Bioreaktor

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 bezeichnet.

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.

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 uvm.

Mehrere Rührkesselreaktoren hintereinandergeschaltet bilden einen Kaskadenreaktor ('Rührkesselkaskade'). Rohrreaktoren finden in der Produktion keine Anwendung, da sie zu viele Probleme aufwerfen (zu geringe Sauerstoffversorgung, Auswaschung der Biomasse etc.)

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.

Moderne Bioreaktoren

Die Bedingungen im Inneren der Apparatur werden mit Hilfe von Sensoren überwacht. Mittels Sonden wird meistens pH-Wert, O₂-Gehalt in Medium und Abluft, CO₂-Gehalt in der Abluft, Temperatur, Extinktion (optische Dichte) des Mediums (proportional zur Zellkonzentration) und Schaumentwicklung gemessen.

Der für die Produktivität der Zellen sehr wichtige pH-Wert kann automatisch mittels an den pH-Sensor gekoppelten Pumpen kontrolliert werden, die je nach Bedarf Phosphorsäure (H₃PO₄) oder Natronlauge (NaOH) ins Närmedium pumpen. Der Sauerstoffgehalt stellt eines der größten Probleme dar, weil Sauerstoff nur schlecht wasserlöslich ist und man nicht beliebig viel Luft in den Reaktor pumpen kann. Die Temperaturregelung (Kühlung) übernimmt meist eine Wasserkühlanlage. Schaumentwicklung will man meistens vermeiden, da Schaum die Abluftfilter verstopfen kann. Hierzu benutzt man mechanische Schaumzerstörer und chemische Mittel, so genanntes Anti-Schaum (engl. antifoam).

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)

Besonders große Bioreaktoren bilden die Kläranlagen (siehe auch Abwasser) sofern sich diese Anlagen biologischer Prozesse bedienen (Belebtschlammverfahren, Tropfkörper, Pflanzenkläranlage etc.).

Die Prozesse in Bioreaktoren können durch die Reaktionskinetik beschrieben werden, wobei man bei der Modellierung auf die Besonderheiten biologischer Prozesse achten muss.

siehe auch