Wichtige Fakten zur mikrobiellen Fermentation

Mikrobielle Zellen (Bakterien, Hefe) ermöglichen eine mikrobielle Fermentation im Kleinmassstab mit schnellen Wachstumsraten (Verdopplungszeiten von 20–60 Min.), erreichen sehr hohe Zelldichten (>100 g/L Trockenzellgewicht) und tolerieren höhere Scherkräfte als Säugetierzellen, erzeugen jedoch erhebliche metabolische Wärme und Sauerstoffbedarf. Ihr Stoffwechsel führt häufig zu schnellen pH-Verschiebungen, Schaumbildung und der Anhäufung von Nebenprodukten wie Acetat (Bakterien) oder Ethanol (Hefe), was Applikon-Bioreaktoren für präzise Belüftungs-, Misch- und Fütterungsstrategien erforderlich macht.

Prokaryotische Bakterien verfügen über keine Organellen und posttranslationalen Modifikationen, was einfache Medien und hohe Ausbeuten an rekombinanten Proteinen, Enzymen oder Biokraftstoffen ermöglicht. Hefen bieten eukaryotische Faltung, aber langsameres Wachstum. Diese Eigenschaften erfordern robuste Bioreaktoren wie den Applikon MiniBio, autoklavierbare Glas-, Einweg- oder Edelstahl-Bioreaktoren. Applikon-Bioreaktoren ermöglichen einen optimalen Gastransfer (hoher kLa-Wert), präzise Temperaturregelung und flexible Fütterung für Batch-, Fed-Batch- oder kontinuierliche Fermentation.

Microbial cells

Wichtige Parameter für mikrobielle Prozesse

Mikrobielle Fermentationen sind auf eine präzise Kontrolle einiger zentraler Parameter über alle Bioreaktortypen hinweg angewiesen (Mini Bio, Laborglas, Einweg oder Edelstahl).

  • pH-Regelung

    Typischerweise 5–7 für Hefe und 6–7,5 für Bakterien; gesteuert durch Säure-/Basenzugabe.

  • Gelöster Sauerstoff

    Hohe Sauerstofftransferraten (OTR) mit Luft oder Luft/O₂-Gemischen; kLa ist entscheidend für die Massstabsvergrösserung.

  • Temperatur

    Von mesophil (30–37°C) bis thermophil; schnelle Abführung der metabolischen Wärme.

  • Rührung und Scherkräfte

    Höhere Rührerdrehzahlen für den Stofftransfer, geeignet für schertolérante Stämme.

  • Nährstoff- und Fütterungsstrategie

    Kohlenstoff-/Stickstoffzufuhr zur Vermeidung von Überlaufstoffwechsel und Nebenprodukten.

Standard-Fermentationsablauf

Eine typische mikrobielle Fermentation folgt einer einfachen, reproduzierbaren Abfolge, die für Batch-, Fed-Batch- oder kontinuierlichen Betrieb anpassbar ist.

  1. Seed-Vorbereitung

    Schüttelkolben oder kleiner Saatgut-Bioreaktor für gesundes Inokulum.

  2. Inokulation

    Überführung in den Applikon-Produktionsbioreaktor bei definierter Zellkonzentration.

  3. Fermentationsphase

    Regelung von pH-Wert, gelöstem Sauerstoff (DO), Temperatur und Antischaum; optionale Zufütterung.

  4. Überwachung

    Biomasse, Produkt und Substrate mittels Off-/At-line-Analytik.

  5. Ernte

    Brühensammlung für die Weiterverarbeitung; BioSep ermöglicht eine kontinuierliche Ernte bei hohen Zelldichten (Hinweis: typischerweise Downstream-Equipment).

Bioreaktortypen für mikrobielle Anwendungen

Mikrobielle Fermentation funktioniert mit allen Applikon-Formaten mit massgeschneiderter Mischung, Belüftung und Steuerung.

