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Chemostat Bioreaktor Die Chemostat Kultur ist eine verbreitete Methode der Kultur von Mikroorganismen Im Gegensatz zur B

Chemostat-Bioreaktor

Die Chemostat-Kultur ist eine verbreitete Methode der Kultur von Mikroorganismen. Im Gegensatz zur Batch-Kultur (statische Kultur) ist sie eine Form der kontinuierlichen Kultur von zum Beispiel Bakterien oder Phytoplankton.

Zwei Chemostaten

Ein Chemostat ist ein Kulturgefäß, in das kontinuierlich und mit konstanter Rate (Flussrate) Nährmedium zugeführt wird. Im gleichen Maße wie frisches Nährmedium zugeführt wird, wird verbrauchtes Medium inklusive der darin suspendierten Organismen über einen Überlauf entfernt. Dies simuliert die Mortalitätsrate natürlicher Populationen. Ist die Durchflussrate im Chemostaten kleiner als die maximale Wachstumsrate der kultivierten Organismen, so stellt sich ein Fließgleichgewicht (steady-state) ein, bei dem die Bruttowachstumsrate der Verlustrate entspricht. Die Anzahl Organismen pro Volumen bleibt somit konstant, und ist, sollten doch einmal Schwankungen auftreten, selbstregulierend. Sinkt die Populationsdichte, werden weniger Nährstoffe verbraucht, das heißt, die Nährstoffkonzentration steigt. Daraus folgt wiederum ein Anstieg der Individuenzahl, der wiederum eine Verringerung der Nährstoffmenge pro Volumen nach sich zieht usw.

Mittels der Chemostatkultur können Parameter der Populationsentwicklung modellhaft untersucht werden.

Bestimmung der optimalen Verdünnungsrate Bearbeiten

Um die optimale Verdünnungsrate bestimmen zu können, müssen die Parameter so bestimmt werden, dass die Produktionsrate maximiert wird. Die Produktionsrate ist das Produkt aus der inversen Verweilzeit oder Verdünnungsrate(Dilutionsrate) D [h−1](nominelle Austauschfrequenz für das Reaktorvolumen, Quotient aus Volumenzu-/abfluss und flüssigem Reaktorvolumen) und der Biomassekonzentration x [typisch gBiomasse L−1]. Da die Konzentration der Biomasse im Reaktor konstant bleiben soll, gilt für die Wachstumsrate: µ =D.

Es gilt für die maximale Produktionsrate:

Die Produktionsrate erreicht ihr theoretisches Maximum nahe der kritischen Dilutionsrate Dkrit. ab der die Wachstumsrate kleiner ist als die Verdünnungsrate und daher die Biomasse im Reaktor abnimmt. Die maximale produktive Verdünnungsrate des Chemostaten ist für exponentielles Wachstum gegeben durch:

mit Sein der Substratkonzentration im Einlass und Ks der Monod-Konstante. Dopt liegt hierbei nahe der kritischen Verdünnungsrate Dkrit.. Da ab dieser die Biomasse schneller ausgespült wird, als sie gebildet wird, wird ein Chemostat typischerweise nicht an diesem potentiell instabilen Betriebspunkt betrieben.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Horst Chmiel, 2006, Bioprozesstechnik 2. Auflage, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, ISBN 3-8274-1607-8
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Die Chemostat Kultur ist eine verbreitete Methode der Kultur von Mikroorganismen Im Gegensatz zur Batch Kultur statische Kultur ist sie eine Form der kontinuierlichen Kultur von zum Beispiel Bakterien oder Phytoplankton Zwei ChemostatenEin Chemostat ist ein Kulturgefass in das kontinuierlich und mit konstanter Rate Flussrate Nahrmedium zugefuhrt wird Im gleichen Masse wie frisches Nahrmedium zugefuhrt wird wird verbrauchtes Medium inklusive der darin suspendierten Organismen uber einen Uberlauf entfernt Dies simuliert die Mortalitatsrate naturlicher Populationen Ist die Durchflussrate im Chemostaten kleiner als die maximale Wachstumsrate der kultivierten Organismen so stellt sich ein Fliessgleichgewicht steady state ein bei dem die Bruttowachstumsrate der Verlustrate entspricht Die Anzahl Organismen pro Volumen bleibt somit konstant und ist sollten doch einmal Schwankungen auftreten selbstregulierend Sinkt die Populationsdichte werden weniger Nahrstoffe verbraucht das heisst die Nahrstoffkonzentration steigt Daraus folgt wiederum ein Anstieg der Individuenzahl der wiederum eine Verringerung der Nahrstoffmenge pro Volumen nach sich zieht usw Mittels der Chemostatkultur konnen Parameter der Populationsentwicklung modellhaft untersucht werden Bestimmung der optimalen Verdunnungsrate BearbeitenUm die optimale Verdunnungsrate bestimmen zu konnen mussen die Parameter so bestimmt werden dass die Produktionsrate maximiert wird Die Produktionsrate ist das Produkt aus der inversen Verweilzeit oder Verdunnungsrate Dilutionsrate D h 1 nominelle Austauschfrequenz fur das Reaktorvolumen Quotient aus Volumenzu abfluss und flussigem Reaktorvolumen und der Biomassekonzentration x typisch gBiomasse L 1 Da die Konzentration der Biomasse im Reaktor konstant bleiben soll gilt fur die Wachstumsrate µ D Es gilt fur die maximale Produktionsrate d D x d D 0 displaystyle d Dx dD 0 nbsp Die Produktionsrate erreicht ihr theoretisches Maximum nahe der kritischen Dilutionsrate Dkrit ab der die Wachstumsrate kleiner ist als die Verdunnungsrate und daher die Biomasse im Reaktor abnimmt Die maximale produktive Verdunnungsrate des Chemostaten ist fur exponentielles Wachstum gegeben durch D o p t m m a x 1 S e i n K s S e i n displaystyle D opt mu max biggl 1 sqrt frac S ein K s S ein biggr nbsp mit Sein der Substratkonzentration im Einlass und Ks der Monod Konstante Dopt liegt hierbei nahe der kritischen Verdunnungsrate Dkrit 1 Da ab dieser die Biomasse schneller ausgespult wird als sie gebildet wird wird ein Chemostat typischerweise nicht an diesem potentiell instabilen Betriebspunkt betrieben Einzelnachweise BearbeitenFachzeitschriften Artikel Proc N A S 1950 36 S 708 719 doi 10 1073 pnas 36 12 708 Horst Chmiel 2006 Bioprozesstechnik 2 Auflage Elsevier Spektrum Akademischer Verlag ISBN 3 8274 1607 8 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Chemostat Bioreaktor amp oldid 226406191