Wärmeproduktion und Wachstum mikrobieller Kulturen in Bioreaktoren

Abstract:
Der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen verfügt seit Anfang 2008 über zwei verschiedene Systeme zur kalorimetrischen Vermessung mikrobieller Kulturen in Bioreaktoren. Im Rahmen eines AiF-Projektes stellte die TU Bergakademie Freiberg der Aachener Verfahrenstechnik ein Chipkalorimeter (Lerchner, Wolf et al. 2006) zur Verfügung, welches gemeinsam konstruktiv weiterentwickelt und an die gegebenen Bedingungen angepasst wurde. Dieses kann nun an jeden beliebig großen Reaktor entweder über ein Septum oder einen 25 mm Ingold-Stutzen angeschlossen werden. Zur Erprobung und Bestimmung der Leistungsgrenzen des Gerätes wurden zunächst Batch-Versuche mit Escherichia coli K12 und Arxula adeninivaorans durchgeführt. Deren Ergebnisse zeigten eine Übereinstimmung mit dem oxokalorischen Äquivalent, das mittels einer Abgasanalytik bestimmt wurde. Des Weiteren wurden Versuche zur kalorimetrischen Nachweisbarkeit von Produktbildung unter Verwendung eines mutagenisierten, proteinbildenden E. coli BL21 durchgeführt. Das zweite System für kalorimetrische Messungen ist ein konstruktiv erweiterter 50L Druckreaktor (Bioengineering), der als Reaktorkalorimeter genutzt werden kann. Aufgrund seiner konstruktiven Besonderheiten können in diesem pilot-scale Fermenter Fed-Batch-Versuche mit Hochzelldichten bis zu 235 g/L BTM (Knoll, Bartsch et al. 2007) durchgeführt werden. Die dabei gemessenen biologischen Wärmeproduktionen erreichen bis zu 120 kW/m3. Die meisten industrierelevanten Kultivierungen, die bei höheren Zelldichten ablaufen, können somit in diesem System vermessen werden. Wie bereits zuvor angedeutet, kann das Chipkalorimeter an den als Wärmefluss-Kalorimeter betriebenen Druckreaktor angeschlossen werden, so dass die Möglichkeit besteht, die Vorteile beider Systeme für kalorimetrische Messungen zu nutzen und die Messergebnisse beider Varianten miteinander zu vergleichen und zu validieren. Knoll, A., S. Bartsch, et al. (2007).