Um alle Funktionen dieser Seite zu nutzen, aktivieren Sie bitte die Cookies in Ihrem Browser.
my.bionity.com
Mit einem my.bionity.com-Account haben Sie immer alles im Überblick - und können sich Ihre eigene Website und Ihren individuellen Newsletter konfigurieren.
- Meine Merkliste
- Meine gespeicherte Suche
- Meine gespeicherten Themen
- Meine Newsletter
BioreaktorEin 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. Das Volumen eines Bioreaktors reicht von wenigen Millilitern im Screening bis hin zu mehreren tausend Kubikmetern im Produktionsmaßstab. Bioreaktoren 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 den verwendeten Materialien oftmals erheblich von Bioreaktoren im Pilot- oder Produktionsmaßstab. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Geschichte & Entstehung der BioreaktorenDa 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. ReaktortypenMan unterscheidet Bioreaktoren nach Bauweise und Funktionsweise. Jeder Bioreaktor verarbeitet drei Phasen: fest (Biomasse), flüssig (Nährmedium) und gasförmig (z.B. Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff). Grundsätzlich unterschieden werden Reaktoren zur Verarbeitung von Flüssigkeiten und Gasen nach der Art ihres Leistungseintrags:
Werden diese Reaktorformen mit Leitrohren versehen, dann ergeben sich die folgenden Reaktortypen:
Eine weitere Unterscheidung ist nach der Art des Reaktoraufbaus möglich:
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:
Moderne BioreaktorenUm 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. pH-WertDer für Zellen sehr wichtige pH-Wert kann automatisch mittels an den pH-Sensor gekoppelten Pumpen kontrolliert werden, die je nach Bedarf z.B. Phosphorsäure (H3PO4), Salzsäure (HCl) oder z.B. Natronlauge (NaOH) ins Nährmedium pumpen. Eine Möglichkeit der Kontrolle des pH-Wertes kann in bestimmten Fällen auch über die Fütterungsrate des Substrates erreicht werden. SauerstoffgehaltDie 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. TemperaturDie 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. SchaumSchaumentwicklung 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 gibt es mechanische oder chemische Lösungen. Zu den chemischen gehören so genannte Antischaummittel (engl. antifoam). 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. Bei den mechanischen Lösungen unterscheidet man zwischen Schaumzerstörern und Schaumabscheidern. Bei Schaumzerstörern wird, wie der Name schon andeutet, der Schaum lediglich zerschlagen. Da dabei die Schaumursachen, meist abgestorbene Zellen, nicht beseitigt werden, ist diese Art der Schaumbekämpfung nicht sehr effektiv. Alternativ hierzu gibt es auch einen Schaumabscheider. Der Schaum wird über eine seitliche Öffnung in einen Schaumrohr geleitet. Hier wird der Schaum verflüssigt. Die überschüssige Luft entweicht über ein Rohr und der verflüssigte Schaum wird abgepumpt. NährstoffversorgungMit 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) BeispieleKläranlagenBesonders große Bioreaktoren bilden die Kläranlagen (siehe auch Abwasser) sofern sich diese Anlagen biologischer Prozesse bedienen (Belebtschlammverfahren, Tropfkörper, Pflanzenkläranlage etc.). Brauereien und WinzereienAuch in der Brauerei oder der Winzerei werden Bioreaktoren gebraucht. Die verwendeten Mikroorganismen sind hier Hefen, die den Zucker aus der Maische bzw. dem Traubensaft in Alkohol und Kohlenstoffdioxid (CO2) umwandeln. (s. Alkoholische Gärung) Pharma- und KosmetikindustrieDie wertvollsten in Bioreaktoren hergestellten Produkte sind medizinisch-pharmakologische Produkte wie z.B das als Dopingmittel bekanntgewordene EPO oder moderne Insuline. Da an Medikamente ein deutlich höherer Reinheitsstandard gestellt wird als an Lebensmittel, gelten hier besonders strenge Vorschriften. Alle Betriebsparameter des Bioreaktors müssen in engen Grenzen gehalten werden, und bereits kleinste Abweichungen von diesen haben zur Folge, dass die gesamte Charge nicht in Umlauf gebracht werden darf. Um möglichst viele Unwägbarkeiten ausschließen zu können, kommen in diesen Prozessen nur sehr selten vollbiologische Nährmedien (wie z.B. der Traubensaft zur Weinproduktion) zum Einsatz, sondern es wird ein optimiertes, synthetisches Gemisch aller Nährstoffe verwendet. Dadurch wird vermieden, dass durch Schwankungen der Substratqualität die Produktqualität mitschwankt, wie dies z.B. in Winzereien von Jahrgang zu Jahrgang der Fall ist. Je nach gewünschtem Produkt kommen in der Pharmaindustrie unterschiedliche, meist genetisch veränderte, Mikroorganismen zum Einsatz. ModellierungDie 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.). Siehe auchLiteratur
|
|
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Bioreaktor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |