Haben Sie schon einmal von der Festphasenfermentation (SSF) gehört?
Obwohl der Name sehr technisch klingt, handelt es sich um eine uralte Technik, die als innovative und nachhaltige Lösung für die Herausforderungen unseres globalen Lebensmittelsystems wieder aufgetaucht ist.
Was ist SSF?
Im Wesentlichen handelt es sich bei der SSF um einen Fermentationsprozess, bei dem Mikroorganismen auf einem festen Substrat in Abwesenheit oder nahezu Abwesenheit von freiem Wasser wachsen. Stellen Sie sich Schimmelpilze vor, die in Kompost oder auf einer Laubschicht wachsen; die SSF versucht, diese natürlichen Umgebungen nachzuahmen, um den mikrobiellen Stoffwechsel optimal zu nutzen. Das Faszinierende daran ist, dass das feste Substrat selbst nicht nur als Träger dient, sondern auch alle notwendigen Nährstoffe liefert, oft ohne chemische Zusätze.
Vantagen:
Die FSS bietet mehrere Vorteile, die sie zu einer attraktiven und nachhaltigeren Alternative zur traditionellen (untergetauchten) Flüssiggärung machen. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:
- Geringerer Wasser- und Energieverbrauch: verbraucht ein Minimum an Wasser und reduziert den Energieverbrauch für Sterilisation, Kühlung und Abwasseraufbereitung.
- Verwertung von agroindustriellen Abfällen: Nebenprodukte der Agrar- und Ernährungswirtschaft wie Obstschalen, Kleie, Bagasse und Kaffeeabfälle können in hochwertige Produkte umgewandelt werden und tragen so zur Kreislaufwirtschaft und zur Verringerung der Umweltbelastung bei.
- Höhere Produktivität und Produktstabilität: Durch die Platzierung des Mikroorganismus in der Nähe des Substrats werden höhere Konzentrationen und Produktausbeuten erzielt, die dank der schützenden Umgebung des festen Substrats stabiler sind.
- Einfachere und wirtschaftlichere Prozesse: SSF-Systeme sind in der Regel kostengünstiger zu konzipieren und zu warten, erfordern eine geringere Infrastruktur und sind oft einfacher und kostengünstiger in der nachgeschalteten Verarbeitung zur Produktextraktion und -reinigung.
Hochwertige Produkte und Anwendungen:
SSF hat seine Vielseitigkeit bei der Herstellung einer breiten Palette von wichtigen Produkten für verschiedene Sektoren unter Beweis gestellt:
1. Bio-Dünger: Steigert die Fermentationsleistung bestimmter biostimulierender Pilze, wie Trichoderma harzianum und Metarhizium anisopliae. Die Festkörperfermentation fördert die Verdickung der Zellwand und vergrößert die Perisporen- und Endosporenschicht. Diese Veränderung ist mit einem höheren Gehalt an β-Glucanen, Chitin und Wandproteinen verbunden, was die Widerstandsfähigkeit und Stabilität des Myzels oder der Sporen gegenüber den anspruchsvolleren Bedingungen des Prozesses erhöht und ihre Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umweltbedingungen und landwirtschaftliche Substrate optimiert. Diese Technik verbessert auch die Lebensfähigkeit und die Produktion bioaktiver Metaboliten aus diesen biologischen Wirkstoffen.
2. Industrieenzyme: Dies ist die bevorzugte Methode zur Herstellung von Enzymen wie Amylasen, Xylanasen, Lipasen, Cellulasen, Pektinasen, Fructosyltransferasen und Laktasen. Das fast völlige Fehlen von Wasser macht die hergestellten Enzyme stabiler. Diese Enzyme finden wichtige Anwendungen in den Bereichen Lebens- und Futtermittel, Bioenergie, Pharmazeutika und Abfallbehandlung.
3. Funktionelle Lebensmittel und Proteinanreicherung: Sie verbessern den Nährwert von Lebensmitteln erheblich. Ein Beispiel ist die Fermentation von Bohnen mit Pleurotus ostreatus. Diese FSS erhöht den Proteingehalt, reichert essenzielle Aminosäuren (wie Valin, Leucin, Isoleucin und Tyrosin) an und reduziert nährstofffeindliche Faktoren wie Phytinsäure auf fast nicht nachweisbare Werte.
4. Fleischanaloga auf pflanzlicher Basis (PBMAs): Die SSF ist eine wirksame Methode zur Herstellung von PBMAs. Durch die Fermentierung von Sojaproteinen mit Mikroorganismen wie Rhodotorula mucilaginosa, Monascus purpureus und Lactiplantibacillus plantarum ist es möglich, die Farbe, die Textur und den Geschmack von Fleisch zu simulieren, nährstoffschädigende Faktoren zu reduzieren und die Vernetzungseigenschaften des Proteins zu fördern.
5. Antibiotika: ermöglicht die Herstellung von kostengünstigen, hochproduktiven Antibiotika wie Oxytetracyclin und Cephamycin C.
6. Organische Säuren und Biokraftstoffe: Ermöglicht die Herstellung von organischen Säuren wie Zitronensäure und Milchsäure sowie von Biokraftstoffen wie Bioethanol, Biodiesel und Biogas aus agroindustriellen Abfällen.
Die Rolle des Bioengineering und die Zukunft:
Obwohl die SSF in der Vergangenheit mit Herausforderungen wie Skalierbarkeit und Produktgewinnung konfrontiert war, öffnen die Fortschritte in der Biotechnologie neue Türen. Innovative Bioreaktordesigns, genetisches und metabolisches Engineering von Mikroorganismen und der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken ermöglichen es, das mikrobielle Wachstum und die Metabolitenproduktion zu optimieren und Probleme wie Wärme- und Stoffübertragung zu überwinden.
Die kontinuierliche Automatisierung und die Integration von “Omics”-Techniken und künstlicher Intelligenz sollten es der Feststofffermentation ermöglichen, die Effizienz und die großtechnische Wirkung anderer Fermentationen zu erreichen.
Die TECHMI-Gruppe hat einen horizontalen Feststofffermenter entwickelt, den TECHMI FES.
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