Bioreaktor
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Ein Bioreaktor ist ein Behälter, in dem speziell herangezüchtete Mikroorganismen oder Zellen unter möglichst optimalen Bedingungen in einem Nährmedium kultiviert werden, um entweder die Zellen selbst, Teile von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte zu gewinnen.
Bioreaktoren sind zum Teil größer als 100 Kubikmeter und werden auch als Fermenter (engl. fermentor) bezeichnet. In der Forschung und Entwicklung (F&E) werden bevorzugt Laborfermenter, mit kleineren Volumina meist, bis 10 Liter eingesetzt. Diese unterscheiden sich jedoch in Hinsicht auf Leistungseintrag, Masse- und Stofftransport sowie die verwendeten Materialien oftmals erheblich von Bioreaktoren im Pilot- oder Produktionsmaßstab.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Geschichte & Entstehung der Bioreaktoren
Da auch Braukessel in Brauereien technisch zu den Bioreaktoren zählen, kann man das Erscheinen der ersten Bioreaktoren mit dem Erscheinen der ersten Brauereien vor ungefähr 5500 Jahren gleichsetzen.
[Bearbeiten] Reaktortypen
Man unterscheidet Bioreaktoren nach Bauweise und Funktionsweise. Ein paar Beispiele, sortiert absteigend nach Anwendungshäufigkeit.
- mit Abstand der häufigste Reaktor ist der Rührkesselreaktor - ein Stahlgefäß in dem ein Rührwerk für eine möglichst gute Durchmischung sorgt.
- in einem Airliftreaktor wird nicht gerührt, sondern Bewegung ausschließlich durch einen kontinuierlichen, im Nährmedium aufsteigenden Luftstrom eingebracht.
- ein Festbettreaktor ist mit einem festen Material gefüllt, an dem die Zellen anhaften können.
- Schlaufenreaktor
- Photoreaktoren
Mehrere Rührkesselreaktoren hintereinandergeschaltet bilden einen Kaskadenreaktor ('Rührkesselkaskade'). Rohrreaktoren finden in der Produktion Anwendung im Bereich der Photoreaktoren, da sich sonst keine ausreichende Versorgung der zu kultivierenden phototrophen Zellen mit der benötigten Dosis Licht realisieren lässt.
Je nach Art der Befüllung unterscheidet man:
- Batch-Prozesse, bei denen der Reaktor einmal komplett befüllt wird und nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne ("Reaktionszeit" oder "Wachstumszeit") wieder komplett entleert wird.
- Fed-Batch-Prozesse, bei denen der Füllstand anfangs unterhalb der maximalen Kapazität des Reaktors liegt und der dann langsam bis zur maximalen Auslastung mit Nährmedium erhöht wird. Dann wird der Reaktor wieder komplett entleert.
- Kontinuierliche Prozesse, bei denen ein steter Zulauf an Nährmedium und ein gleichgroßer Ablauf an "Brühe" (Gemisch aus Nährmedium, Produkt, Biomasse etc.) den Füllstand auf einem konstanten Niveau halten.
[Bearbeiten] Moderne Bioreaktoren
Um die optimale Produktausbeute zu erreichen, müssen die Bedingungen im Inneren der Apparatur mit Hilfe von Sensoren überwacht werden. Mittels Sonden wird meistens der pH-Wert, der O2-Gehalt in Medium und Abluft, der CO2-Gehalt in der Abluft, Temperatur, Extinktion (optische Dichte) des Mediums und Schaumentwicklung gemessen. Im Einsatz befinden sich ebenfalls Sensoren zur Bestimmung von Substraten wie Glucose, Glycerin und Lactat; diese ermöglichen eine genauere Kontrolle der Kultivierung.
[Bearbeiten] ph-Wert
Der für Zellen sehr wichtige pH-Wert kann automatisch mittels an den pH-Sensor gekoppelten Pumpen kontrolliert werden, die je nach Bedarf z.B. durch Phosphorsäure (H3PO4), Salzsäure (HCl) oder z.B. durch Natronlauge (NaOH) ins Närmedium pumpen. Eine Möglichkeit der Kontrolle des pH-Wertes kann in bestimmten Fällen auch über die Fütterungsrate des Substrates erreicht werden.
