Biotechnologie und Bioreaktoren: eine stark diversifizierte Technologie

​Der Bioreaktor, das Herzstück des Prozesses

Einfach gesagt ist ein Bioreaktor ein Gefäß, in dem biologische Prozesse ablaufen. Die meisten Bioreaktoren verfügen über Steuerungen zu ihrem Betrieb, von der einfachen Handsteuerung bis hin zu komplexen, vollautomatisierten PLC-Steuerungen. Typischerweise ist der ablaufende Prozess in einem Bioreaktor ein Batch-Prozess und die Zeit zwischen Beginn und Ernte wird Kampagne genannt.

Die Mehrzahl der Bioreaktoren muss mit Gasen und Nährstoffen versorgt werden, damit Bakterien, Hefen oder Zellen wachsen und die gewünschte biologische Synthese stattfinden kann. Die Zusatzstoffe werden in der Regel kontinuierlich über einen Zeitraum von einigen Tagen bis zu mehreren Wochen zugegeben. Durchflussregler spielen bei der Prozesssteuerung von Bioreaktoren eine wichtige Rolle.

Die neuere Geschichte der Bioreaktoren

Im Zusammenhang mit der Wundbehandlung von Kriegsverwundeten des zweiten Weltkriegs begann der unaufhaltsame Siegeszug des Penicillins in der Medizin und in der Folge davon die mehr und mehr gezielte Beforschung mikrobiell erzeugter Substanzen in der Medizin. Damals wurde entdeckt, dass die technische Verwendung von Bakterien in Form von mikrobiologischen Prozessen einen Vorteil gegenüber der herkömmlicheren chemischen Synthese hat. Bei chemischen Synthesen fallen viele Nebenprodukte an, einige davon sogar in weit größeren Anteilen als die gewünschte Substanz selbst.

Bioreaktoranwendungen

Biorektoren gibt es in vielen unterschiedlichen Größen und Formen. Von Kleinst-Reaktoren mit wenigen Millilitern Inhalt bis hin zu Großfermentern von bis zu 100 m³. Als Faustregel kann man davon ausgehen, dass der Sauerstoffdurchfluss bei Zellkulturen das 0,1- bis 0,15-fache und bei Bakterienkulturen das bis zu 2-fache des Arbeitsvolumens pro Minute beträgt.
 

Entwicklung und Herstellung von Arzneimitteln

Die Biotechnologie wird bei der Entwicklung und Herstellung von Medikamenten sowie bei der Vermehrung von Stammzellen immer wichtiger. Beide werden zur medizinischen Behandlung eingesetzt. Time-to-market, Kostenreduzierung und gleichbleibende Produktqualität sind auch bei der Entwicklung und Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe sehr wichtig. Daher sind die Zuverlässigkeit in der Fahrensweise der Bioreaktoren und die Möglichkeit, den Prozess von kleinen auf große Bioreaktoren zu skalieren, unabdingbare Voraussetzungen.
 

Biobasierte Chemikalien und Kunststoffe

Weitere Beispiele für biotechnologische Anwendungen sind biobasierte Chemikalien und Kunststoffe. Forscher arbeiten an erneuerbaren Kunststoffen, die mit Hilfe von Enzymen und Mikroorganismen aus organischen Materialien hergestellt werden. Es gibt bereits vielversprechende Beispiele für biobasierte Kunststoffe wie Spielzeug, Autoteile aber auch Alternativen für PET-Flaschen.

Ein konkretes Beispiel für biochemische Produktion ist die Nutzung von Mikroalgen und Sonnenlicht für die Umwandlung von CO2. Sie können unsere Application Note einer belgischen Universität über „Kontrollierte CO2-Versorgung für Algenwachstum“ hier lesen.

​Erneuerbare Energien

Der Übergang zu nachhaltiger Energieerzeugung ist eine weitere Triebkraft, die den Einsatz von Bioreaktoren fördert. Biogas und Biokraftstoff in Form von Biomethan, Bioethanol und Biodiesel gewinnen in unserer Energieversorgung zu Hause, in der Industrie und im Verkehr an Popularität. Das Gas oder der Brennstoff entsteht durch die Fermentation von organischem Material wie Dung, Schlamm, organischen Abfällen, Gras, Mais, Zuckerrohr. Der Gärtank, der auf einer Temperatur von 38-40 °C gehalten und umgerührt wird, ist tatsächlich nichts anderes als ein Bioreaktor.