Fermentieren

Als Fermentation werden biochemische Umwandlungsprozesse bezeichnet, bei denen Mikroorganismen oder Enzyme organische Substrate abbauen und dabei Stoffwechselprodukte wie Säuren, Alkohole, Gase oder Aromastoffe bilden. Fermentation wird in der Lebensmittel-, Pharma- und Biotechnologie genutzt, um Produkte zu konservieren, zu veredeln oder um gezielt Wirk- und Aromastoffe zu erzeugen. Typische Fermentationsprozesse sind die Herstellung von Joghurt, Sauerkraut, Bier, Wein, Essig, Enzymen oder pharmazeutischen Wirkstoffen.

Stofflich betrachtet wandeln Mikroorganismen energiereiche Substrate (z. B. Zucker) unter meist anaeroben oder mikroaeroben Bedingungen um. Eine stark vereinfachte Gärungsreaktion (Milchsäuregärung) kann beispielsweise wie folgt dargestellt werden:

C₆H₁₂O₆ → 2 · C₃H₆O₃

Glucose wird zu Milchsäure umgesetzt, wobei Energie in Form von ATP im Mikroorganismus verfügbar wird. Bei der alkoholischen Gärung lautet eine gebräuchliche Summenformel:

C₆H₁₂O₆ → 2 · C₂H₅OH + 2 · CO₂

Hier wird Glucose zu Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt.

Technisch findet die Fermentation meist in Bioreaktoren oder Gärtanks statt. Wichtige Prozessgrößen sind Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffversorgung (belüftet oder un- bzw. wenig belüftet), Rührintensität, Nährstoffzusammensetzung und Dauer. Die Kinetik des Wachstums von Mikroorganismen wird oft mit der folgenden vereinfachten Beziehung beschrieben:

μ = (1/X) · (dX/dt)

• μ: spezifische Wachstumsrate
• X: Biomassekonzentration
• t: Zeit Zeit

Die Produktbildung kann mit ähnlichen Bilanzansätzen betrachtet werden, beispielsweise:

r_P = (dP/dt)

• r_P: Bildungsrate des Produkts
• P: Produktkonzentration

In Mischern und Prozessbehältern ist für Fermentationsprozesse eine homogene Verteilung von Mikroorganismen, Substrat und ggf. zugesetzten Gasen entscheidend. Effektives Rühren sorgt dafür, dass Temperatur und pH-Wert gleichmäßig bleiben, Nährstoffe gut verteilt werden und die Reaktionsbedingungen an allen Punkten des Fermenters möglichst ähnlich sind. Dies unterstützt reproduzierbare Produktqualitäten, ein definiertes Aromaprofil und konstante Ausbeuten.

Die Fermentation kann je nach Prozessziel als Batch-, Fed-Batch- oder kontinuierlicher Prozess geführt werden. Bei der Batch-Fermentation wird eine Charge angesetzt und bis zum gewünschten Umsetzungsgrad geführt. Beim Fed-Batch-Verfahren kann die Substratzufuhr während der Fermentation gezielt gesteuert werden, um unerwünschte Nebenreaktionen (z. B. durch zu hohe Zuckerkonzentrationen) zu vermeiden. Amixon®-Apparate eignen sich vorteilhaft für Fermentationsprozesse. Dies wird im Blogbeitrag „Fermentation im amixon Fermenter Reaktor” erläutert.