Chemostat-Bioreaktor

Zwei Chemostaten

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 Bakterien oder Phytoplankton.

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

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 Verweilzeit D[h^-1](Austauschzeit für das Reaktorvolumen) und der Biomasse Konzentration x. Die Produktionsrate erreicht ihr Maxium nahe der kritischen Durchflussrate D_krit. ab dieser der Reaktor ausgeschwämmt wird und bildet dort ein Maxium. Da die Konzentration der Biomasse im Reaktor konstant bleiben soll gilt µ(Wachstumsrate) =Dder Verweilzeit.

Es gilt für die maximale Produktionsrate:

$ d(D*x)/dD=0 $

Die maximale Produktive Verdünnungsrate des Chemostaten ist definiert durch:

$ D_{opt}=\mu _{max}\cdot {\biggl (}1-{\sqrt {{\frac {K_{s}}{K_{s}+S_{ein}}}\ }}{\biggr )} $

mit S_ein dem Konzentrationseintrag und K_s der Monod Konstante. D_opt liegt hierbei nahe der kritischen Durchflussrate D_krit.. ^[1]

Einzelnachweise

• Fachzeitschriften-Artikel Proc. N.A.S. 1950, 36, S. 708–719. doi:10.1073/pnas.36.12.708