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[[Datei:2009-02-20 Fermenters at LoneRider Brewery.jpg|mini|hochkant|Gärbottiche zur Bierherstellung sind Bioreaktoren]]

'''Fermentation''' oder '''Fermentierung''' ({{laS|fermentatio}}, von {{lang|la|''[[ferment]]um''}} „Aufwallung, [[Gärung]]; Gärungsstoff, [speziell:] [[Sauerteig]], [[Malz]]“<ref>''Lateinisches etymologisches Wörterbuch'' (= ''Indogermanische Bibliothek.'' Abteilung 1: ''Sammlung indogermanischer Lehr- und Handbücher.'' Reihe 2: ''Wörterbücher.'' 1). Winter, Heidelberg 1906; 3., von [[Johann Baptist Hofmann|J. B. Hofmann]] neubearbeitete Auflage ebenda 1938 (2 Bände und Registerband von Elsbeth Berger von 1956); Neudrucke, deklariert als 4. bis 6. Auflage, ebenda 1954 bis 2008, ISBN 978-3-533-00668-8 (Band 1: ''A – L''), ISBN 978-3-8253-0669-4 (Band 2: ''M – Z''), Band 1, S. 482 f.</ref>) bezeichnet in der [[Biologie]] und [[Biotechnologie]] die mikrobielle oder enzymatische Umwandlung organischer Stoffe in [[Säure]], [[Biogas|Gase]] oder [[Ethanol|Alkohol]]. Die Fermentation wird in der Biotechnologie als Umwandlung organischer Materie außerhalb lebendiger Organismen bewusst angewendet. Dies geschieht entweder durch Zugabe von [[Bakterien]]-, [[Pilze|Pilz-]] oder sonstigen biologischen [[Zellkultur]]en oder durch den Zusatz von [[Enzym]]en (Fermenten), welche die Fermentation im Rahmen ihres enzymkatalysierten Stoffwechsels ausführen. Teilweise sind diese [[Mikroorganismus|Mikroorganismen]] bereits natürlich auf den Ausgangsstoffen vorhanden, etwa bei der [[Spontangärung]]. Dennoch werden gerade in der industriellen Fermentation Reinzuchtzellkulturen zugegeben, um die Fermentation besser zu steuern und unerwünschte Nebenprodukte auszuschließen.

== Definition ==
Ursprünglich wurde mit ''Fermentation'' (von lateinisch ''fermentatio'' ‚Gärung‘, auch als wichtiger Prozess des ''Opus magnum'' in der [[Alchemie]]<ref>Allison Coudert: ''Der Stein der Weisen. Die geheime Kunst der Alchemisten.'' (Originalausgabe: ''Alchemy: the Philosopher’s Stone.'' 1980) Lizenzausgabe. Pawlak, Herrsching 1992, ISBN 3-88199-911-6, S. 49–54.</ref>) eine [[Gärung]] unter [[anaerob|Ausschluss von Luft]] bezeichnet. [[Louis Pasteur]] prägte den Ausdruck {{lang|fr|''fermentation, c’est la vie sans l’air''|de=Fermentation ist das Leben ohne Luft}}.

Heute umfasst die Fermentation in der [[Biotechnologie]] jegliche mikrobielle Umwandlung organischer Stoffe in [[Bioreaktor]]en, also auch diejenige unter Sauerstoffversorgung.<ref name=":0" />

Beispiele für Arten der Fermentation:
* [[Anaerobie|Anaerobe]] Gärung als biotischer [[Energiestoffwechsel]] ''ohne'' Einbeziehung von Sauerstoff. Dies entspricht der ''neueren'' Definition des Begriffs ''[[Gärung]]''.
* [[Aerobie|Aerobe]] Vorgänge, wie die [[Essigsäuregärung]], werden auch als ''oxidative Gärung'' bezeichnet.
* Sonstige Veränderungen biotischen Rohmaterials durch mikrobielle oder [[Autolyse|autolytische]] enzymatische Prozesse, bei denen Sauerstoff ''nicht oder nur unvollständig'' ausgeschlossen wird. Beispielsweise eingeleitet zur Fermentation von [[Tabak (Gattung)|Tabakblättern]] zu [[Tabak|Rauchtabak]], Fermentation von [[Kakao]]früchten (einschließlich ihrer Samen) zur Herstellung von Kakaopulver und [[Schokolade]] sowie zur [[Matjes]]reifung.
* In der [[Biotechnik]] allgemein die gesteuerte Produktion von biotischen Stoffwechselprodukten, ''mit oder ohne'' Einbeziehung von Sauerstoff.
* [[Submersfermentation]] ist die Bezeichnung für Abläufe in Flüssigkeiten und [[Dispersion (Chemie)|Dispersionen]].

