol und Bernsteinsäure) und Arzneimittel (z. B. Artemisinin).
2.4. Algen
Algen sind eine relativ neue Ergänzung der Liste der Mikroorganismen, die in der industriellen Fermentation eingesetzt werden. Sie werden bei der Herstellung von Biokraftstoffen verwendet, darunter Biodiesel und Bioethanol. Zu den am häufigsten in der industriellen Fermentation verwendeten Algen gehören Chlorella und Spirulina.
2.5. Actinomyceten
Actinomyceten sind eine Bakterienart, die häufig bei der Herstellung von Antibiotika eingesetzt wird. Diese Mikroorganismen werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, die gewünschte antibiotische Verbindung zu produzieren. Streptomyces ist der am häufigsten in der industriellen Fermentation verwendete Actinomycet.
2.6. Protozoen
Protozoen sind eine Art einzelliger Organismus, der zur Produktion von Enzymen und anderen Bioprodukten verwendet wird. Diese Mikroorganismen werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, das gewünschte Produkt effizient herzustellen. Trichomonas und Entamoeba gehören zu den am häufigsten in der industriellen Fermentation verwendeten Protozoen.
3. Durch industrielle Fermentation hergestellte Produkte
Die industrielle Fermentation ist ein vielseitiger Prozess, der zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten eingesetzt werden kann, darunter Lebensmittel- und Getränkezusatzstoffe, Pharmazeutika, Biokraftstoffe und Industriechemikalien.
3.1. Alkoholische Getränke
Alkoholische Getränke wie Bier, Wein und Spirituosen gehören zu den am häufigsten mittels industrieller Fermentation hergestellten Produkten. Bei diesem Prozess wird Hefe verwendet, um Zucker in Alkohol umzuwandeln, wodurch eine breite Palette an Geschmacksrichtungen und Aromen entsteht.
3.2. Organische Säuren
Organische Säuren wie Milchsäure, Zitronensäure und Essigsäure werden üblicherweise durch industrielle Fermentation hergestellt. Diese Säuren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Lebensmittel- und Getränkezusätze, Reinigungsmittel und Pharmazeutika.
3.3. Enzyme
Enzyme sind Proteine, die zur Katalyse chemischer Reaktionen eingesetzt werden. Durch industrielle Fermentation wird eine breite Palette von Enzymen hergestellt, darunter Proteasen, Lipasen und Amylasen. Diese Enzyme werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion, in Waschmitteln und Pharmazeutika.
3.4. Antibiotika
Antibiotika sind Medikamente zur Behandlung bakterieller Infektionen. Durch industrielle Fermentation wird eine breite Palette von Antibiotika hergestellt, darunter Penicillin, Erythromycin und Streptomycin. Diese Antibiotika sind bei der Behandlung bakterieller Infektionen von entscheidender Bedeutung und haben unzählige Leben gerettet.
3.5. Biokraftstoffe
Biokraftstoffe wie Ethanol und Biodiesel werden durch industrielle Fermentation hergestellt. Bei diesem Verfahren werden Mikroorganismen wie Hefe und Algen eingesetzt, um organisches Material in Biokraftstoffe umzuwandeln, die zum Antrieb von Fahrzeugen und Maschinen verwendet werden können.
3.6. Industrielle Chemikalien
Industriechemikalien wie Butanol, Propionsäure und Methanol werden durch industrielle Fermentation hergestellt. Diese Chemikalien werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter bei der Herstellung von Kunststoffen, Lösungsmitteln und Arzneimitteln.
4. Die Vorteile der industriellen Fermentation
Bei der industriellen Fermentation handelt es sich um einen Prozess, bei dem Mikroorganismen eingesetzt werden, um organische Materialien in nützliche Produkte umzuwandeln. Dieser Prozess hat eine Reihe von Vorteilen, darunter verbesserte Effizienz, weniger Abfall und erhöhte Nachhaltigkeit.
4.1. Verbesserte Effizienz
Die industrielle Fermentation ist ein hocheffizienter Prozess, der die Produktion großer Produktmengen in relativ kurzer Zeit ermöglicht. Dies liegt daran, dass Mikroorganismen organische Materialien schnell in nützliche Produkte umwandeln können, oft viel schneller als herkömmliche chemische Prozesse.
