Bei jedem Fermentationsprozess hängt der Erfolg nicht nur vom Bioreaktor oder dem verwendeten Stamm ab. Es gibt ein drittes, oft unterschätztes Element, das den Unterschied zwischen einem effektiven und einem eingeschränkten Bioprozess ausmacht: das Kulturmedium.
Das Kulturmedium ist die Nährstoffumgebung, in der Mikroorganismen wachsen, sich entwickeln und während der Fermentation das gewünschte Produkt erzeugen können. Es ist wichtig, seine Zusammensetzung und Auswahl zu verstehen, um die Leistung zu verbessern, Kosten zu senken und die Reproduzierbarkeit des Prozesses sicherzustellen.
Warum ist das Kulturmedium so wichtig?
Damit sich ein Mikroorganismus entwickeln und sein maximales Stoffwechselpotenzial entfalten kann, benötigt er eine ausgewogene Nährstoffzusammensetzung. Der Stamm, die Fermentationsbedingungen (pH-Wert, Temperatur, Sauerstoff, Rühren) und das Kulturmedium bilden eine untrennbare Dreierkombination, die die Wirksamkeit des Bioprozesses bestimmt.
Ein ernährungsphysiologisch geeignetes Medium ist ein Medium, das den Energie- und Strukturbedürfnissen des Mikroorganismus gerecht wird und das Wachstum und die Produktion des Zielmetaboliten oder -proteins fördert.
Wesentliche Bestandteile eines Nährmediums:
1. Makronährstoffe (g/l)
Sie bilden die Grundlage für das mikrobielle Wachstum und müssen in ausreichender Menge vorhanden sein:
- Kohlenhydratquellen: Glukose, Fruktose, Saccharose, Stärke… unverzichtbar als Energiequelle.
- Stickstoffquellen: Ammoniumsalze, Peptone oder Proteinextrakte, unverzichtbar für Proteine und Nukleinsäuren.
- Phosphor, Schwefel, Magnesium und Kalium, essenziell für strukturelle und enzymatische Funktionen.
2. Mikronährstoffe (µg–mg/L)
Sie enthalten Mineralien wie:
- Eisen
- Mangan
- Molybdän
- Kalzium
Obwohl sie nur in geringen Mengen benötigt werden, spielen sie in vielen Stoffwechselwegen eine entscheidende Rolle.
3. Wachstumsfaktoren
Vitamine, Aminosäuren und Fettsäuren, die das Wachstum anregen oder die vollständige Entwicklung des Mikroorganismus ermöglichen.
Arten von Nährböden und wie man den geeigneten auswählt
Kulturmedien können als natürlich oder künstlich (synthetisch) klassifiziert werden:
➡️ Kommerzielle Medien konzipiert
Sie sind spezifisch für bestimmte mikrobielle Gruppen und bieten standardisierte und reproduzierbare Zusammensetzungen. Sie sind ideal, wenn Stabilität und Kontrolle erforderlich sind.
➡️ Individuelle Halterungen
Aus einzelnen Rohstoffen lässt sich ein individuelles Mittel zusammenstellen, das Folgendes ermöglicht:
- Anpassung der Nährstoffzusammensetzung an den Stamm oder den Prozess.
- Kostenreduzierung.
- Steigerung der Produktivität.
- Kontrolle der Qualität der Inhaltsstoffe.
➡️ Natürliche Ressourcen und Nebenprodukte der Agrar- und Ernährungswirtschaft
Dank des Trends zur Kreislaufwirtschaft wird es immer häufiger eingesetzt. Viele Nebenprodukte haben ein sehr interessantes Nährwertprofil und ermöglichen eine nachhaltige und kostengünstige Vergärung.
Ein aktuelles Beispiel ist die feste Vergärung von organischen Abfällen, eine Praxis, die die Wiederverwendung von Materialien fördert und die Umweltbelastung verringert.
Sterilisation und mikrobiologische Kontrolle der Umgebung
Unabhängig vom gewählten Medium muss sichergestellt werden, dass es frei von mikrobiellen Verunreinigungen ist. Andernfalls würde der Zielmikroorganismus mit anderen unerwünschten Organismen konkurrieren, was die Leistung und Reproduzierbarkeit beeinträchtigen würde.
Gängige Sterilisationsmethoden:
- Sterilisation vor Ort (SIP) in industriellen Bioreaktoren
- Sterilisation außerhalb des Standorts für kleine Volumina
- Pasteurisierung
- Verwendung chemischer Mittel, je nach Verfahren und Art des Mediums
Erforderliches Volumen: Charge, Chargenzufuhr oder kontinuierlich?
Bei der Planung eines Bioprozesses ist es wichtig, das Volumen des Kulturmediums richtig zu berechnen. Dies hängt direkt von der Art der Fermentation ab:
🔹 Batch
Die gesamte Unterstützung wird zu Beginn des Prozesses geladen.
🔹 Fed-batch
Das Medium wird während der Fermentation kontrolliert zugegeben, was den Ertrag verbessert und die Produktionsphase verlängert.
🔹 Continuous
Das Kulturmedium wird kontinuierlich hinzugefügt, während das Produkt entnommen wird. Um das Gleichgewicht des Systems aufrechtzuerhalten, sind genaue Berechnungen erforderlich.
Jede Modalität stellt unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Menge, Konzentration und Ernährungsstrategie.
Fazit: Das Kulturmedium steht im Mittelpunkt des Bioprozesses.
Die richtige Auswahl und Zusammensetzung des Nährmediums ermöglicht:
- Steigerung der Produktivität
- Senkung der Kosten
- Verbesserung der Reproduzierbarkeit
- Beschleunigung der Fermentation
- Förderung nachhaltigerer und effizienterer Prozesse
Wir bei der Techmi Group wissen, dass ein optimaler Bioprozess lange vor der Aktivierung des Bioreaktors beginnt. Deshalb haben wir technologische Lösungen entwickelt, die eine präzise Steuerung aller Parameter ermöglichen, die den Ertrag der Kulturen beeinflussen.
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