Nicht in allen wissenschaftlichen Disziplinen wird Fermentation ebenso wie in der Biotechnologie heute in einer erweiterten Bedeutung verwendet. In der [[Biochemie]] und der [[Metabolomik]] wird mit dem Begriff „Fermentation“ weiterhin nur ein anaerober Prozess bezeichnet.<ref name=":0">''IUPAC. Compendium of Chemical Terminology.'' {{DOI|10.1351/goldbook}}.</ref> Um in der Biotechnologie eine Verwechslung zu vermeiden, wird manchmal auch der Begriff ''Kultivierung'' für aerobe Prozesse verwendet.

Die [[Enzymologie]] ist das Forschungsgebiet der Fermentation.

Die Reaktoren werden auch als Fermenter bezeichnet. Es lassen sich so verschiedene medizinische Produkte wie [[Insulin]], [[Hyaluronsäure]], [[Streptokinase]] und eine Vielzahl von [[Antibiotika]], beispielsweise [[Penicillin]] großtechnisch in [[Bioreaktor]]en synthetisieren, teilweise mit Hilfe von [[Mikroorganismus|Mikroorganismen]], teilweise mit [[Zellkultur]]en (meist [[Suspensionszelle]]n). Die Mikroorganismen sind dabei – gegebenenfalls nach [[Gentechnologie|gentechnologischer]] Veränderung – in der Lage, Stoffe zu bilden, die sich auf chemischem Wege nur schwer herstellen lassen.

== Einsatzgebiete ==
=== Fermentation in der Lebens- und Genussmittelherstellung ===
[[Datei:Production of cheese 2.jpg|mini|Dickete bei der [[Käseherstellung]]]]

In der Lebensmittelherstellung spielt die Fermentation eine zentrale Rolle bei der Produktion und Haltbarmachung von Lebensmitteln, wie die Herstellung von [[Sauerkraut]], [[Kimchi]], [[Tsukemono]], [[Miso]], [[Nattō]], [[Tempeh]] oder [[Oncom|Ontjom]].<ref>M. Gänzle: ''The periodic table of fermented foods: limitations and opportunities.'' In: ''[[Applied Microbiology and Biotechnology]].'' Band 106, Nummer 8, April 2022, S. 2815–2826, {{DOI|10.1007/s00253-022-11909-y}}, PMID 35412130.</ref> Bei der Fermentation entwickeln sich die [[Aroma]]stoffe, wie bei [[Sojasauce]] und fermentierten Getränken. [[Pflanzliche Abwehrstoffe]] wie [[Gerbstoff]]e werden abgebaut, so etwa bei [[Tee]], [[Kakao]], [[Kaffee]] und [[Tabak]]. Weitere Vorgänge sind die Herstellung von [[Milchprodukt]]en, wie [[Käse]] oder [[Joghurt]], die Herstellung von [[Rohwurst]] (beispielsweise [[Salami]]) und letztlich die Erzeugung von alkoholischen Getränken wie [[Bier]], [[Wein]] oder [[Whisky]].

{{Hauptartikel|Liste von Bakterien in der Lebensmittelherstellung}}
{{Hauptartikel|Liste von Pilzen in der Lebensmittelherstellung}}

==== Herstellung von Milchprodukten und lactofermentiertem Gemüse ====
{{Hauptartikel|Milchsäuregärung|Milchsäure}}
[[Datei:Joghurt.jpg|mini|Joghurt und andere [[Sauermilchprodukte]] basieren auf Milchsäuregärung.]]

Eine Reihe von Lebensmitteln sind die Ausgangsprodukte einer Milchsäuregärung. Dazu gehören alle [[Sauermilchprodukte]] wie Sauermilch, [[Joghurt]], [[Kefir]] und [[Buttermilch]]. Traditionell wurde [[Rohmilch]] stehen gelassen, bis sich die selbsttätig aus der Umgebung angesiedelten Milchsäurebakterien auf natürliche Weise vermehrt und die Fermentation in Gang gesetzt hatten. Rohmilch darf nach der heutigen Gesetzeslage in Deutschland nicht mehr verwendet werden. Die Molkereien impfen darum pasteurisierte Milch mit Starterkulturen der Milchsäurebakterien.

