Lexikon der Biologie: kontinuierliche Kultur
kontinuierliche Kultur, Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen in Submerskultur (Fermenter). Der Kultur wird mit konstanter Fließrate (F = Liter pro Stunde) frische Nährlösung zugeführt. Mit gleicher Rate wird die homogen durchmischte Kulturflüssigkeit samt Mikroorganismen abgeführt, so daß das Kulturvolumen im Fermenter konstant bleibt ( vgl. Abb. ). Wird die Konzentration an Biomasse durch die Substratkonzentration im Zulauf limitiert, so spricht man von einem Chemostaten. Im Chemostaten regelt die Durchflußrate oder Verdünnungsrate (D = Fließrate pro Volumen [h–1]) die Wachstumsrate (μ [h–1]) der Mikroorganismen (mikrobielles Wachstum). Im typischen Fall wird die Wachstumsrate identisch mit der Durchflußrate, und es stellt sich ein Fließgleichgewicht (dynamisches Gleichgewicht) ein, in dem sämtliche Syntheseleistungen und Umsätze mit konstanter Rate ablaufen. Entsprechend bleiben im Gleichgewicht die Spiegel sämtlicher am Stoffwechsel beteiligter Verbindungen sowie sämtlicher Stoffwechselprodukte, einschließlich der Biomasse, in einem quasistationären Zustand. Die gesamte Population der Organismen kann somit in Abhängigkeit von den jeweiligen Kulturbedingungen in definierten physiologischen Zuständen festgehalten werden. Das Chemostatensystem gerät an seine Grenzen, wenn sich die Durchflußrate der maximalen Wachstumsrate (μmax [h–1]) der Organismen nähert. Bevor nämlich μmax erreicht wird, werden die Organismen aus der Kulturflüssigkeit ausgewaschen. Die Durchflußrate, bei der Auswaschen einsetzt, wird als kritische Durchflußrate bezeichnet. Dieser Auswascheffekt beruht im wesentlichen darauf, daß Aufnahmesysteme der Organismen in ihrer maximalen Aktivität festgelegt sind und daß das limitierende Substrat, wenn es relativ zu rasch durch die Kultur geführt wird, nicht mehr in hinreichenden Mengen in die Zellen hinein transportiert werden kann, um das Fließgleichgewicht aufrechtzuerhalten. In der zweiten Form der kontinuierlichen Kultur, dem Turbidostaten ( vgl. Abb. ), wird der Substratzulauf über die Dichte der Kultur geregelt. Entsprechend kann hier der Auswascheffekt nicht auftreten, und der Turbidostat läßt sich für die Anzucht der Organismen bei hohen Wachstumsraten einsetzen. Theoretisch können kontinuierliche Kulturen zeitlich unbegrenzt lange gehalten werden. In der Praxis bestehen jedoch Gefahren, wie die Kontamination mit Fremdkeimen oder das Auftreten von Mutanten, die den länger andauernden Einsatz von kontinuierlichen Kulturverfahren besonders in der Biotechnologie einschränken.
J.O.
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kontinuierliche Kultur
Im Chemostaten wird dem Kultursystem frische Nährlösung, welches das wachstumslimitierende Substrat enthält, mit konstanter Durchflußrate hinzugefügt. Da gleichzeitig ein entsprechendes Volumen an Kultur abgeführt wird, stellt sich ein Fließgleichgewicht ein, in dem die Wachstumsrate identisch mit der Durchflußrate ist. Entsprechend befinden sich sämtliche Stoffwechselleistungen in Abhängigkeit von der Versorgung mit dem limitierenden Substrat in einem quasistationären Zustand. Bei zu hohen Durchflußraten (nahe der maximalen Wachstumsrate) werden die Zellen jedoch aus dem Kultursystem ausgewaschen. Im Turbidostaten wird die Dichte der Mikroorganismensuspension konstant gehalten. Dies geschieht mit Hilfe der optische Trübungsmessung in Verbindung mit einer Regeleinheit, über die der Zufluß an frischer Nährlösung gesteuert wird. Im Gegensatz zum Chemostatenbetrieb enthält das dem Turbidostaten zugeführte Nährmedium die Nährstoffe im Überschuß, so daß Wachstum mit maximaler Rate möglich ist. Auch die Gefahr des Auswaschens der Organismen besteht im Turbidostaten nicht, denn die Regelung dient der Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Kulturdichte.
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