Produktbildungskinetik

Bei biotechnologischen Fermentationen müssen sämtliche Arbeitsschritte unter sterilen Bedingungen ablaufen, um Fremdkontamination zu vermeiden.

Eine Sterilisation kann physikalisch oder chemisch erfolgen. Chemisch sterilisiert werden Einwegartikel aus Kunststoff mittels Formaldehyd oder Ethylenoxid. Physikalische Sterilisationen sind mit Mikrowellen, Beta- oder Gammastrahlung möglich, allerdings nur für entsprechend unempfindliche Materialien.

Eine weitere Möglichkeit besteht im Erhitzen auf über 100 Grad Celsius mit Trocken- oder Nassdampf. Trockener Dampf kann bei anorganischen Oberflächen eingesetzt werden, einschließlich einer höheren Temperatur von bis zu 200 Grad Celsius. Feuchte Hitze ist in der Regel besser, denn sie dringt in alle Ritzen und Fugen und wird unter einem Druck von 2 bis 3 bar durchgeführt. Eine gängige Methode ist Sattdampf bei 121 bzw. 135 Grad Celsius und 2 bzw. 3 bar Druck für 20 bzw. 15 Minuten.

Bei temperaturempfindlichen Stoffen bietet sich die Sterilfiltration an und es kommen hier Ultra- und Nanofiltration-Membranen zur Anwendung. Auch die in einen Bioreaktor zugeführte Luft für aerobe Mikroorganismen muß vor der Zuleitung durch einen Filter. Dasselbe gilt für die Abluft mit Kohlendioxid.

Bei einem diskontinuierlichen Ansatz kommen zunächst alle Komponenten, wie z. B. Substrat, Nährstoffe, Mineralien, in einem Batchreaktor, der dann anschließend für mindestens 20 Minuten bei 121 Grad Celsius und 2 bar mit feuchter Hitze steriliert wird. Danach wird steriles Wasser als fluides Medium hinzugegeben und zum Schluß das Inokulum, d.h. eine kleine Menge des Mikrorganismus, der vorher in einem separaten Gefäß kultiviert wurde. Nach einer lag-Phase kommt die exponentielle Phase, in der die Konzentration der Mikroorganismen bzw. Biomasse um Zehnerpotenzen ansteigt. Damit beginnt auch die Produktion eines bestimmten Produkts bei gleichzeitigem Verbrauch von Substrat.

Der zeitliche Verlauf von Biomasse- und Produktbildung verbunden mit Substratverbrauch ist allerdings unterschiedlich. So gibt es Produkte, die zellwachstum-abhängig gebildet werden und jene die nahezu unabhängig vom Zellwachstum gebildet werden. Trägt man die Biomasse- und Produktbildungsrate, einschließlich der Substratverbrauchsrate gegen die Zeit auf, ergeben sich 3 verschiedene Verläufe.

Es hängt davon ab, ob ein Produkt im Primärstoffwechsel (alle lebenswichtigen Prozesse), im Sekundärstoffwechsel (alle nicht lebensnotwendigen Prozesse) oder damit verbundenen Nebenwegen entsteht.
Wichtig ist:
Substrat wird für die Bildung von Biomasse, von Produkt und etwas zum Leben der Zellen benötigt.

Somit gibt es Typ I, bei dem Biomasse-, Produktbildungs- und Substratverbrauchsrate nahezu deckungsgleich liegen, d.h. so wie Biomasse neu entsteht, wird Substrat verbraucht und fast gleichzeitig Produkt gebildet. Dies bebachtet man bei Stoffen die aus dem Primärstoffwechsel kommen, wie z. B. Ethanol, Essigsäure, Butanol.

Bei Typ II ist die Biomassebildungsrate am Anfang hoch und parallel dazu der Substratverbrauch, während erst im zweiten Zeitabschnitt die Produktbildungsrate stark zunimmt, neben einem kleinen Anstieg der Biomassebildungsrate und einem mittleren Anstieg der Substratverbrauchsrate. Dies ist bei Aminosäuren der Fall, die in den Nebenwegen des Primärstoffwechsels gebildet werden.

Im Fall von Typ III verlaufen die Biomassebildungsrate und die Substratverbrauchsrate zunächst parallel und gehen dann stark zurück, wobei dann, zeitlich verschoben, ein kräftiger Anstieg der Produktbildungsrate erfolgt. Das Produkt kommt erst später, zeitlich betrachtet, d.h. eine zu frühe Ernte ist nachteilig in Bezug auf die Produktausbeute. Dies wird bei der biotechnologischen Produktion von Vitaminen und Antibiotika beobachtet.

Fazit:
nicht alle biotechnologischen Produkte entstehen sofort während der Bildung von Biomasse, d.h. Zellvermehrung. Es handelt sich dabei nicht um zeitliche Unterschiede in Minute, sondern in Stunden.

Biotechnologie für Chemiker