Aufgrund der heute eingesetzten Futtermittel tritt eine Fehlgärung von Kuhmilch häufiger ein. Die Rohmilchprodukte Schweizer Milchbauern unterliegen darum strengen Vorschriften zur Sicherstellung einer weitestgehend natürlichen Fütterung durch [[Weidehaltung]] und Gabe von [[Heu]] zur Winterzeit. Da sich unterschiedliche Bakterienstämme aus der Luft ansiedeln können, variiert der Fermentationsprozess und es können sich verschiedene Aromen in den Milchprodukten ausbilden.

Lactofermentierte Gemüse wie [[Sauerkraut]], [[Einlegen|Eingelegtes]], [[Tsukemono]], [[Tsa Tsai]], [[Torshi]] oder [[Kimchi]] werden ebenso wie [[Sauerteig]] und entsprechende Sauerteigprodukte seit langer Zeit auf allen Kontinenten hergestellt.

Auch [[Silage]]n, durch Vergärung haltbar gemachte Frischfuttermittel, basieren auf der Milchsäuregärung.<ref name="Schmid">[[Rolf D. Schmid]]: ''Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik.'' 2. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim 2006; ISBN 978-3-527-31310-5, S. 12–13.</ref>

==== Fermentation von Teeblättern ====

Fermentation von Teeblättern findet nur bei so genannten ''post fermented teas'' wie [[Pu-Erh]] statt. (Schwarzer Tee hingegen oxidiert, genaueres siehe nächster Absatz.) Beim Pu-Erh-Tee sind Mikroorganismen aktiv, die die Bestandteile der Teeblätter im Zuge ihrer Stoffwechselprozesse verändern. Dabei werden die in den Teeblättern enthaltenen Gerb- und Bitterstoffe in weichere und milde Polyphenole umgewandelt. Ein hochfermentierter Pu-Erh-Tee schmeckt deshalb viel milder mit leichter Süße und besitzt praktisch keine [[Adstringenz]] mehr. Die für die Fermentation verantwortlichen Mikroorganismen sind [[Pinselschimmel|Penicillium]], [[Aspergillus]] und [[Streptomyces]]. Diese Mikroben produzieren auch eine Vielzahl der für uns heute bedeutenden Antibiotika.<ref>[https://www.teekenner.de/magazin/magazin-10-fakten-ueber-pu-erh-tee 10 Fakten über Pu-Erh Tee] auf www.teekenner.de</ref>

Häufig wird [[schwarzer Tee]] als fermentierter Tee bezeichnet, was jedoch chemisch nicht korrekt ist, da keine Enzyme oder Mikroorganismen beteiligt sind. Schwarzer Tee [[Oxidation|oxidiert]], d. h. die Polyphenole im Tee reagieren mit dem Sauerstoff aus der Luft. Die Teeblätter werden durch Rollen gequetscht und so die Pflanzenzellen teilweise zerstört. Bei der industriellen Produktion wird dabei meist das [[Crush, Tear, Curl|Crush-Tear-Curl-Verfahren]] angewendet.<ref>{{Literatur |Autor=Ramasamy Shanmugasundaram Senthil Kumar, Subramanian Murugesan, Govindasamy Kottur, Daniel Gyamfi |Titel=Black Tea: The Plants, Processing/Manufacturing and Production |Hrsg=Victor R. Preedy |Sammelwerk=Tea in Health and Disease Prevention |Band= |Nummer= |Auflage= |Verlag=[[Academic Press]] |Ort= |Datum=2013 |ISBN=978-0-12-384937-3 |DOI=10.1016/b978-0-12-384937-3.00004-5 |Seiten=41–57}}</ref> Die in der intakten Zelle getrennten [[Enzym]]e (vor allem [[Phenoloxidase]]n) und andere Inhaltsstoffe der Teepflanze (vor allem die [[Polyphenole]]) kommen zusammen und reagieren zusammen mit Sauerstoff. Hieraus ergeben sich die dunkel gefärbten Polyphenole und Aromastoffe. Der Vorgang dauert etwa drei Stunden. Im Gegensatz zum schwarzen Tee wird der [[Oolong]]-Tee nur kurz und der [[Grüner Tee|grüne Tee]] nicht oxidiert.<ref>Hans G. Adrian, Rolf L. Temming, Arend Vollers: ''Das Teebuch. Geschichte und Geschichten. Anbau, Herstellung und Rezepte''. VMA, Wiesbaden 1990, ISBN 3-928127-01-2.</ref>

