Das INFORS Kochbuch: Grundwissen, Rezepte und Strategien für mikrobielle Prozesse

Generell teilen sich die Zellen mit maximal möglicher Geschwindigkeit und damit wächst
die Biomasse. Nun werden die Nährstoffe mit maximaler Rate aufgenommen und verstoffwechselt,
was im Fall eines aeroben Bioprozesses zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf
und einem erhöhten Ausstoss an Kohlenstoffdioxid führt. Kurz gesagt, die Nährstoffe
werden aufgebraucht. Während dieses Prozesses produzieren die Bakterien auch
Nebenprodukte wie z.B. organische Säuren oder überschüssige Wärme. Für diese muss
mit dem breiten Instrumentarium des Bioreaktors Abhilfe geschafft werden, damit das
Zellwachstum davon nicht beeinträchtigt wird. In der Log-Phase steigt durch die zunehmende
Menge an Biomasse der Gehalt an freien Proteinen im Medium das Risiko der
Schaumbildung.
log (Lebendzellzahl)
Lag-Phase
Log-Phase
Zeit
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Log-Phase
Die nun gut angepassten Zellen teilen sich mit höchstmöglicher
Geschwindigkeit, da sie alle nötigen Nährstoffe
vorfinden. Aus diesem Grund nimmt die Zahl lebender Zellen
rapide zu und man nennt dieses Phase auch exponentielle
oder Log-Phase.
Das exponentielle Wachstum kann leider nicht ewig dauern. Nährstoffe erschöpfen sich,
Bestandteile schon toter Zellen sammeln sich an, kurzum im Bioreaktor sieht es immer
mehr aus wie bei Hempels unterm Sofa.
Es wird immer ungemütlicher im Bioreaktor und so nimmt die Wachstumsrate in der sich
anschliessenden stationären Phase weiter ab. Jedoch halten sich in dieser Phase die Vermehrung
und das Absterben der Mikroorganismen gerade noch in Waage.
Am Ende des Bioprozesses, in der sogenannten Absterbephase, fällt die Wachstumsrate
soweit ab, dass mehr Mikroorganismen absterben als durch Teilungsprozesse hinzukommen,
netto also ein Verlust an Mikroorganismen zu beklagen ist. Je nach Prozessführung
kommt es also im Bioprozess zu einem «natürlichen Ende» oder dem gezielten Abbruch
des Bioprozesses durch den Nutzer.
log (Lebendzellzahl)
Lag-Phase
Log-Phase
Absterbe-Phase
Abbildung 4: Schematische Darstellung der
Absterbe-Phase
Wenn der Bioprozess bis in die Absterbe-Phase fortschreiten
darf, so ist diese Phase von einer abnehmenden Zahl lebender
Mikroorganismen durch zu wenig verfügbare Nährstoffe und
die Ansammlung schädlicher Nebenprodukte gekennzeichnet.
Da mehr Mikroorganismen absterben als durch Teilung hinzukommen,
nimmt die Zahl lebender Organismen ab.
Dies hängt auch davon ab, wie lange ein solcher Prozess wirtschaftlich sinnvoll zu betreiben
ist. Würde der Bioprozess nicht aktiv beendet, so setzt ein allmähliches Absterben
der Zellen ein, weil schlichtweg die Nahrung aufgebraucht ist und die toxische Wirkung
sich akkumulierender Stoffwechselprodukte ihr Übriges tut.
Zeit
2.3 Was geschieht nach dem Bioprozess?
Nach der Beendigung des Bioprozesses erfolgt im Regelfall die Ernte und Aufarbeitung
der gewünschten Produkte, was auch als Downstream-Processing bezeichnet wird. Je
nach Prozess und dem angestrebten Endprodukt kann sich daher stark unterscheiden,
welche Fraktion nach einem Bioprozess behalten und weiter verarbeitet wird.
log (Lebendzellzahl)
Lag-Phase
Log-Phase
Abbildung 3: Schematische Darstellung der
stationären Phase
Durch sich erschöpfende Nährstoffe und die Ansammlung
schädlicher Abbauprodukte nimmt die Teilungsrate der
Mikroorganismen soweit ab, dass die Zahl absterbender
Organismen zur Anzahl durch Teilung hinzukommender
Organismen etwa gleich ist. Daher nennt man diese Phase
auch stationäre Phase.
Zeit
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