Industrielle Fermentation und Bioprozesstechnik

Die industrielle Fermentation und Bioprozesstechnik skaliert die mikrobielle Kultivierung in technischen Bioreaktoren, um eine breite Palette von Produkten aus kostengünstigen Rohmaterialien herzustellen.

Definition

Industrielle Fermentation und Bioprozesstechnik ist die kontrollierte, großtechnische Kultivierung von Mikroorganismen oder deren Komponenten zur Herstellung von Produkten sowie die Entwicklung der Prozesse, durch die diese Produkte hergestellt und gewonnen werden.

Scope

Dieses Thema behandelt das Design und den Betrieb von Bioreaktoren; die Unterscheidung zwischen primären und sekundären Metaboliten; Batch-, Fed-Batch- und kontinuierliche Prozesse; die Auswahl und Verbesserung von Stämmen; die Kontrolle von Bedingungen wie Belüftung, Temperatur und pH-Wert; sowie die nachgeschaltete Rückgewinnung und Reinigung von Produkten. Es betrachtet die mikrobielle Kultivierung als eine Ingenieurdisziplin, die auf physiologischen Prinzipien aufbaut.

Core questions

• Wie werden Mikroben im industriellen Maßstab kultiviert?
• Was unterscheidet die Produktion primärer von sekundären Metaboliten?
• Wie werden Bioreaktorbedingungen kontrolliert, um die Ausbeute zu maximieren?
• Wie werden Produkte aus einer Fermentation gewonnen?

Key concepts

• Bioreaktordesign und -betrieb
• Primäre versus sekundäre Metaboliten
• Batch-, Fed-Batch- und kontinuierliche Fermentation
• Stammauswahl und -verbesserung
• Downstream-Processing

Mechanisms

In einem Bioreaktor werden Bedingungen wie Nährstoffversorgung, Sauerstoff, Temperatur und pH-Wert kontrolliert, um Wachstum und Produktbildung zu fördern. Primäre Metaboliten akkumulieren während des aktiven Wachstums, während sekundäre Metaboliten, wie viele Antibiotika, typischerweise nach dem Verlangsamen des Wachstums produziert werden. Prozessstrategien, einschließlich der Fed-Batch-Zugabe von Substrat, optimieren die Ausbeute, und die nachgeschaltete Verarbeitung trennt und reinigt das Produkt von der Kultur.

Clinical relevance

Die industrielle Fermentation produziert Antibiotika, Enzyme, organische Säuren, Aminosäuren, Vitamine und rekombinante Proteine im großen Maßstab, und die Prinzipien der Bioprozesstechnik untermauern die Herstellung vieler Pharmazeutika, Lebensmittel und Industriechemikalien.

History

Großtechnische mikrobielle Prozesse entwickelten sich im zwanzigsten Jahrhundert von traditionellen Fermentationsverfahren zu einer wissenschaftsbasierten Industrie, wobei Meilensteine wie die industrielle Aceton-Butanol-Fermentation und die kriegsbedingte Ausweitung der Penicillinproduktion die Methoden der modernen Bioprozesstechnik etablierten.

Key figures

• Louis Pasteur
• Chaim Weizmann

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Was ist ein sekundärer Metabolit?

Ein sekundärer Metabolit ist ein mikrobielles Produkt, das für das Wachstum nicht zwingend erforderlich ist und typischerweise nach dem Verlangsamen des aktiven Wachstums gebildet wird. Viele Antibiotika sind sekundäre Metaboliten, weshalb ihre Produktion bei der Fermentation oft in späteren Kultivierungsphasen ihren Höhepunkt erreicht.