Prof. Th. Scheper Institut für Technische Chemie Bioprozesstechnik ...

Einführung in die Biotechnologie - 20 - Scheper, TCI Hannover
Bioreaktoren bezeichnet. Ein Bioreaktor ist demzufolge ein Gefäß, in dem unter Beachtung
des jeweiligen Zieles optimale Bedingungen für die Biokomponente hergestellt werden, sowie
das Eindringen unerwünschter Kontaminanten unterbunden wird. Eine Ausnahme bilden viele
in der Umweltbiotechnologie eingesetzte Bioreaktoren, wobei der Eintrag von
Fremdorganismen vielfach sogar erwünscht ist. Die angestrebten optimalen Bedingungen
umfassen sowohl physikalische als auch chemische Komponenten:
physikalische Komponenten:
- Je nach Herkunft der zu kultivierenden Organismen liegt das Wachtumsoptimum bei
unterschiedlichen Temperaturen. So sind z. B. Arten, die den menschlichen Organismus
besiedeln wie beispielsweise Escherichia coli auf 37°C optimiert, während marine
Mikroorganismen bei Temperaturen um 4°C am besten wachsen.
- Wasser als universelles biologisches Lösungsmittel und Reaktionssubstrat spielt eine
eminent wichtige Rolle bei allen Lebensvorgängen. Das verfügbare Wasser wird durch die
Wasseraktivität A w bestimmt, die der relativen Feuchtigkeit äquivalent ist und definiert ist
als:
A
W
=
P
P
S
W
P s = Dampfdruck des Wassers über dem Wachstumssubstrat
P w = Dampfdruck des reines Wassers
Die meisten Bakterien wachsen nur bei A w -Werten nahe 1, während viele Pilze gegenüber
Trockenheit widerstandsfähiger (xerotoleranter) sind und bis hin zu A w -Werten um 0,6 noch
zu wachsen vermögen. Diesen Umstand macht man sich bei der Konservierung von
Lebensmitteln zunutze, indem diese einfach getrocknet (Haferflocken, Zwieback u. a.), oder
durch Zucker- oder Salzzusatz „trocken“ gemacht werden (beispielsweise Marmeladen,
Konfitüren).
- Der pH-Wert, definiert als der negative dekadische Logarithmus der H 3 O + -Ionenkonzentration,
ist ebenfalls eine wichtige Größe bei Kultivierungen von Mikroorganismen.
Die Pilze sind meist wesentlich säuretoleranter als die Bakterien; so wird z. B.
Saccharomyces cerevisiae bei pH-Werten um 5, Escherichia coli bei pH-Werten um 7
kultiviert.
- Je nach Mischungstechnik können unterschiedlich starke Scherkräfte auftreten, die sich u.
U. nachteilig auf das mikrobielle Wachstum auswirken können. So kann beispielsweise
Claviceps purpurea nur schlecht in gerührten Reaktoren kultiviert werden, da das Myzel
sehr scherstreßempfindlich ist.
chemische Komponenten:
- Ist die Gewinnung von Biomasse Ziel des biotechnologischen Kultivierungsprozesses, so
sollte das Medium alle Bestandteile in verwertbarer Form enthalten, die für das Wachstum
der Mikroorganismen notwendig sind. Aufgrund von Elementaranalysen lassen sich
folgende Elemente meist in recht hohen Konzentrationen in den Mikroorganismen
nachweisen: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe. Sie werden daher als Makronährelemente
bezeichnet. Eisen wurde verschiedentlich auch schon in so geringen Mengen nachgewiesen,
daß es bei bestimmten Mikroorganismen auch den Charakter eines Mikronährelementes
(Spurenelementes) hat. Letztere werden häufig für Enzyme oder Coenzyme benötigt. Sie
kommen daher in der Regel nicht in allen, sondern nur in den diese Enzyme synthetisierenden
Organismen vor. So benötigen beispielsweise N 2 -fixierende Arten, also solche,
die den molekularen Stickstoff in organische Verbindungen überführen können, Molybdän