Die Auswirkungen gängiger Stämme und Eigenschaften der biologischen Fermentation sowie die Unterschiede zwischen den Stämmen auf die Fermenterkonstruktion

Die biologische Fermentationstechnologie vereint moderne Biotechnologie mit traditionellen Industrieprodukten. Sie nutzt Mikroorganismen als „Fabriken“, deren Stoffwechsel durch die Kontrolle spezifischer Kulturbedingungen die gewünschten Produkte erzeugt. Als Kern des Fermentationsprozesses beeinflussen Art und Eigenschaften der Stämme direkt die Fermentationseffizienz, die Produktarten und die Produktqualität. Dieser Artikel stellt einige gängige Stämme für die biologische Fermentation und ihre wichtigsten Eigenschaften vor.

I. Häufige biologische Fermentationsstämme und ihre wichtigsten Eigenschaften

1. Milchsäurebakterien

1.1 Gängige Typen:

• Lactococcus lactis
• Streptococcus thermophilus
• Lactobacillus plantarum
• Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

1.2 Merkmale und Anwendungsbereiche:

Milchsäurebakterien sind grampositive Bakterien, die Milchsäure als Hauptstoffwechselprodukt produzieren und in der Lebensmittel-, Medizin- und Gesundheitsbranche sowie in anderen Bereichen weit verbreitet sind. Sie stellen in der Regel geringe Ansprüche an ihre Umwelt, können in Umgebungen mit niedrigem pH-Wert und geringem Sauerstoffgehalt wachsen und weisen eine gute Säureresistenz sowie gesundheitsfördernde Eigenschaften auf.

Anwendungsbeispiele:

• Herstellung von Joghurt, Essiggurken, fermentierten Sojaprodukten
• Darmprobiotika
• Industrielle Fermentationsproduktion von Milchsäure

2, Hefe (Hefe)

2.1 Gängige Typen:

• Saccharomyces cerevisiae
• Shepherd's Pie
• Hansenula polymorpha

2.2 Merkmale und Anwendungsbereiche:

Hefe ist einzelliger Pilz mit ausgeprägter Fähigkeit zum Glukosestoffwechsel. Sie kann unter aeroben und hypoxischen Bedingungen Ethanol, Kohlendioxid und verschiedene organische Säuren verstoffwechseln. Hefe findet breite Anwendung in der alkoholischen Gärung, beim Backen, bei der Herstellung von Mononatriumglutamat, in Proteinexpressionssystemen und vielem mehr.

Anwendungsbeispiele:

• Bier-, Wein- und Spirituosenbrauerei
• Bioethanolproduktion
• Rekombinante Proteinexpression (z. B. Impfstoffantigen, Insulin)

MIKEBIO-Fermentationssystem zur Herstellung von Speisepilzen

3, Bacillus subtilis

3.1 Merkmale:

Bacillus subtilis ist ein grampositives, aerobes Bakterium, das Sporen mit hoher Stressresistenz bilden kann. Zu seinen Stoffwechselprodukten gehören Protease, Amylase, verschiedene Antibiotika und Tenside, die in großem Umfang zur Herstellung von industriellen Enzympräparaten, Tierfutterzusätzen und biologischen Schädlingsbekämpfungsmitteln eingesetzt werden.

Vorteilhafte Merkmale:

• Starke Sekretionsfähigkeit, geeignet für die Expression fremder Proteine
• Hohe Stressresistenz, kann unter hohen Salz- und hohen Temperaturbedingungen wachsen.
• Kurzer Fermentationszyklus, hohe Produktionseffizienz

Anwendungsbeispiele:

• Fermentation von Enzympräparaten (z. B. Protease, Amylase)
• Fermentierte Bohnenprodukte (Natto)
• Biologisches Bekämpfungsmittel, Wachstumsförderndes Mittel

4, E. coli (Escherichia coli)

4.1 Funktionen:

Escherichia coli (EScherichia coli) ist ein opportunistischer Krankheitserreger, aber in der Molekularbiologie von großem Wert. Dank seiner klaren Genomstruktur, der einfachen genetischen Manipulation und des kurzen Wachstumszyklus zählt es zu den am häufigsten verwendeten gentechnisch veränderten Bakterien in Labor und Industrie.