Typ Massstab Hauptanwendungen Mikrobenspezifische Merkmale
Applikon MiniBio Glas-Kleinmassstab-Bioreaktor 0,25–1 L Stamm-Screening, Medienoptimierung Hoher kLa/OTR bei kleinem Volumen, Antischaum-Integration, Peltier-Kühlung und -Heizung
Applikon autoklavierbarer GlasBioreaktor für mikrobielle Fermentation 2–20 L Prozessentwicklung, Scale-down-Modelle Mehrere Begaser, hohe Rührung für O₂-Bedarf, Doppelmantel- oder Einwandgefäss
AppliFlex ST EinwegBioreaktor für mikrobielle Fermentation 0,5–15 L Entwicklung & Kleinproduktion Robuste Durchmischung, Schaumkontrolle, keine Kreuzkontamination, Kühloption verfügbar
Edelstahl-Bioreaktoren für grossmassstäbliche mikrobielle Fermentation und kontinuierliche Perfusion ab 20 L bis 5000 L Pilot- & Grossproduktion Konsistentes H/D-Design für optimale Massstabsvergrösserung, hoher Gasfluss, Wärmeaustausch, CIP/SIP für schnelle Zyklen

Strategien für Hochdichte- und intensivierte mikrobielle Prozesse

Intensivierung der mikrobiellen Fermentation für maximale Produktivität in Applikon-Bioreaktoren. Diese Strategien lassen sich konsistent vom Applikon Mini-Bioreaktor auf den Produktionsmassstab übertragen.

  1. Hochdichte-Fed-Batch

    Kontrollierte Zufütterung für hohe Zelldichten ohne Nebenprodukte.

  2. Sauerstofftransfer-Verbesserung

    O₂-Anreicherung, fortschrittliche Begaser für Spitzenbedarf.

  3. Temperatur und Induktionsprofile

    Optimiert für Expressionssysteme (z. B. phasenspezifische Induktion).

Übersicht

Mikrobielles Potenzial mit Applikon-Bioreaktoren nutzen

Im Bereich der industriellen Mikrobiologie gilt die Bioreaktor-Fermentation als grundlegende Technik zur Herstellung eines breiten Spektrums mikrobieller Produkte – von Antibiotika und Biokraftstoffen bis hin zu Lebensmitteln und Getränken. Das Applikon-Bioreaktor-Portfolio steht an der Spitze dieses Bereichs und bietet Präzision und Kontrolle für die Kultivierung von Bakterien, Hefen und Pilzen.

Der Applikon Mini-Bioreaktor verbindet Präzisionssteuerung mit Flexibilität und ermöglicht es Forschern und industriellen Biotechnologen, Umgebungsparameter auf die spezifischen Bedürfnisse verschiedener mikrobieller Stämme abzustimmen. Er liefert präzise und wertvolle Daten auf extrem kleinem Laborraum und bildet so die Grundlage für die Grossproduktion.
Schritt für Schritt

Detaillierter Fermentationsprozess

Der mikrobielle Fermentationsprozess im Applikon-Bioreaktor folgt einer sorgfältig abgestimmten Abfolge – von der Vorbereitung bis zur Überwachung – wobei jeder Schritt auf maximale Ausbeute und Reproduzierbarkeit optimiert ist.

  • Skalierbarkeit

    Skalierbarkeit

    Nahtlose Massstabsvergrösserung von der Forschung bis zur Produktionsskala. Das Applikon-Portfolio skaliert von Mini-Bioreaktoren mit 50 ml Arbeitsvolumen bis zu grossmassstäblichen Edelstahl-Bioreaktoren mit 5000 L Volumen.

  • Flexibilität

    Flexibilität

    Geeignet für ein breites Spektrum mikrobieller Typen und Fermentationsstrategien, einschliesslich aerober oder anaerober Organismen, bakterieller und Hefekulturen für vielfältige Bioprozessanwendungen.

  • Steuerung & Präzision

    Steuerung & Präzision

    Fortschrittliche Steuerungssysteme ermöglichen die präzise Manipulation von Umgebungsbedingungen, verbessern die mikrobielle Produktivität und die Produktkonsistenz über alle Fermentationsmodi hinweg.

  • Effizienz

    Effizienz

    Optimiert für Hochdichtekulturen und ertragreiche Produktrückgewinnung, bietet eine kosteneffektive Lösung für die mikrobielle Fermentation vom Screening bis zur Produktion.

