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Batch – unbeschränktes Wachstum und kinetische Limitation 1. Eine Verdopplung der Anfangssubstratkonzentration s0 in Batchkultur mit Glucose als der einzigen Energiequelle bewirkt: eine Verdopplung der Zeit, nach der die maximale Biomassekonzentration erreicht ist eine Verdopplung der gebildeten Biomasse eine Erhöhung der maximalen spezifischen Wachstumsrate µmax eine Verkürzung der Verdopplungszeit td 2. Die maximale spezifische Wachstumsrate µmax erreicht einen Wert von 1 h-1, wenn: sich die Anzahl der Zellen innerhalb von ca. 41 Minuten verdoppelt wenn die Verdopplungszeit td 20 Minuten beträgt wenn die Anzahl der Zellen innerhalb von 9 Stunden und 15 Minuten von 104 auf 108 ansteigt wenn die Anzahl der Zellen innerhalb von 1 Stunde von 104 auf 2·104 ansteigt 3. Eine Erhöhung der maximalen spezifischen Wachstumsrate in Batchkultur führt zu: höherer Endkonzentration an Biomasse höherer Ausbeute grösseren Veränderungen der Biomassekonzentration mit der Zeit einer Verlängerung der exponentiellen Phase einer höheren spezifischen Substratverbrauchsrate 4. In einer Batchkultur wurden 2 g L-1 Glucose vorgelegt, welche nach 4.5 Stunden verbraucht waren. Die Biomassekonzentration hat sich innerhalb dieser Zeit von 0.1 auf 1 g L-1 erhöht. Welche der folgenden Aussagen sind richtig? der Ausbeutekoeffizient beträgt 0.5 g g-1 der Ausbeutekoeffizient beträgt 1.125 g (g C)-1 es wurden 1 g L-1 Biomasse mit einer spezifischen Wachstumsrate von ca. 0.5 h-1 gebildet die Verdopplungszeit beträgt ca. 1 Stunde und 20 Minuten 5. Aus dem Zeitverlauf der Biomassekonzentration x(t) können folgende Werte ermittelt werden: die Biomassekonzentration im Inoukulum die Anfangssubstratkonzentration s0 die Anfangsbiomassekonzentration x0 die maximalee spezifische Wachstumsrate µmax die Verdopplungszeit td 6. Die Zeit, nach welcher 10 kg Biomasse aus einem Batchreaktor abgeerntet werden kann, verkürzt sich um den Faktor zwei, wenn: die Anfangskonzentration des Substrats verdoppelt wird die Inokulumkonzentration x0 verdoppelt wird das Arbeitsvolumen verdoppelt wird ein anderes Substrat verwendet wird, mit welchem die Zellen zweimal schneller wachsen 7. Die spezifische Wachstumsrate µ: ist unabhängig von der aktuellen Biomassekonzentration und dient daher auch zum Vergleich von Batchversuchen mit unterschiedlichen Anfangswerten x0 und s0 gibt die Veränderung der Biomassekonzentration pro Zeit an verändert sich in ihrem numerischen Wert im Verlauf des Batchwachstums erreicht in der Phase unbeschränkten Wachstums einen konstanten, maximalen Wert 8. Wenn Ihnen nur der Zeitverlauf der Substratkonzentration s(t) zur Verfügung steht, können folgende Werte ermittelt werden: die Inokulummenge die Anfangssubstratkonzentration s0 die maximale spezifische Wachstumsrate µmax die Verdopplungszeit td 9. Die Angaben zur Simulation der Zeitverläufe der Biomasse- und Substratkonzentration [d. h. x(t) und s(t)] in Batchkultur werden wie folgt gewonnen: die Anfangskonzentrationen s0 und x0 werden beim Zeitpunkt des Animpfens aus s(t) und x(t) abgelesen der Ks-Wert wird als Restsubstratkonzentration bei 0.25 µmax abgelesen der µmax-Wert wird mit linearer Regression aus der Steigung der logarithmischen Darstellung des Biomassekonzentrationensverlaufs ermittelt der µmax-Wert wird mit linearer Regression aus der Steigung der logarithmischen Darstellung des OD-Verlaufs ermittelt der Ausbeutekoeffizient Yx/s wird aus der Biomassekonzentration in der stationären Phase und der Anfangssubstratskonzentration berechnet der Ausbeutekoeffizient Yx/s entspricht der Menge Biomasse in Gramm, die pro Gramm verbrauchtes Substrat gebildet wurde 10. Eine Exponentialfunktion beschreibt den Biomassekonzentrationsverlauf in Batchkultur: in der Phase des unbeschränkten Wachstums in der Phase der kinetischen Limitation wenn die Substratkonzentration im Vergleich zu Ks sehr klein ist wenn sich die Zellen mit einer konstanten spezifischen Wachstumsrate vermehren in der stationären Wachstumshase wenn die Substratkonzentration im Vergleich zu der Affinitätskonstante sehr hoch ist 11. Das Wachstum erfolgt mit einer spezifischen Wachstumsrate, die kleiner als 0.5 h-1 ist, wenn: die Substratkonzentration > 5 g L-1 ist, Ks 0.4 mg L-1 beträgt und µmax bei 0.9 h-1 liegt die Substratkonzentration < 0.5 mg L-1 ist, Ks 0.4 mg L-1 beträgt und µmax bei 0.9 h-1 liegt sich die Zellzahl innerhalb von mehr als 4.5 Stunden verdoppelt hat die Substratkonzentration > 1 mg L-1 ist, Ks 0.4 mg L-1 beträgt und µmax bei 0.9 h-1 liegt µmax des Mikroorganismus < 0.5 h-1 ist 12. Die Wachstumsrate rx (auch Produktivität genannt) gibt die Menge gebildeter Biomasse in Gramm pro Liter und Stunde an. Im Verlauf eines Batchprozesses erhöht sich der numerische Wert von rx, wenn: bei gleich bleibenden µmax und Ks eine höhere Biomassendkonzentration erreicht wird bei gleich bleibenden µmax und Ks ein zweites Mal Substrat zugegeben wird eine Mutante mit höherem Ks selektiert wird eine Mutante mit höherem µmax selektiert wird 13. Eine kinetische Limitation des Batchwachstums tritt auf, wenn: der Ks-Wert gleich oder grösser als die aktuelle Substratkonzentration ist die logarithmische Darstellung des Biomassekonzentrationsverlaufs einer Geraden entspricht sich die Zellen mit einer spezifischen Wachstumsrate, die µmax entspricht vermehren sich die Zellen innerhalb einer Zeit verdoppeln, die > td, max ist 6 In einem Badegewässer liegt die Substratkonzentration bei 20 µg L-1. Ein pathogenes Bakterium mit einem Ks von 0.6 mg L-1 vermehrt sich dort: mit seiner maximalen spezifischen Wachstumsrate mit einer Wachstumsrate, die ca. 3% von µmax beträgt überhaupt nicht ca. 30 Mal langsamer als in einer Batchkultur mit Labor-üblicher Anfangssubstratkonzentration von mehreren g L-1 Im Abwasser einer Chemiefabrik sind 1 g L-1 Phenol enthalten. Ein Phenolabbauendes Bakterium mit µmax = 0.2 h-1 und Ks = 1 mg L-1 wächst in diesem Abwasser: überhaupt nicht mit td = 3.5 h mit einer Verdopplungszeit von 40 min mit einer spezifischen Wachstumsrate, die > 0.2 h-1 ist mit einer spezifischen Wachstumsrate von 0.2 h-1 D:\68619626.doc
