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Fermentation
Die Fermentation wird in der Biotechnologie als Umwandlung organischer Materie außerhalb lebendiger Organismen bewusst angewendet. Dies geschieht entweder durch …
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Begriff und biologische Grundlage
Fermentation oder Fermentierung bezeichnet die mikrobielle oder enzymatische Umwandlung organischer Stoffe in Säuren, Gase oder Alkohol. In der Biotechnologie wird dieser Vorgang gezielt außerhalb lebender Organismen eingesetzt. Dazu gibt man Bakterien, Pilze oder andere Zellkulturen beziehungsweise Enzyme hinzu. Bei einer Spontangärung stammen die Mikroorganismen bereits vom Ausgangsstoff. Industriell verwendet man meist Reinzuchtzellkulturen, damit der Prozess steuerbar bleibt und möglichst wenige unerwünschte Nebenprodukte entstehen.
Heute umfasst der Begriff in der Biotechnologie jede mikrobielle Umwandlung organischer Stoffe in Bioreaktoren, unabhängig davon, ob Sauerstoff vorhanden ist. Eine anaerobe Gärung läuft ohne Sauerstoff ab und dient dem biotischen Energiestoffwechsel. Aerobe Vorgänge, etwa die Essigsäuregärung, werden auch als oxidative Gärung bezeichnet. Außerdem zählen mikrobielle oder autolytische enzymatische Veränderungen von Rohstoffen dazu, beispielsweise bei Tabak, Kakao oder Matjes. In der Biochemie und Metabolomik meint „Fermentation“ dagegen weiterhin nur einen anaeroben Prozess; für aerobe Vorgänge wird in der Biotechnologie teilweise „Kultivierung“ verwendet. Fermentationen in Flüssigkeiten oder Dispersionen heißen Submersfermentation. Die Reaktoren werden Fermenter genannt; die Enzymologie erforscht die dabei beteiligten Enzyme.
Lebensmittel und Genussmittel
Fermentation dient der Herstellung und Haltbarmachung vieler Lebensmittel. Dabei entstehen Aromastoffe, pflanzliche Abwehrstoffe wie Gerbstoffe werden abgebaut und Rohstoffe werden chemisch verändert. Beispiele sind Sauerkraut, Kimchi, Miso, Nattō, Tempeh, Ontjom, Sojasauce, Käse, Joghurt, Rohwurst sowie Bier, Wein und Whisky.
Sauermilchprodukte wie Sauermilch, Joghurt, Kefir und Buttermilch entstehen durch Milchsäuregärung. Heute impfen Molkereien pasteurisierte Milch mit Starterkulturen von Milchsäurebakterien. Auch lactofermentiertes Gemüse, Sauerteig und Silagen beruhen auf Milchsäuregärung. Bei Rohmilch können unterschiedliche Bakterienstämme verschiedene Aromen hervorbringen; Rohmilchprodukte Schweizer Milchbauern unterliegen deshalb besonderen Vorschriften.
Beim Pu-Erh-Tee verändern Mikroorganismen wie Penicillium, Aspergillus und Streptomyces die Teeblätter. Gerb- und Bitterstoffe werden in mildere Polyphenole umgewandelt. Schwarzer Tee ist dagegen kein fermentierter Tee: Seine Polyphenole oxidieren durch Sauerstoff, nachdem die Blätter beim Rollen teilweise zerstört wurden. Dieser Vorgang dauert etwa drei Stunden. Oolong-Tee wird nur kurz, grüner Tee nicht oxidiert.
Rohtabak wird fermentiert, um Nikotin zu vermindern und Proteine abzubauen, die sonst das sortentypische Aroma überdecken würden. Eine Tabakcharge umfasst mindestens 1000 Kilogramm; die ideale Temperatur liegt zwischen 50 °C und 60 °C. Die natürliche Fermentation kann mehrere Monate dauern. Auch Fisch wird fermentiert, etwa bei Funazushi, kæst skata, Hákarl, Surströmming und Pla Raa. Marihuana wird meist fermentiert, um Geschmack und Rauchverträglichkeit zu verbessern sowie den THC-Anteil zu erhöhen.
Technische Nutzung und Biogas
Das wichtigste industrielle Einsatzgebiet ist die technische Biotechnologie. Durch Fermentation entstehen unter anderem Bioethanol, Aminosäuren, organische Säuren wie Milch-, Zitronen- und Essigsäure, Enzyme wie Phytase, Antibiotika, pharmazeutische Produkte sowie Biomonomere und Biopolymere wie Polyhydroxyalkanoate und Polyhydroxybuttersäure (PHB). Bioethanol wird auch als Biokraftstoff genutzt und gehört neben Bier, Hefeproduktion und Biogas zu den Hauptprodukten der Fermentationsindustrie.
Als Ausgangsstoffe dienen vor allem Stärke und Saccharose. In Brasilien wird Bioethanol vor allem aus Zuckerrohr, in den USA aus Mais hergestellt. In Deutschland stammen knapp zwei Drittel des Bioethanols aus stärkehaltigen Pflanzen, insbesondere Weizen. Häufig können sowohl Stärke als auch Saccharose, Dicksaft und Melasse verwendet werden. Cellulose, ein Zuckerpolymer und Hauptbestandteil von Holz, wird als mögliches Substrat für Cellulose-Ethanol und Bioraffinerien diskutiert.
Biogas entsteht bei der anaeroben Vergärung von Biomasse. Bakterien erzeugen ein Gasgemisch mit Methan (CH₄) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Hauptbestandteilen sowie Spuren von Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Schwefelwasserstoff (H₂S), Wasserstoff (H₂) und Ammoniak (NH₃). Das Methan ist besonders wichtig, weil seine Verbrennung die meiste Energie freisetzt. Auch Deponiegas und Klärgas entstehen durch anaerobe Zersetzung und werden teilweise als Faulgas oder Biogas bezeichnet.
Bioreaktoren und Prozesssteuerung
Bioreaktoren oder Fermenter sind Behälter, in denen Mikroorganismen oder Zellkulturen unter kontrollierten Bedingungen wachsen und gewünschte Stoffe bilden. Geregelt werden können unter anderem pH-Wert, Temperatur, Sauerstoff- und Stickstoffzufuhr, Glucosegehalt sowie die Einstellung der Rührer. Dadurch lassen sich Produkte in optimalen Bedingungen oder höheren Konzentrationen herstellen. In solchen Anlagen entstehen beispielsweise Insulin, Hyaluronsäure, Streptokinase und Antibiotika wie Penicillin. Je nach Ansprüchen der Organismen gibt es verschiedene Reaktortypen: Rührkesselreaktoren, Schlaufenreaktoren, Airliftreaktoren und Photobioreaktoren für Algen und Pflanzen.