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FAQ — Mikrobielle Fermentation

Die Wahl hängt von Ihrem Massstab und Anwendungszweck ab. Der Applikon MiniBio (0,25–1 L) ist ideal für Stamm-Screening und Medienoptimierung im Kleinmassstab — mit hohem kLa und integrierter Schaumkontrolle. Autoklavierbare Glasbioreaktoren (2–20 L) eignen sich für die Prozessentwicklung und Scale-down-Modelle. Der AppliFlex ST (0,5–15 L) als Einwegsystem schliesst Kreuzkontaminationen aus und ist besonders praktisch für die Entwicklung und kleinere Produktionsläufe. Für Pilot- und Grossproduktion stehen Edelstahl bioreaktoren von 20 L bis 5000 L zur Verfügung — mit CIP/SIP für schnelle Reinigungszyklen. Resea Biotec berät Sie gerne bei der Auswahl des passenden Systems.

Mikrobielle Kulturen — insbesondere Bakterien und Hefen — wachsen ausserordentlich schnell und erzeugen dabei erhebliche Mengen an Stoffwechselwärme sowie einen hohen Sauerstoffbedarf. Die Applikon-Bioreaktoren sind auf genau diese Anforderungen ausgelegt: optimierter Gastransfer mit hohem kLa-Wert, Begasung mit Luft oder Luft/O₂-Gemischen sowie leistungsfähige Rührersysteme für eine effiziente Durchmischung. Die Temperaturregelung erfolgt präzise über Heiz-/Kühlmäntel oder Peltier-Elemente im Kleinmassstab. So werden pH-Schwankungen, Schaumbildung und die Ansammlung von Nebenprodukten wie Acetat oder Ethanol zuverlässig kontrolliert.

Ja — das ist einer der grössten Vorteile der Applikon-Plattform. Dank eines konsistenten H/D-Designs (Höhen-Durchmesser-Verhältnis) über alle Bioreaktorgrössen hinweg bleiben Mischcharakteristik, Gasübertragung und Regelungsverhalten beim Scale-up vergleichbar. Prozessparameter, die im MiniBio mit 50 mL Arbeitsvolumen entwickelt wurden, lassen sich so zuverlässig auf Edelstahlbioreaktoren mit bis zu 5000 L übertragen — ohne aufwendige Neuoptimierung. Das spart Zeit, reduziert Entwicklungskosten und gibt Ihnen die Sicherheit, dass Ihre Ergebnisse aus der Forschung auch im Produktionsmassstab reproduzierbar sind.

Applikon Bioreaktoren bei Resea Biotec unterstützen die Herstellung eines breiten Spektrums mikrobieller Produkte — darunter rekombinante Proteine und Enzyme für pharmazeutische und industrielle Anwendungen, Biotherapeutika wie Impfstoffe und Antikörperfragmente, Antibiotika und sekundäre Metaboliten, Biokraftstoffe und biobasierte Chemikalien sowie Lebensmittelzutaten und Getränkekomponenten. Sowohl prokaryotische Bakterien wie E. coli als auch eukaryotische Hefen wie Saccharomyces cerevisiae oder Pichia pastoris werden routinemässig in Applikon Glas- und Edelstahl-Bioreaktoren kultiviert — vom MiniBio bis zum 5.000-L-Produktionssystem.

Bei schnell wachsenden Mikroorganismen wie E. coli kann eine unkontrollierte Glucosezufuhr zu Überlaufmetabolismus führen — erkennbar an Acetatakkumulation bei Bakterien oder Ethanolbildung bei Hefen — was Zellwachstum, Produktausbeute und Prozessstabilität beeinträchtigt. Applikon Bioreaktoren begegnen diesem Problem durch präzise Fed-Batch-Strategien mit geregelter Kohlenstoff- und Stickstoffzufuhr, gekoppelt mit Echtzeit-Überwachung von Biomasse, Substraten und Stoffwechselprodukten. Das Livit Flex Steuerungssystem ermöglicht automatisierte Feedregelungen, die den Metabolismus in der optimalen Zone halten — für maximale Zelldichten über 100 g/L Biotrockenmasse ohne Qualitätsverlust. Erfahren Sie mehr über unsere Paketlösungen für komplette Fermentations-Workflows.