Das Online-Monitoring der mikrobiellen Aktivität durch eine Fuel-Cell-artige Elektrode eröffnet neue Möglichkeiten für Hefe-Fermentationen. Sie findet in der Wein- oder Bierherstellung sowie der Bioethanolproduktion Einsatz.
Der Aktivitätssensor basiert auf einer mikrobiellen Brennstoffzelle (Fuel Cell) und bietet sich insbesondere für mikrobiologische Systeme an. Er wurde kürzlich an einem künstlichen Weingemisch und für die Bioethanolproduktion getestet. Die erhaltenen Resultate zeigen eine vielversprechende Möglichkeit zur Online-Überwachung der Wein- und Bier-Gärung, aber auch zur Bioethanolproduktion.
Mit Wasserstoff den Gärungsstand messen
Die Fuel-Cell-artige Elektrode registriert die oxydative Aktivität der Hefen basierend auf Wasserstoff, welcher im Zytoplasma der Hefen in zerlegter Form auf Kofaktoren gespeichert ist. Ein Teil dieses gespeicherten Wasserstoffs passiert die Zellwand der Hefen. Wie dieser Prozess auf molekularer Ebene erfolgt, ist Gegenstand der Forschung. Der registrierte Elektronenfluss hängt unmittelbar von der Vitalität der Zellen ab, was verschiedene Studien zeigen.
Mit der neuen Elektrode können neben amperometrischen auch potenziometrische Messungen durchgeführt werden. Insbesondere erlaubt die Kombination der beiden Messprinzipien die Erfassung zuverlässiger Daten über den Stand einer Gärung.
Hohe Aktivität ergibt hohe Messwerte
Die Messwerte steigen zu Beginn stark an und mit abnehmender Substratkonzentration werden die Signale wieder schwächer. Insbesondere die amperometrische Messung wiederspigelt die Aktivität der Hefen in geeigneter Weise, während die potenziometrische Messung vor allem das elektrochemische Potenzial des Gärgemisches aufzeigt.
Das Messverfahren besticht durch seine Einfachheit und kann direkt im Fermenter integriert werden. Die detaillierten Ergebnisse der Studie können im «Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology» (2009) 36:1307–1314 nachgelesen werden.
*Der Autor ist Professor für Chemische Biotechnologie an der Fachhochschule HES-SO in Sion.