JGW-SchülerAkademie Papenburg 2011 - Jugendbildung in ...

2.3 Bioverfahrenstechnik
werden. Weitere wichtige Bestandteile dieses Reaktors sind der Rührer, welcher zur
Dispersion/Durchmischung dient, und Strombrecher, welche eine Wirbelbildung bei
hohen Drehzahlen verhindern. Die Temperatur im Reaktor wird durch einen von Wasser
durchflossenen Doppelmantel reguliert. Bei aeroben Fermentationen ist ein Begaser zum
Einbringen von Sauerstoff vorhanden.
Im Gegensatz zum Rührkessel-Bioreaktor hat der Air-Lift-Schlaufenreaktor keinen
Rührer, sondern der Begaser übernimmt die Aufgabe der Durchmischung des Mediums.
Dabei wird durch den Begaser Luft in den Reaktor geschleust, sodass es in diesem Teil
zum Aufsteigen des Mediums kommt (»Riser« genannt). An der Oberfläche angekommen
verlässt der Großteil der Blasen das Medium, wodurch dieses dichter wird und
wieder in den unteren Teil des Reaktors absinkt (»Downcomer«). Der »Riser« und der
»Downcomer« werden dabei von Trennblechen isoliert, sodass es zu einer umlaufenden
Strömung kommen kann. Es gibt eine abgewandelte Form dieses Bioreaktors, bei dem der
»Downcomer« extern angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass man den Durchmesser
des »Downcomers« verringern kann und sich dadurch die Fließgeschwindigkeit erhöhen
lässt. Das Erhöhen der Fließgeschwindigkeit ermöglicht eine bessere Durchmischung
des Mediums.
In einigen Bioreaktoren, wie z. B. im Festbettreaktor, benutzt man Trägermaterialien,
um die Biokatalysatoren zu immobilisieren. Dabei wird das Medium extern mit Sauerstoff
und Nährstoffen versorgt und dann durch ein Festbett mit den Trägermaterialien
geleitet. Die Trägermaterialien müssen einige Bedingungen erfüllen, wie zum Beispiel
eine hohe Porosität und einen kleinen Durchmesser zur Vergrößerung der Oberfläche,
auf dem die Biokatalysatoren wachsen können. Allerdings sollte das Trägermaterial
nicht zu klein sein, da es sonst zum Verwachsen der Poren kommen kann und somit zu
einer Kanalbildung im Festbett, wodurch die Versorgung für einige Mikroorganismen
abgeschnitten wird. Da in diesen Reaktoren die Mikroorganismen eine lange Lebenszeit
haben, lassen sich große Suspensionsreaktoren (mehrere hundert Liter) bereits durch
Festbettreaktoren mit einem Volumen von 5–10 l ersetzen; allerdings sind diese schwer
zu reinigen und zudem ist das Scale-Up dieser Reaktoren ein weiterer kritischer Faktor.
Der Anspruch, die Prozesse der Fermentation möglichst ökonomisch zu gestalten,
führte zur Entwicklung verschiedener Verfahren. Das ursprünglichste und einfachste Verfahren,
welches auch die weiteste Verbreitung in den verschiedenen Industriebranchen
findet, ist das Batch-Verfahren. In einem Bioreaktor wird Substrat von Biokatalysatoren
umgesetzt. Während der Reaktion bleibt das Volumen des Mediums weitgehend unverändert,
es werden lediglich Stoffe hinzugegeben um wichtige Parameter wie beispielsweise
den pH-Wert zu optimieren. Nach Ablauf des Prozesses wird das Medium aus dem
Reaktor entnommen und die Produkte in verschiedenen Aufarbeitungsschritten isoliert.
Schon erste, unbewusste Fermentationen von Lebensmitteln (zum Beispiel Bierbrauen)
funktionierten nach diesem Prinzip. Höhere Effizienz, aber auch gesteigerte Ansprüche
an die Technologie, bietet das Fed-Batch-Verfahren. Es läuft zunächst wie der Batch
ab. Ist das Substrat jedoch weitgehend verbraucht, wird neues, konzentriertes Substrat
(Feed) hinzugegeben. Frisches Substrat regt das Wachstum der Mikororganismen an,
sodass diese keine stationäre Phase erreichen.
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