==== Fermentation von Rohtabak ====
{{Quellen}}
Fermentation des [[Tabak]]s ist ein Gärungsprozess, mit dem aus getrocknetem Rohtabak ein verbrauchsfertiger Tabak hergestellt wird. Der Nikotingehalt wird vermindert und blatteigene [[Protein|Proteine]], die beim Rauchen das charakteristische Aroma der einzelnen Sorten überdecken würden, werden abgebaut.

Nach dem Zusammenstellen der jeweiligen Tabakcharge (mindestens 1000 Kilogramm) setzt der Fermentationsprozess von selbst ein oder wird durch Wärmezufuhr in Gang gesetzt. Die ideale Prozesstemperatur liegt zwischen 50 °C und 60 °C, höhere Temperaturen schaden der Tabakqualität. Bei einer natürlichen Fermentation werden die Tabakstapel vier- bis fünfmal umgeschichtet, jeweils vom Stapelrand in die Stapelmitte und umgekehrt. Bis alle Blätter gleichmäßig fermentiert sind, vergehen vier bis sechs Monate.

==== Herstellung von lactofermentiertem Fisch ====
Auch Fisch wird fermentiert. Beispiele sind

* [[Funazushi]] – japanischer, fermentierter weibliche Nigoro-Buna ([[Karausche]]n)
* [[kæst skata]] – isländischer, fermentierter Rochen
* [[Hákarl]] – isländischer, fermentierter [[Grönlandhai]]
* [[Surströmming]] – schwedischer, eingelagerter, gesalzener und vergorener Fisch
* [[Pla Raa]] – thailändischer, eingelagerter, gesalzener und vergorener Fisch

==== Fermentation von Marihuana ====
Auch [[Marihuana]] wird zumeist fermentiert, um die Rauchinhalation durch verbesserten Geschmack, weniger Irritationen im Hals sowie einen erhöhten [[Tetrahydrocannabinol|THC]]-Anteil zu verbessern.<ref name="books-VP_Q0MDeF9cC-PT162">Jan Koolman: ''Kaffee, Käse, Karies ....'' John Wiley & Sons, 2012, ISBN 978-3-527-64110-9 ({{Google Buch |BuchID=VP_Q0MDeF9cC |SeitenID=PT162}}).</ref>

=== Technische Fermentation ===
{{Hauptartikel|Biotechnologie|Industrielle Biotechnologie|Bioethanol}}

[[Datei:Ethanol plant cropped.jpg|mini|Bioethanolanlage in [[Burlington (Iowa)|Burlington]], Iowa.]]

Das Haupteinsatzgebiet der Fermentation ist die technische Biotechnologie zur Herstellung verschiedener ''Fermentation''sprodukte. Die Erzeugnisse reichen von [[Bioethanol]] über [[Aminosäure]]n, [[Organische Säure]]n, wie [[Milchsäure]], [[Zitronensäure]] und [[Essigsäure]], bis zu Enzymen wie [[Phytase]] über [[Antibiotika]] und andere pharmazeutische Produkte bis hin zu Biomonomeren und -polymeren wie [[Polyhydroxyalkanoate]]. Solche technischen Produkte sind Polyhydroxyalkanoate oder [[Polyhydroxybuttersäure]] (PHB). Technisches Bioethanol, zur Nutzung als [[Biokraftstoff]], stellt neben Bier und der [[Hefen|Hefeproduktion]] sowie [[Biogas]] aktuell das Hauptprodukt der Fermentationsindustrie dar.

