Language
Country/Area
No result found
Entdeckung hemmender Effekte in Fed-Batch-Kulturen: Warum wachsen Ihre Mikroben nicht
Mit der Weiterentwicklung der Biotechnologie ist die Fütterungs-Batch-Kulturtechnologie nach und nach zu einem Schlüsselvorgang in wichtigen Produktionsprozessen geworden. Diese Technologie kann nicht nur das Wachstum von Mikroorganismen und die Produktion von Metaboliten effektiv verbessern, sondern Wissenschaftlern auch dabei helfen, viele Herausforderungen zu lösen, mit denen traditionelle Kulturmethoden konfrontiert sind. Angesichts der hemmenden Wirkung verschiedener Mikroorganismen während der Kultivierung sind Forscher jedoch immer noch verwirrt darüber, warum manche Mikroorganismen unter bestimmten Bedingungen nicht wachsen.
Fed-Batch-Kultur ist eine Betriebstechnologie, die während des Kulturprozesses kontinuierlich einen oder mehrere Nährstoffe (Substrate) liefert und es dem Produkt ermöglicht, bis zum Ende des Laufs im Bioreaktor zu bleiben.
Der Vorteil der Fütterungs-Batch-Kulturtechnologie besteht darin, dass sie die Konzentration der Substrate in der Kulturlösung flexibel steuern und so das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen beeinflussen kann. Es gibt Situationen, in denen diese Technik der herkömmlichen Batch-Kultur überlegen ist, insbesondere wenn Nährstoffkonzentrationen die Ausbeute der gewünschten Metaboliten oder die Produktionseffizienz beeinflussen. Allerdings stößt diese scheinbar ideale Technologie in praktischen Anwendungen häufig auf Herausforderungen hinsichtlich der Unterdrückungseffekte.
Arten hemmender Wirkungen
Während des Feed-Batch-Kulturprozesses treten hauptsächlich die folgenden typischen Hemmeffekte auf:
Substrathemmung
Bestimmte Nährstoffe wie Methanol, Ethanol, Essigsäure und aromatische Verbindungen hemmen das mikrobielle Wachstum bereits in relativ geringen Konzentrationen. Durch entsprechende Zugabe solcher Substrate kann die Verzögerungszeit verkürzt und die Hemmung des Zellwachstums deutlich verringert werden.
Hohe Zelldichte
Um in der Batch-Kultur sehr hohe Zellkonzentrationen zu erreichen, ist es oft notwendig, dem Kulturmedium hohe Anfangskonzentrationen an Nährstoffen zuzusetzen. Bei so hohen Konzentrationen wirken die Nährstoffe jedoch hemmend. Dies muss durch die Fütterungstechnik angepasst werden.
Im Produktionsprozess von Bäckerhefe wird Ethanol produziert, selbst wenn ausreichend gelöster Sauerstoff vorhanden ist, wenn in der Kulturlösung zu viel Zucker vorhanden ist, was zu einer geringen Zellausbeute führt.
Crabbutt-Effekt
Hohe Zuckerkonzentrationen können zur Bildung von Ethanol führen, was nicht nur das Wachstum beeinträchtigt, sondern auch schädliche Nebenprodukte produziert. Daher wird bei der Herstellung von Bäckerhefe im Allgemeinen ein Fed-Batch-Verfahren eingesetzt, um diesen Effekt zu reduzieren.
Metabolitenhemmung
Wenn Mikroorganismen bei hohen Zuckerkonzentrationen aerob kultiviert werden, entstehen organische Säuren wie Milchsäure und Essigsäure als Nebenprodukte, und diese organischen Säuren können das Zellwachstum hemmen und ihre Stoffwechselaktivitäten beeinträchtigen.
Gasunterdrückung
Bei manchen Kulturprozessen, wie beispielsweise der Herstellung von Penicillin, muss der Sauerstoffbedarf der Mikroorganismen in bestimmten Grenzen gehalten werden. Sobald zu viel Sauerstoff zugeführt wird, wird die Bildung bestimmter Stoffwechselstoffe gehemmt und die Ausbeute des Endprodukts beeinträchtigt.
Wachstumskontrollstrategien von Mikroorganismen
Gleichzeitig werden aufgrund der kontrollierbaren Natur der Fütterung von Batch-Kulturen viele Strategien eingesetzt, um das Wachstum von Mikroorganismen zu kontrollieren. Beispielsweise wird in der Kultur mit hoher Dichte die Wachstumsrate durch kontinuierliche Zufuhr von nährstofflimitierenden Substraten aufrechterhalten; bei stabiler Futterversorgung wird die Zufuhrrate entsprechend der Wachstumssituation angepasst, wodurch die Emission von Nebenmetaboliten vermieden wird; bei der Steuerung der Enzymsynthese, indem es die Substratzufuhr begrenzt, hemmende Wirkungen lindert und die Synthese gewünschter Substanzen fördert.
Die Konzentration einer bestimmten Verbindung auf einem Minimum zu halten und gleichzeitig eine kontinuierliche Genexpression zu ermöglichen, ist eine der wichtigen Anwendungen der Fütterung von Batch-Kulturen.
Schlussfolgerung
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie wird der Fütterungs-Batch-Kulturtechnologie immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Forscher müssen dringend die hemmenden Wirkungen, denen verschiedene Mikroorganismen während des Kultivierungsprozesses ausgesetzt sind, weiter untersuchen und untersuchen, wie diese Herausforderungen durch verschiedene Kultivierungsstrategien bewältigt werden können. Wie können wir angesichts verschiedener potenzieller Einflussfaktoren unsere mikrobiellen Kulturstrategien anpassen, um mit diesen ungünstigen Wachstumsumgebungen umzugehen?
