Bioprocessing Part 1: Fermentation

Summary

Die Fermentation ist ein grundlegender Prozess in der Biotechnologie, der zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten wie Joghurt, Brot und alkoholischen Getränken eingesetzt wird. Zellkulturen, wie Bakterien und Hefen, werden in kontrollierten Umgebungen genutzt, um chemische Stoffe zu produzieren, die natürlich vorkommen oder durch genetischen Eingriff erzeugt werden. Der Prozess beginnt mit der Zellauswahl und wächst schrittweise in größeren Bioreaktoren, wo die Zellen unter strengen Bedingungen wachsen und das Produkt herstellen. Ein Beispiel ist die Produktion von grünem fluoreszierendem Protein (GFP), das als biologischer Marker verwendet wird. Die Fermentation ist ein einfacher, aber effizienter Weg, um biologische Produkte kosteneffizient herzustellen.

Takeaways

• 🍶 Fermentation ist ein Prozess, der täglich unzählige Male eingesetzt wird, um eine Vielzahl von Milchprodukten, Backwaren und Getränken herzustellen.
• 🌱 Fermentation kann als ein kontrollierter Verfall von Lebensmitteln betrachtet werden, bei dem Milch zu Joghurt, Brot aufgehen und Getreide zerlegen wird, um alkoholische Getränke und alternative Brennstoffe zu erzeugen.
• 🏭 Zellen, die Bakterien, Pilze oder spezifische Zellen aus Säugetieren, Pflanzen oder Insekten sein können, werden in der Biotechnologie als Mikrofabriken genutzt, um Produkte durch Fermentation herzustellen.
• 🧬 Für Produkte wie Joghurt, Buttermilch und Käse verwenden wir Bakterien, für Brot und alkoholische Getränke Hefen, eine Pilzart, und für die Produktion einiger Impfstoffe werden Säugetierzellen verwendet, die mit einem bestimmten Virus infiziert sind.
• 🔬 Die Produkte, die durch Fermentation hergestellt werden, sind oft chemische Stoffe, die die Zellen natürlich enthalten, Substanzen, die die Zellen durch genetischen Eingriff erzeugen, oder auch metabolische Abfallprodukte des Wachstums der Organismen.
• 📈 Die Fermentation ist ein einfacher Prozess, bei dem eine Zelle aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt wird, ein gewünschtes Produkt herzustellen, und dann in Medien gewachsen wird, die die notwendigen Nährstoffe bieten.
• 🔄 Der Wachstumsmusterzyklus von Zellen folgt in der Regel vier Phasen: Lag, exponentielles Wachstum (Log), stationäre Phase und Tod.
• 🔬 Die Umwelt im Bioreaktor muss sorgfältig überwacht und kontrolliert werden, um eine effektive und effiziente Fermentation zu gewährleisten, wobei Schlüsselfaktoren wie Temperatur, Druck, pH-Wert und Nährstoffkonzentration beachtet werden müssen.
• 🌐 Die Fermentation ist ein上游生物技术prozess, der früh im Produktionsablauf stattfindet, bevor die Aufarbeitung, Reinigung, Formulierung, Füllung und Verpackung beginnen.
• 🌿 Der GFP-Fermentationsprozess, der grünes fluoreszierendes Protein (GFP) herstellt, ist ein Beispiel dafür, wie diese Prozesse in der Praxis ablaufen und wie wichtige Stoffe wie Antibiotika und Biochemikalien zur Steuerung des Prozesses eingesetzt werden.

Q & A

Was ist Fermentation?

Fermentation ist ein Prozess, der zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten wie Milchprodukte, Backwaren und Getränke verwendet wird. Es ermöglicht es Zellen, wie Bakterien, Hefen oder Spezies aus Säugetieren, Pflanzen oder Insekten, in einer kontrollierten Umgebung Nährstoffe umzuwandeln und Produkte zu erzeugen.

Welche Arten von Zellen werden in der Fermentation verwendet?

In der Fermentation werden Bakterien, Hefen (eine Art Pilze) oder spezifische Zellen aus Säugetieren, Pflanzen oder Insekten verwendet, um Produkte herzustellen.

Wie wird Milch zu Joghurt durch Fermentation?

Milch wird zu Joghurt, indem Bakterien verwendet werden, die Milchsäure produzieren und die Milch zähflüssig machen, was den Übergang zu Joghurt bewirkt.

Was ist der Unterschied zwischen aeroben und anaeroben Zellen in Bezug auf Fermentation?

Aerobische Zellen benötigen Sauerstoff für den Stoffwechselprozess, während anaerobische Zellen ohne Sauerstoff funktionieren können. Dies beeinflusst die Art und Weise, wie die Fermentationsumgebung gestaltet wird.

Wie wird das Wachstum der Zellen in der Fermentation kontrolliert?

Das Wachstum der Zellen wird durch die Kontrolle der Umgebungsbedingungen im Bioreaktor kontrolliert, wie Temperatur, Druck, pH-Wert, sauerstoffgesättigtes Medium und Nährstoffspiegel.

Was ist der Lebenszyklus einer Fermentationsbatch?

Der Lebenszyklus einer Fermentationsbatch umfasst vier Phasen: Verzögerung (Lag), exponentielles Wachstum (Exponential oder Log), stationäre Phase und Tod (Death).

Wie wird der Prozess der Fermentation initiiert?

Der Prozess beginnt mit der Auswahl einer Zellart, die für die Produktion des gewünschten Produkts in Frage kommt. Ein Starter (Anlaufkultur) wird in ein kleines Volumen von Medien eingebracht, um das Wachstum zu beginnen.

Was ist GFP und wie wird es in der Fermentation hergestellt?

GFP, grünes fluoreszierendes Protein, ist ein biologischer Marker, der in der Fermentation durch eine speziell veränderte Bakterienart, oft E. coli, hergestellt wird, die den GFP-Gen kodiert. Die Herstellung beinhaltet die Anpassung der Zellkultur und die Aktivierung des GFP-Gens mit einem biochemischen Inducer.

Welche Rolle spielen Medien in der Fermentation?

Medien liefern die notwendigen Nährstoffe für das Wachstum und die Produktion durch die Zellen. Sie enthalten Nährstoffe, Stabilisatoren, Antibiotika und evtl. Antischaummittel, um das Wachstum und die Produktion zu unterstützen.

Wie wird die Produktion von GFP in der Fermentation überwacht?

Die Produktion von GFP wird durch Messung der optischen Dichte und des Glucosegehalts im Bioreaktor überwacht. Diese Messungen sind wichtig, um das Wachstum der Zellen und die Produktion von GFP zu verfolgen.

Was geschieht nach der Fermentation, wenn das GFP hergestellt wurde?

Nach der Fermentation wird das Produkt, das Broth, abgeschaut und in einen Broth-Tank überführt, um es für den nächsten Schritt der Produktrecovery vorzubereiten, in dem das GFP von den Zellen befreit und von den anderen Bestandteilen des Brothes getrennt wird.