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Biotechnologie für Chemiker, Teil 3

Wachstum von Zellkulturen, Fermentermodi

Nachdem die Entscheidung für einen Mikroorganismus gefallen ist, der biochemische Pfad mit seinen Möglichkeiten der Beeinflussung und auch der Einfluß der Genregulation auf die Protein-Biosynthese geklärt ist, kann man sich dem Kultivieren von Mikroorganismen widmen.

Zunächst wird ermittelt, wie schnell sich die Zellen vermehren, d.h. in welcher Zeitspanne eine neue Generation entsteht (exponentieller Zusammenhang). Es geht hierbei um die spezifische Wachstumsrate und der jeweiligen Affinitätskonstante in der Monod-Gleichung. So wie die Aufnahmerate einer Zelle für Glucose limitiert ist, gilt dies auch für die Proteine bzw. Enzyme und deren Wechselzahl (umgesetzte Moleküle pro Minute). Des weiteren ist damit auch die Wachstumsrate eines jeden Mikroorganismus‘ begrenzt. Bei der Dauer von biotechnologischen Verfahren wird generell mit Stunden oder auch Tagen gerechnet, denn die biologischen Systeme sind deutlich langsamer, als entsprechende chemisch-technische Verfahren, dafür aber viel spezifischer, was chirale Moleküle anbetrifft.

Da vieles von den Enzymen bzw. Proteinen abhängt, entsprechen deren Wohlfühl-Faktoren auch jenen des jeweiligen Mikroorganismus‘. Folgende Kriterien spielen eine Rolle: Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt (osmotischer Druck!), Nährstoffkonzentration, Anwesenheit von Hemmstoffen, Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlendioxid-Konzentration bzw. Partialdruck. Als Medium dienen ausschließlich wässrige Systeme, die auf einen bestimmten pH-Wert eingestellt werden und auch besondere Nährstoffe beinhalten.

Nun kommt noch ein Punkt, der in der Biotechnologie sehr wichtig ist. Da Mikroorganismen auf allen möglichen Oberflächen vorkommen können ist das Arbeiten ohne sterile Apparaturen und alldem, was mit den jeweiligen zu verwendenden Komponenten in Betracht kommt, sterilisiert zu haben, nicht möglich. Der Einfluß anderer anwesender konkurrierender Mikroorganismen kann sich im Verbrauch an Substrat, in der Wachstumsrate, in der Bildung von Hemmstoffen oder auch in der Umwandlung des Produkts in ein anderes, niederschlagen.
Alles was nicht wärme-empfindlich ist, wird in der Regel bei 121 °C und 2 bar Wasserdampfdruck über mind. 20 Minuten sterilisiert. Ansonsten gibt es noch die Möglichkeit der Sterilfiltration mittels Ultra- und Nanofiltrations-Membranen (z. B. für Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr).

Der häufigste Bioreaktor bzw. Fermenter mit recht einfacher Bedienung ist der diskontinuierlich arbeitende Rührkesselreaktor, der zum Homogenisieren ein Rührwerk mit speziellen Rührern beinhaltet. Je nachdem, ob axiale, radiale oder tangentiale Strömung, oft auch kombiniert, benötigt wird, kommt ein bestimmter Rührertyp zum Einsatz, wie z. B. der Propeller-, der Scheiben- oder der Ankerrührer. Die Viskosität der Fermenterbrühe bestimmt den Rührertyp.
Natürlich gibt es auch noch Zuführungen für Luft und ein Gasableitungsrohr für Kohlendioxid. Hinzu kommt die Möglichkeit der Kühlung, da auch hier exotherme Reaktionen ablaufen, die eine Temperaturkontrolle und –regelung erforderlich machen. Dasselbe gilt für die Kontrolle und Regelung des pH-Werts. Mit einer Clarkelektrode kann man amperometrisch den Sauerstoffgehalt in der wässrigen Phase bestimmen, was für aerobe Prozesse sehr wichtig ist, denn da zählt die OTR = Oxygen Transfer Rate. Letzterer Wert ist sehr wichtig für das Wohlergehen der aeroben Mikroorganismen, da sonst innerhalb von Sekunden Sauerstoffarmut herrschen kann, mit all seinen Folgen. Die Mess-, Steuer- und Regeltechnik, abgekürzt oft mit MSR, spielt hier eine große Rolle, um den kompletten Ablauf unter Kontrolle zu haben und um eine große Raum-Zeit-Ausbeute zu erzielen.

Andere Bioreaktoren werden semikontinuierlich oder auch kontinuierlich betrieben. Der Fed Batch Reaktor ermöglicht den Einsatz von Mikrorganismen, die eine Substrathemmung aufweisen, d.h. die Substratkonzentration kann so unter einem bestimmten Grenzwert gehalten werden, damit nicht andere biochemische Prozesse ablaufen. Beim Crabtree-Effekt wird Glucose vom aeroben Mikrorganismus nicht mehr über den Zitronensäurezyklus verstoffwechselt, sondern über das Glykolyseprodukt Pyruvat direkt zu Ethanol umgewandelt. Letzeres ist auch der Fall, wenn Sauerstoffmangel auftritt, dann hat man mit dem Pasteureffekt zu tun. Hintergrund ist die schnellere Umwandlung von Pyruvat in Ethanol im vergleich zu all den chemischen Umwandlungsschritten im Zirtonensäurezyklus.

Kontinuierlich laufende Fermenter werden mit CSTR abgekürzt (englisch: continuosly stirred tank reactor) und eignen sich für die Herstellung großer Produktmengen. CSTR sind vorteilhaft, wenn Produkthemmung vorliegt, denn durch den ständigen Ablaufstrom bleibt die Produktkonzentration unter einem kritischen Wert. Solche Anlagen werden über mehrere Tage, ja auch Wochen betrieben, sind aber komplizierter in der Steueung und Regelung, als ein Rührkesselreaktor. Des weiteren können biologische Systeme nach einer gewissen Zeitspanne umkippen, auf Grund von Kontamination von außen. Solche technischen Systeme längere Zeit steril zu fahren ist nicht einfach zu bewerkstelligen.

Biotechnologie für Chemiker

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