4.2. Reduzierter Abfall
Die industrielle Fermentation ist im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Verfahren ein relativ abfallarmer Prozess. Dies liegt daran, dass der Prozess organische Materialien als Ausgangsmaterial verwendet, die oft leicht verfügbar und erneuerbar sind. Darüber hinaus können viele Nebenprodukte der industriellen Fermentation recycelt oder einer anderen Verwendung zugeführt werden, wodurch der Abfall weiter reduziert wird.
4.3. Erhöhte Nachhaltigkeit
Die industrielle Fermentation ist ein nachhaltiger Prozess, der die Umwelt wesentlich weniger belastet als herkömmliche chemische Prozesse. Dies liegt daran, dass der Prozess organische Materialien als Ausgangsmaterial verwendet, die häufig erneuerbar und biologisch abbaubar sind. Darüber hinaus verursacht das Verfahren im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Verfahren weniger Treibhausgasemissionen und benötigt weniger Energie.
4.4. Vielseitigkeit
Die industrielle Fermentation ist ein vielseitiger Prozess, der zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten eingesetzt werden kann, darunter Lebensmittel- und Getränkezusatzstoffe, Pharmazeutika, Biokraftstoffe und Industriechemikalien. Diese Vielseitigkeit ermöglicht ein vielfältiges Anwendungsspektrum und macht die industrielle Fermentation zu einem wertvollen Werkzeug in vielen Branchen.
4.5. Kosteneffizient
Insbesondere für die Herstellung hochwertiger Produkte wie Arzneimittel und Enzyme kann die industrielle Fermentation ein kosteneffizienter Prozess sein. Dies liegt daran, dass das Verfahren hocheffizient ist und in relativ kurzer Zeit große Mengen an Produkten herstellen kann, wodurch die Kosten pro Einheit gesenkt werden.
5. Die Herausforderungen der industriellen Fermentation
Die industrielle Fermentation ist ein hocheffizienter und vielseitiger Prozess, der viele Vorteile bietet. Allerdings birgt er, wie jeder Herstellungsprozess, auch eine Reihe von Herausforderungen.
5.1. Mikrobielle Kontamination
Eine der größten Herausforderungen bei der industriellen Fermentation ist das Risiko einer mikrobiellen Kontamination. Eine Kontamination kann auftreten, wenn unerwünschte Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilze in den Fermentationsprozess eindringen und mit den gewünschten Mikroorganismen konkurrieren. Dies kann zu verminderter Effizienz, verminderter Produktqualität und sogar zum völligen Ausfall des Fermentationsprozesses führen.
5.2. Prozesssteuerung
Eine strenge Kontrolle des Fermentationsprozesses ist entscheidend, um eine gleichbleibende Produktqualität und Ausbeute sicherzustellen. Dies kann eine Herausforderung sein, da der Fermentationsprozess stark von Umweltfaktoren wie Temperatur, pH-Wert und Nährstoffverfügbarkeit abhängt. Jede Abweichung von den optimalen Bedingungen kann zu einer verminderten Effizienz oder Produktqualität führen.
5.3. Vergrößern
Die Skalierung des Fermentationsprozesses vom Labormaßstab auf den industriellen Maßstab kann eine große Herausforderung darstellen. Unterschiede in der Ausrüstung, den Umgebungsbedingungen und der Nährstoffverfügbarkeit können zu unerwarteten Veränderungen im Fermentationsprozess führen. Um eine erfolgreiche Skalierung sicherzustellen, sind sorgfältige Planung und Optimierung erforderlich.
5.4. Weiterverarbeitung
Die Produkte der industriellen Fermentation erfordern häufig eine weitere Verarbeitung, wie z. B. Reinigung oder Extraktion, bevor sie verwendet werden können. Dies kann ein komplexer und kostspieliger Prozess sein, insbesondere bei hochwertigen Produkten wie Arzneimitteln.
5.5. Einhaltung gesetzlicher Vorschriften
Die industrielle Fermentation unterliegt einer Reihe von Vorschriften und Normen, insbesondere für Produkte, die für den menschlichen Verzehr bestimmt sind. Die Einhaltung dieser Vorschriften kann komplex und zeitaufwändig sein und umfangreiche Dokumentations- und Qualitätskontrollmaßnahmen erfordern.
Verweise
- Introduction to Conventional Fermentation Processes. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119505822.ch1
- Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products. – https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-7691-0_24
- Industrial fermentation: its contribution to the bioeconomy and renewable chemistry
- Microbial Enzymes with Special Characteristics for Biotechnological Applications
- Industrial Enzymes – Present status and future perspectives for India