[Bearbeiten] Sauerstoffgehalt
Die Sicherstellung eines ausreichenden Sauerstoffgehaltes stellt eines der größten Probleme dar, da Sauerstoff nur schlecht wasserlöslich ist, und man wegen erhöhter Schaumbildung und anderen Nebeneffekten nicht beliebig viel Luft in den Reaktor pumpen kann. Der Einsatz reinen Sauerstoffs ist meist zu teuer oder aber schadet den kultivierten Zellen.
[Bearbeiten] Temperatur
Die Temperaturregelung wird durch Heiz- und Kühlkreisläufe realisiert. Nach dem Anfahren des Reaktors, bei dem der gesamte Reaktorinhalt von Raum- auf Betriebstemperatur geheizt werden muss, ist meist nur noch der Kühlkreislauf aktiv, da die Zellen erhebliche Wärmemengen erzeugen können. In den Kühlkreisläufen kann jeweils ein Wärmetauscher integriert sein oder das energietragende Medium wird direkt eingespeist. Als Wärmeaustauschflächen zum Reaktionsraum stehen hierbei meist nur die Behälterwand, in seltenen Fällen auch eingebaute Kühlregister, zur Verfügung.
[Bearbeiten] Schaum
Schaumentwicklung will man meistens vermeiden, da Schaum die Abluftfilter verstopfen kann und in den zerplatzenden Blasen große mechanische Belastungen für die Zellen auftreten können. Gegen Schaumbildung finden mechanische Schaumzerstörer und chemische Mittel, so genanntes Antischaummittel (engl. antifoam), Anwendung. Antischaummitteln ist gemein, dass sie sich zumeist schwer aus der Reaktionslösung abtrennen lassen. Da die Funktionsweise eines Antischaummittels auf der Herabsetzung der Oberflächenspannung beruht, muss sich der Benutzer über die negative Beeinflussung des Antischaummittels auf den Gastransport und damit auf die Sauerstoffversorgung im Klaren sein.
[Bearbeiten] Nährstoffversorgung
Mit dem Nährmedium müssen den Organismen unter anderem Kohlenstoff-, Stickstoff-, und Phosphorverbindungen zur Verfügung gestellt werden. Während der Wachstums- oder Reaktionszeit wird die wässrige Lösung aus Organismen oder Zellen und dem Nährmedium mit Sauerstoff durchlüftet und gut durchmischt. Ziel ist es, die Bedingungsgleichheit an allen Stellen des Reaktors sicherzustellen. (Idealfall)
[Bearbeiten] Beispiele
[Bearbeiten] Kläranlagen
Besonders große Bioreaktoren bilden die Kläranlagen (siehe auch Abwasser) sofern sich diese Anlagen biologischer Prozesse bedienen (Belebtschlammverfahren, Tropfkörper, Pflanzenkläranlage etc.). Aber auch in der Brauerei oder der Winzerei werden Bioreaktoren gebraucht. Ein passendes Nährmedium zur Alkoholischen Gährung ist zum Beispiel der Zucker, den die Organismen unter Sauerstoffabschluss zu Alkohol und Kohlenstoffdioxid(CO2) umwandeln.
[Bearbeiten] Modellierung
Die Prozesse in Bioreaktoren können durch die Reaktionskinetik beschrieben werden, wobei man bei der Modellierung auf die Besonderheiten biologischer Prozesse achten muss (Michaelis-Menten-Theorie, Enzymkinetik, Enzymhemmung etc.).
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bioreaktor]
[Bearbeiten] Literatur
- Alexander Wudtke: Experimentelle Untersuchungen der Antibiotikaproduktion, sowie des Wachstums von Pilzen bei Fermentationen im Hubstrahl - Bioreaktor. (Diplomarbeit an der TU - Berlin) DHS-Verlag, Egelsbach 1990, ISBN 3-8267-2073-3
