Substratsteuerung

Substratsteuerung bezeichnet ein Konzept zur Regulierung biologischer oder chemischer Prozesse durch Beeinflussung der Substratverfügbarkeit, Substratabgabe und Substratpräsentation. Ziel ist es, Stoffwechselwege, Enzymreaktionen oder Zellverhalten gezielt zu steuern, um Produktbildung zu optimieren, Nebenprodukte zu minimieren oder Differenzierung zu beeinflussen.

In der Biotechnologie und im Prozessengineering wird Substratsteuerung besonders in Fermentationsprozessen eingesetzt. Durch kontrollierte Substratzufuhr, beispielsweise in Fed-Batch- oder kontinuierlichen Prozessen, lässt sich Substratüberfluss vermeiden, toxische Metaboliten reduzieren und die Produktivität erhöhen. Real-Time-Überwachung und Regelungssysteme ermöglichen eine adaptive Substratzufuhr. Auch bei enzymatischen Reaktionen dient Substratsteuerung dazu, Reaktionskinetiken zu modulieren, indem Substratkonzentrationen in einem geeigneten Bereich gehalten werden.

Im Bereich der Zellkultur und Gewebetechnik spielt Substratsteuerung durch Substratpräsentation, Substratstiffness, OberflächenTopographie und Biokomponenten eine zentrale Rolle. Der Substrataufbau beeinflusst Adhäsion, Proliferation und Differenzierung von Zellen; Gradienten in Substraten können räumliche Differenzierung unterstützen.

Zu den gängigen Methoden gehören kontrollierte Substratzufuhr, langsame Freisetzung, Immobilisierung von Molekülen, Guiding-Topografien und die Erzeugung von Substratgradienten. Die Steuerung erfolgt oft mit Prozessanalytik und Modellierung, um stabile und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Vorteile der Substratsteuerung sind potenziell höhere Ausbeuten, geringere Nebenprodukte und gezielte Zellentwicklung. Herausforderungen umfassen Kosten, Skalierbarkeit, Substratakkumulation, Messverzögerungen und die Komplexität bio-physikalischer Systeme.

Siehe auch: Substratkonzentration, geführte Differenzierung, Fed-Batch, Prozesssteuerung, PAT.