Rohstoffe sind vorwiegend [[Stärke als nachwachsender Rohstoff|Stärke]] und [[Saccharose]] Substrat zur Produktion durch [[Bakterien]] oder [[Pilze]]. Bioethanol wird in [[Brasilien]] vor allem auf der Basis von Zucker aus [[Zuckerrohr]] gewonnen, in den USA stellt Mais den Hauptrohstoff dar. Nach Angaben der deutschen Bioethanolwirtschaft werden in Deutschland knapp zwei Drittel des Bioethanols aus stärkehaltigen Pflanzen, vor allem Weizen, gewonnen.<ref>Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e. V. (BDBe): {{Webarchiv |url=http://www.bdbe.de/branche/marktdaten/ |text=Marktdaten |wayback=20121111212854 |archiv-bot=}}, abgerufen am 26. März 2011.</ref> Die Produktion läuft in der Regel unabhängig vom Substrat, bei fast allen Fermentationsprozessen können also sowohl Stärke als auch Saccharose und verschiedene andere zuckerhaltige Produkte genutzt werden, dabei insbesondere [[Dicksaft]] und [[Melasse]]. Auch [[Cellulose]] als Hauptbestandteil des [[Holz]]es ist ein Zuckerpolymer das als alternatives Substrat zur Diskussion steht für zukünftige Anwendungen, vor allem für [[Cellulose-Ethanol]] sowie bei der Verwendung in der [[Bioraffinerie]].

=== Biogasherstellung ===
{{Hauptartikel|Biogas|Gärung}}

[[Datei:Ladbergen Biogasanlage.JPG|mini|Fermenter einer Biogasanlage]]

Auch die Herstellung von Biogas durch Vergärung von [[Biomasse]] in [[Biogasanlage]]n ist ein Fermentationsprozess. Dieses Produkt wird zur Gewinnung von [[Bioenergie]] verwendet. Mit Hilfe von Bakterien wird in einem anaeroben Gärungsprozess ein Gasgemisch mit den Hauptkomponenten [[Methan]] (CH4) und [[Kohlenstoffdioxid]] (CO2) sowie Spuren von [[Stickstoff]] (N2), [[Sauerstoff]] (O2), [[Schwefelwasserstoff]] (H2S), [[Wasserstoff]] (H2) und [[Ammoniak]] (NH3) produziert. Zumeist wird über eine [[Biogasaufbereitung]] gereinigt. Für das Biogas ist der bei der Gärung entstehende Anteil von Methan wichtig, da seine Verbrennung die meiste Energie freisetzt.

Auch [[Deponiegas]] und [[Klärgas]] entstehen bei der als Vergärung oder Faulung bezeichneten anaeroben Zersetzung von organischem Material. Diese Gase werden gelegentlich unter den Bezeichnungen Faulgas oder Biogas zusammengefasst.

== Bioreaktoren ==
{{Hauptartikel|Bioreaktor}}

[[Datei:Jninternational4.jpg|mini|Anlage zur Herstellung von [[Vakzin|Impfstoffen]]]]

Vor allem Mikroorganismen können in sogenannten Bioreaktoren oder auch Fermentern kultiviert werden. Dieses sind Behälter, in denen die Reaktionsbedingungen gesteuert und optimiert werden. So produzieren die kultivierten Organismen die gewünschten Stoffe unter optimalen Bedingungen oder in höheren Konzentrationen. In den Reaktoren können verschiedene [[Kennzahl|Parameter]], dazu gehören [[pH-Wert]], [[Temperatur]], [[Sauerstoff]]zufuhr, [[Stickstoff]]zufuhr, [[Glucose]]gehalt oder [[Rührer]]einstellungen geregelt werden.

Da die einsetzbaren Organismen sehr unterschiedliche Ansprüche haben, stehen unterschiedlichste Fermentertypen zur Verfügung.

* [[Rührkesselreaktor]]en
* [[Schlaufenreaktor]]en
* [[Airliftreaktor]]en
* [[Photobioreaktor]]en zur Kultivierung von Algen und Pflanzen

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=R. Stürmer, M. Breuer |Titel=Enzyme als Katalysatoren. Chemie und Biologie Hand in Hand |Sammelwerk=[[Chemie in unserer Zeit]] |Band=40 |Datum=2006 |Seiten=104–111 |DOI=10.1002/ciuz.200600379}}
* {{Literatur |Autor=E. Eugster, F. Götze, D. Heine |Titel=Das Potenzial fermentierter Lebensmittel für eine gesunde und nachhaltige Ernährung |Sammelwerk=Agrarforschung Schweiz |Band=14 |Datum=2023 |Seiten=159–166 |DOI=10.34776/afs14-159}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Fermentation}}
* [http://www.forestfinance.de/fileadmin/pdf/Baumlexikon/BL_Kakao_red.pdf Fermentation der Kakaobohne] (PDF; 2,1 MB)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4129537-7|LCCN=sh/85/47829}}

[[Kategorie:Fermentation| ]]
[[Kategorie:Chemisch-technisches Verfahren]]

Fermentation - Versionsgeschichte

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