Vorteilhafte Merkmale:

• Schnelles Wachstum, kurzer Fermentationszyklus
• Exogenes Genexpressionssystem ausgereift (wie z. B. das pET-System)
• Es kann zur Expression verschiedener rekombinanter Proteine, Enzyme und Impfstoffe verwendet werden.

Anwendungsbeispiele:

• Herstellung von rekombinanten Proteinen (Insulin, Impfstoffe)
• Fermentation von Aminosäuren (z. B. Lysin, Valin).
• Forschungsplattform für synthetische Biologie

5. Streptomyces spp.

5.1 Gängige Typen:

• Streptomyces griseus
• Bacillus-Flechte (Streptomyces coelicolor)

5.2 Funktionen:

Streptomyces ist eine Gruppe grampositiver, fadenförmiger Bakterien, die in der Natur bedeutende Antibiotika produzieren. Ihr großes Genom mit einer Vielzahl sekundärer Stoffwechselwege eignet sich für die Entwicklung von Antibiotika, Immunsuppressiva und Antitumor-Medikamenten.

Anwendungsbeispiele:

• Herstellung von Streptomycin, Oxytetracyclin, Erythromycin und anderen Antibiotika
• Entwicklung von Sekundärmetaboliten wie industriellen Enzymen und natürlichen Pigmenten
• Forschung zur Prüfung neuer Arzneimittel und zur Extraktion von Naturprodukten

6. Actinomyceten

Actinomyces und Streptomyces gehören zur Klasse der Actinomyceten. Einige Stämme weisen eine hohe Fähigkeit zur Wirkstoffproduktion und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umweltbedingungen auf und stellen somit wichtige Ressourcen für die Forschung und Entwicklung von Naturstoffen dar. Manche Actinomyceten werden auch in der industriellen Fermentation eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Mononatriumglutamat, Zitronensäure usw.

7. Pilzstämme

7.1 Gängige Typen:

• Aspergillus niger, Aspergillus oryzae
• Penicillium chrysogenum
• Bodenpilze (Rhizopus spp.)

7.2 Merkmale und Anwendungen:

Pilze spielen eine wichtige Rolle bei der Enzymproduktion, der organischen Säuregärung und der Antibiotikaherstellung. Aspergillus-Stämme können Zitronensäure und Glucoseoxidase in großem Maßstab produzieren, und Penicillium wird in der industriellen Penicillinproduktion eingesetzt.

Anwendungsbeispiele:

• Fermentation von Zitronensäure, Apfelsäure und Milchsäure
• Herstellung von Penicillin- und Cephalosporin-Antibiotika
• Schimmeliger Tofu, Reis-Qu-Wein und andere traditionelle fermentierte Lebensmittel

8. Andere Spezialstämme

8.1 Pseudomonas spp.

Es besitzt einen leistungsstarken Stoffwechselweg, kann eine Vielzahl organischer Schadstoffe abbauen und wird für die Umweltsanierung, Wasseraufbereitung usw. eingesetzt.

8.2 Sphingomonas spp.

Es zeichnet sich durch den effizienten Abbau organischer Schadstoffe und die Produktion von Polysacchariden aus und findet breite Anwendung im Umweltschutz und in der Pharmazie.

8.3 Andere Bacillus-Arten (z. B. Bacillus lipothermophilus)

Hochtemperaturbeständig, geeignet für Hochtemperaturfermentation, Vorbehandlung von Tierfutter und andere Anwendungen.

