Was ist ein Bioreaktor?

Ein Bioreaktor (auch Biofermentor genannt) ist ein spezialisierter Apparat, in dem chemische und biochemische Reaktionen stattfinden, um Substrate in Endprodukte umzuwandeln. Er wird in der Produktion von Arzneimitteln, der Biotransformation chemischer Verbindungen und der Abfallbehandlung verwendet. Diese Prozesse werden durch den Einsatz von Mikroorganismen, Enzymen oder tierischen/pflanzlichen Zellen ermöglicht.

Was sind die Hauptanwendungen von Bioreaktoren?

Bioreaktoren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, wie z.B.:

• Herstellung von Arzneimitteln (z.B. Antibiotika, Impfstoffe)
• Abwasserreinigung
• Produktion von therapeutischen Proteinen
• Herstellung von organischen Säuren und Enzymen
• Züchtung von Mikroorganismen und Zellkulturen

Welche Komponenten gehören zu einem Bioreaktor?

Ein Bioreaktor besteht aus einem Fermentationsbehälter, einem Rührwerk, Kontrollsonden (z.B. zur Messung von pH-Wert, Sauerstoff und Temperatur), Belüftungssystemen und Schaumbekämpfungssystemen. Ein wichtiger Bestandteil ist der Kühlmantel, der stabile Temperaturbedingungen sicherstellt.

Welche Bioreaktortypen gibt es?

Bioreaktoren lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen:

• Nach Sterilität: Sterile, relativ sterile und nicht sterile Bioreaktoren.
• Nach Sauerstoffzugang: Aerobe (mit Sauerstoffzufuhr) und anaerobe (ohne Sauerstoff) Bioreaktoren.
• Nach Betriebsweise: Diskontinuierliche, halbkontinuierliche und kontinuierliche Bioreaktoren.
• Nach Bauart: Rührkesselreaktoren, Blasensäulenreaktoren, Airlift-Reaktoren, Festbettreaktoren und Photobioreaktoren.

Klassifizierung von Bioreaktoren nach Bauart:

• Rührkesselreaktoren (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor)
  Bauart: Zylindrisch mit einem Rührwerk im Inneren des Behälters. Ausgestattet mit einem oder mehreren Rührern und einem Antriebssystem.
  Funktionsweise: Das Rühren erfolgt mechanisch durch Rührer, was eine gleichmäßige Verteilung von Nährstoffen, Sauerstoff und Temperatur im gesamten Bioreaktor gewährleistet.
  Anwendung: Häufig verwendet zur Züchtung von Mikroorganismen, Enzymproduktion und in der Biotechnologie.
  Vorteile: Gute Kontrolle der Gasübertragung, effizientes Rühren, Möglichkeit des kontinuierlichen Betriebs.
  Nachteile: Hoher Energieverbrauch aufgrund des Rührwerks.

• Blasensäulenreaktoren (Bubble Column Reactor)
  Bauart: Einfacher Aufbau in Form eines vertikalen Zylinders, ohne mechanisches Rührwerk. Gase werden durch den Boden des Behälters eingeleitet.
  Funktionsweise: Das Mischen und Belüften des Mediums erfolgt durch das Einleiten von Gasen (normalerweise Luft oder Sauerstoff), die Blasen in der Flüssigkeit bilden.
  Anwendung: Häufig bei Fermentationsprozessen, in der Züchtung von Mikroorganismen und bei der Produktion von Biokraftstoffen eingesetzt.
  Vorteile: Einfache Konstruktion, geringe Betriebskosten, keine beweglichen Teile.
  Nachteile: Geringere Kontrolle über die Mischungs- und Gasübertragungsparameter als bei Rührkesselreaktoren.

• Airlift-Reaktoren
  Bauart: Ähnlich den Blasensäulenreaktoren, jedoch mit zwei Zonen: einer aufsteigenden Zone (wo das Gas eingeleitet wird) und einer absteigenden Zone (wo kein Gas vorhanden ist).
  Funktionsweise: Unterschiede in der Flüssigkeitsdichte zwischen der aufsteigenden und absteigenden Zone führen zu einer natürlichen Zirkulation des Mediums im Reaktor. Das Gas wird in die aufsteigende Zone eingeleitet, wo Blasen entstehen, die die Flüssigkeit nach oben befördern.
  Anwendung: Vor allem für die Züchtung von Mikroorganismen, Algen und zur Biomasseproduktion.
  Vorteile: Effizientes Mischen bei minimalem Energieverbrauch, keine mechanischen Teile, die beschädigt werden könnten.
  Nachteile: Eingeschränkte Kontrolle über das Mischen und die Gasübertragung.

• Festbettreaktoren
  Bauart: In diesen Reaktoren entwickelt sich biologisches Material auf einem festen Trägerbett im Inneren des Reaktors. Das Bett kann aus Kugeln, Ringen, Granulaten oder anderen Trägermaterialien bestehen.
  Funktionsweise: Flüssigkeit (mit Nährstoffen) fließt durch das Bett und ermöglicht den auf dem Trägermaterial wachsenden Mikroorganismen die Aufnahme von Nährstoffen und Sauerstoff.
  Anwendung: Häufig in der Abwasserreinigung, Biogasproduktion, Biofiltration und Zellkulturen verwendet.
  Vorteile: Hohe Prozessleistung, größere Stabilität biologischer Prozesse, längere Reaktionszeiten möglich.
  Nachteile: Verstopfungsgefahr des Bettes, Austausch des Bettes kann schwierig sein.

• Photobioreaktoren
  Bauart: Bioreaktoren, die für die Züchtung photosynthetischer Organismen wie Mikroalgen, Cyanobakterien oder pflanzliche Zellen ausgelegt sind. Sie sind mit einem Beleuchtungssystem ausgestattet, das einen effektiven Zugang zu Licht ermöglicht.
  Funktionsweise: Licht, das in den Bioreaktor gelangt, stimuliert den Photosyntheseprozess, der das Wachstum der Organismen fördert. Oft wird künstliches Licht verwendet, um die Züchtung unter geschlossenen Bedingungen zu ermöglichen.
  Anwendung: Produktion von Biokraftstoffen, Nahrungsergänzungsmitteln, Kosmetika und pharmazeutischen Substanzen.
  Vorteile: Kontrolle der Lichtmenge und -qualität, was zur Optimierung des Photosyntheseprozesses beiträgt.
  Nachteile: Hohe Bau- und Betriebskosten, intensive Überwachung der Beleuchtungsstärke erforderlich.

Was sind die Vorteile von Bioreaktoren?

Bioreaktoren ermöglichen eine umweltfreundlichere Produktion von Substanzen, die durch konventionelle chemische Verfahren schwer herzustellen sind. Darüber hinaus sind biotechnologische Prozesse oft effizienter und präziser.

Was beeinflusst die Produktionskosten in einem Bioreaktor?

Die Produktionskosten in einem Bioreaktor hängen von vielen Faktoren ab, wie der Skalierung des Prozesses, den technologischen Anforderungen, den Eigenschaften der verwendeten Mikroorganismen und dem Automatisierungsgrad des Bioreaktors. Auch technologische Fortschritte und der Produktionsstandort spielen eine wichtige Rolle.