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Biotechnologie für Chemiker, Teil 4

Typen von Bioreaktoren

In einem Bioreaktor wird unter milden Bedingungen, d.h. niedriger Temperatur, eine Umwandlung eines Stoffes A in einen Stoff B durchgeführt. Nun geht es darum den „richtigen“ Reaktortyp auszuwählen, denn es stehen hier mehrere zur Auswahl.

Es gibt zwei Verfahren in der Biotechnologie, die generell Anwendung finden. Zum einen ist es das Oberflächenverfahren, bei dem die Zellen bzw. Enzyme auf eine Oberfläche fixiert sind und dort ihre Arbeit verrichten, zum anderen die Submersverfahren, bei denen wässrige Zellsuspensionen zum Einsatz kommen, d.h. die Zellen bzw. Enzyme „arbeiten eingetaucht“. Wer Enzyme einsetzt, hat es etwas leichter als derjenige mit den lebenden Zellen, die in ihrer Steuerung und Regelung deutlich schwieriger sind. Für jedes Molekül gibt es ein Enzym zur Umwandlung und jedes Enzym kann auf- und abgebaut werden, einschließlich der Regulation der Proteinbildung über die Rückkopplung über die Gene bzw. DNA.

Ein Beispiel für ein Oberflächenverfahren ist die Essigherstellung mit der sich bildenden Essigmutter (gelartig bis hochviskos) bzw. auf Holzspänen sich befindende Acetobacter. Auch kleine Kläranlagen bei denen die Mikroorganismen Kunststoffoberflächen besiedeln könnte man hier noch nennen. Auch Metall- und Keramikoberflächen können von Mikrorganismen besiedelt werden. Die Mikroorganismen bereiten die Grenzfläche Feststoff-Flüssigkeit für eine Besiedlung vor, um dort besser „Fuß fassen“ bzw. sich verankern zu können. Bei den Pilzkulturen gibt es einige, die in dieser Disziplin sehr gut sind. Man könnte das auch Oberflächenmodifizierung nennen und es ist weiterhin Gegenstand von Untersuchungen.

Ein Beispiel für Submersverfahren ist die Herstellung von Zitronensäure mit „Aspergillus niger“ oder auch die Herstellung von Penicillin mit „Penicillium chrysogenum“ (beide gehören zu den Eukaryoten). Submers heißt „eingetaucht“. Das Submersverfahren ist das Verfahren, das meistens zur Anwendung kommt.
Bei den Zellsuspensionen, die in den Submersverfahren eingesetzt werden, muss gerührt werden, damit man eine homogene Zellverteilung über den gesamten Reaktorinhalt vorliegt. Für diese Aktion gibt es verschiedenste Rührertypen, die in allen möglichen Ausführungen vorliegen. Dies ist ein mechanischer Leistungseintrag.
Alternativ kann dieser auch hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Beim hydraulischen Leistungeintrag wird die gesamte flüssige Phase in einem Zwangskreislauf geführt, d.h. umgepumpt, und so in Bewegung gehalten. Ein Beispiel dafür ist der Rohr- bzw. der Strahldüsenreaktor. Beim pneumatischen Leistungseintrag wird das Umwälzen der fluiden Phase durch den Lufteintrag realisiert, d.h. es wird von unten Luft eingeblasen, die durch die Lösung nach oben wandert, partiell die lokale Dichte ändert und damit eine Strömung von unten nach oben in Gang setzt. Kommen hier noch spezielle Einbauten hinzu, dann lebt die Umwälzung von einem Dichte- und Höhenunterschied in zwei nebeneinander befindlichen Flüssigkeitssäulen. Hier gibt es den Blasensäulen-Reaktor und den Mammutschlaufen-Reaktor („wofür das gute alte Mammut alles herhalten muss“).

Es gibt hier auch kombinierte Formen, die hydraulischen und pneumatischen Leistungseintrag beinhalten. Ein Beispiel hierfür ist die Umwälzung der Fermenterbrühe mit einer Pumpe und Leiten des flüssigen Mediums durch eine Düse, die gleichzeitig Luft zieht. Hier kommt das Prinzip von Giovanni Battista Venturi zum Einsatz, also der Venturi-Effekt, bei der die selbstansaugende Düse den Lufteintrag sicherstellt. Der schon erwähnte Strahldüsenreaktor ist jener, der genau diese Kombination innehat.

Membranreaktoren sind u.a. dann sinvoll, wenn fortlaufend ein extrazelluläres Produkt entnommen und aufgearbeitet oder Kohlendioxid gegen Sauerstoff bzw. Luft ausgetauscht werden soll. Auch können beide kombiniert eingesetzt werden. Extrazelluläre Produkte sind jene, die außerhalb der Zelle vorliegen. Der Aufarbeitungsprozeß, auch Downstream genannt, ist dann weniger aufwendig, weil durch eine Mikrofiltration die Zellen zurückgehalten und nur die kleineren Moleküle durchgelassen werden. Außer der Mikrofiltration, gibt es noch die Ultra- und die Nanofiltration mit noch kleineren Porenweiten.

Mit einer Ultrafiltration können bestimmte Proteine, die intrazellulär entstehen, abgetrennt werden. Intrazelluläre Produkte sind oftmals Proteine und es ist hier ein Zellaufschluß notwendig, d.h. die Zellmembran muß zerstört werden, bevor durch weitere spezielle Aufarbeitungsschritte das Protein aufgereinigt bzw. gewonnen werden kann.

Mit Membranen, wie jener für die Nanofiltration, können noch kleinere Teilchen zurückgehalten werden, so daß nur noch Ionen mit einfacher und zweifacher Ladung durchgelassen werden. Umkehrosmosemembranen toppen das noch und deshalb werden sie unter anderem zur Meerwasserentsalzung eingesetzt. Generell gilt: je kleiner die Poren, desto größer der für den Betrieb erforderliche Druck, der bei Umkehrosmose, bis zu dreistelligen Werten (in bar) ansteigen kann. Dasselbe gilt für den Preis der Membran.

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