MIKEBIO-Fermentationssystem zur Herstellung von Probiotika

II. Einfluss verschiedener Stämme auf die Fermenterkonstruktion

1. Die Art der Belastung bestimmt die Kernkonstruktionsparameter

Stammtyp	Wichtige Aspekte der Fermenterkonstruktion	Wichtige Überlegungen
Aerobe Bakterien (E. coli)	Verbesserte Belüftung + effiziente Durchmischung	Die Sauerstoffmassentransferrate ist der Kernpunkt; bedarfsgerechte Schaumkontrolle
Anaerobe Bakterien (z. B. Milchsäurebakterien)	Gute Dichtheit + Gasdruckregelung	Sauerstoff muss isoliert werden; CO₂ und andere gasförmige Stoffwechselprodukte müssen kontrolliert werden.
Mikroaerobe Bakterien (z. B. Acetatbakterien)	Feine Steuerung der Sauerstoffzufuhr	Ein Überangebot oder ein Mangel an Sauerstoff kann den Stoffwechsel hemmen.
Pilze/Hefen	Hohe Viskosität + Scherverformung	Die Flüssigkeit im Tank ist dickflüssig und muss vorsichtig umgerührt werden, um eine Beschädigung des Myzels zu vermeiden.
Fadenbakterien (z. B. Streptomyces)	Scherfeste und antihaftbeschichtete Wand	Leichte Bakterienbildung, schlechter Stoffaustausch, spezielle Laufradkonstruktion bietet Vorteile
Tierische Zellen/Insektenzellen	Sehr vorsichtig umrühren	Leicht beschädigbar, häufig verwendeter Lufthebe- oder Wellenbioreaktor
Pflanzenzelle	Schwierige Suspension + langsames Wachstum	Erfordert spezielle Stützmaterialien und langsames Mischen.

2. Wichtigste Einflussfaktoren

• Bedarf an gelöstem Sauerstoff (DO)

Aerobe Bakterien wie Escherichia coli, Hefen: benötigen ein hohes Belüftungsverhältnis + schnelles Rühren;

Anaerobe Bakterien wie Milchsäurebakterien und anaerobe Bazillen benötigen eine sauerstofffreie Umgebung; daher ist die Dichtheit des Tanks und die CO₂-Emissionsregelung von großer Bedeutung.

• Scherempfindlichkeit

Beispielsweise Pilze, Tierzellen, Pflanzenzellen: können nicht mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer gerührt werden, benötigen einen Rührer mit geringer Scherkraft (Spiralriemen, Luftheber usw.).

• Schaumkontrolle

Bei manchen Bakterien wie Hefen und Aktinomyzeten ist die Schaumbildung gravierend; der Tank muss mit einer Schaumsonde und einem Schaumzerstörungssystem (mechanisch/Zugabe von Entschäumer) ausgestattet werden.

• Viskosität und Rheologie

Fadenförmige Bakterien oder viskose Stoffwechselprodukte (wie Polysaccharide und Kolloide) führen zu einer hohen Viskosität des Systems, weshalb eine Verstärkung der Ruderstruktur und eine angemessene Wärmeübertragungskonstruktion erforderlich sind.

3. Beispiele für Gärbehälter Designvariablen

Artikel	Einfluss verschiedener Belastungen auf die Konstruktion
Beatmungsmodus	Oberflächenbelüftung/Tiefenbelüftung/Mikroblasenbelüftung/Druckbelüftung (müssen dem Sauerstoffbedarf des jeweiligen Stammes entsprechen)
Rührflügelstruktur	Rushton-Paddel (Hochschnitt)/Bandpaddel/Rahmenpaddel (Niedrigschnitt)
Temperaturregelungssystem	Bakterien mit hohem Stoffwechsel benötigen einen effizienten Kühlmantel; temperaturempfindliche Bakterien benötigen eine konstante Temperaturgenauigkeit von ±0,1℃.
pH-Regelsystem	Einige säurebildende Bakterien (wie z. B. Milchsäurebakterien) benötigen ein starkes pH-Puffersystem; ein Anschluss zur Zugabe von Lauge muss konfiguriert werden.
Automatische Überwachung	Anordnungen von Sensoren für gelösten Sauerstoff (DO), pH-Wert, Temperatur, Schaumbildung und Druck legen Schwellenwerte basierend auf dem Dehnungsverhalten fest.

MIKEBIO-Produktionsfermentationssystem für Aloxulose

Abschluss:

Die Auswahl des geeigneten Bakterienstamms ist einer der Schlüssel zum Erfolg in der Fermentationstechnik. Unterschiedliche Stämme eignen sich für verschiedene Produktziele und Prozessparameter. Dank der Fortschritte in der Gentechnik und der synthetischen Biologie werden Mikroorganismenstämme kontinuierlich modifiziert und optimiert, um höhere Ausbeuten, weniger Nebenprodukte und stabilere Produktionsprozesse zu erzielen.

Zukünftig wird die Technologie der biologischen Fermentation in den Bereichen umweltfreundliche Produktion, Lebensmittelsicherheit, Medizin und Gesundheit weit verbreitet sein und zur treibenden Kraft beim Aufbau von „abfallfreien Fabriken“ und einer „Bioökonomie“ werden.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.

Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.