Mikrobielle Fermentation bezeichnet den Prozess, bei dem Mikroorganismen unter geeigneten Bedingungen Rohstoffe über spezifische Stoffwechselwege in für den Menschen benötigte Produkte umwandeln. Die Produktivität der mikrobiellen Fermentation hängt hauptsächlich von den genetischen Eigenschaften des Stammes und den Kulturbedingungen ab. Zu den Faktoren, die die Ausbeute an Mikroorganismen beeinflussen, gehören im Allgemeinen: Kohlenstoffquelle, pH-Wert und Kulturdauer, Fermentationstemperatur sowie Schüttelgeschwindigkeit und -amplitude. Faktoren wie Kohlenstoffquelle und pH-Wert werden durch das Kulturmedium bestimmt, während Fermentationstemperatur sowie Schüttelgeschwindigkeit und -amplitude durch einen Entfärbungsschüttler eingestellt werden. Die Temperatur des Entfärbungsschüttlers hat vielfältige Auswirkungen auf die Fermentation:
1. Die Temperatur beeinflusst maßgeblich die Anzahl der während der Fermentation produzierten Sporen und lebensfähigen Zellen. Die allgemeine Überlebenstemperatur für Mikroorganismen liegt zwischen 20 und 35 °C; zu hohe oder zu niedrige Temperaturen führen zur Inaktivierung oder sogar zum Absterben der Mikroorganismen. Aus enzymkinetischer Sicht erhöhen höhere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit, beschleunigen Wachstum und Stoffwechsel und fördern die Produktbildung. Allerdings führen höhere Temperaturen auch zu einer schnelleren Enzyminaktivierung und vorzeitigen Zellalterung, was die Produktbildung beeinträchtigt.
2. Die für Wachstum und Metabolitenakkumulation erforderlichen Temperaturen variieren selbst für Bakterien desselben Typs. Beispielsweise liegt die geeignete Temperatur für Penicillin-produzierende Bakterien bei 30 °C, während die optimale Temperatur für die Penicillinproduktion 25 °C beträgt. Daher muss die Temperatur je nach gewünschtem Produkt angepasst und in verschiedenen Produktionsphasen unterschiedlich eingestellt werden.
3. Die Temperatur beeinflusst auch die Zusammensetzung und die Eigenschaften von Enzymen. Beispielsweise behalten Enzyme, die bei 55 °C produziert wurden, nach 60 Minuten bei 90 °C 88–99 % ihrer Aktivität; Enzyme, die bei 35 °C unter denselben Bedingungen produziert wurden, behalten hingegen nur 6–10 % ihrer Aktivität.
4. Unterschiedliche Temperaturen haben auch unterschiedliche Auswirkungen auf die von Bakterien produzierten Metaboliten. Bei der Verwendung von Streptomyces chlortetracycline NRLRB-1287 zur Tetracyclinfermentation führt beispielsweise eine Fermentationstemperatur unter 30 °C zu einer erhöhten Chlortetracyclinsynthese. Eine Erhöhung der Fermentationstemperatur fördert hingegen die Tetracyclinsynthese. Bei 35 °C produziert Streptomyces chlortetracycline ausschließlich Tetracyclin, die Chlortetracyclinsynthese kommt nahezu zum Erliegen.
5. Die Temperatur beeinflusst auch die physikalischen Eigenschaften der Fermentationsbrühe, wie deren Viskosität, die Löslichkeit und den Transfer von Substrat und Sauerstoff sowie die Abbau- und Absorptionsraten bestimmter Substrate. Die Fermentationstemperatur wirkt sich durch die Beeinflussung dieser Bedingungen auf die Fermentationskinetik und die Biosynthese der Produkte aus.
Daher ist die Aufrechterhaltung einer geeigneten Temperatur während der Fermentation entscheidend für das reibungslose Zellwachstum und die Synthese von Metaboliten. Eine präzise Temperaturkontrolle ist daher ein wichtiger Parameter bei der Auswahl eines Entfärbungsschüttlers.