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    Arbeiten im Bioreaktor

    Bioreaktoren sind wie kleine Fabriken. Dort rackern aber keine Arbeiter an schweren Maschinen, sondern winzige Bakterien, die eine erstaunliche Vielfalt von Stoffen verwerten und produzieren. Um maximale Leistung zu erbringen, müssen sich die Winzlinge besonders wohlfühlen. Sie benötigen dazu spezielle Lebensbedingungen.

    Bild des Bioreaktors Bildauschnitt Nährstoffe Bildauschnitt Schaumbildung Bildauschnitt Temperaturmessung Bild des Bioreaktors Bildauschnitt Ernten Bildauschnitt Reaktormaterial Bildauschnitt Sauerstoffzufuhr Bildauschnitt pH-Wert
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    Nährstoffe

    Viele Bakterien mögen Zucker, alle benötigen Spurenelemente und Vitamine. Die Nährstoffe müssen regelmäßig zugeführt werden.

    Schaumbildung

    Schaum entsteht zum Beispiel durch das Rühren. Er kann die Abluftfilter verstopfen und muss daher chemisch oder mechanisch zerstört werden.

    Temperatur

    Jedes Bakterium hat eine eigene Wohlfühltemperatur. Ist es zu warm, schädigt das die Bakterien, ist es zu kalt, sinkt der Stoffwechsel und damit die Produktivität.

    Durchmischung

    Damit Bakterien überall im Reaktor ausreichend Nährstoffe und Sauerstoff erhalten, wird die Flüssigkeit ständig durchmischt – meist durch Rühren, manchmal durch Einblasen von Gas.

    Ernten

    Um an die gewünschten Stoffe zu kommen, wird über ein Ventil Flüssigkeit abgezapft, aus der die Stoffe herausgefiltert werden.

    Reaktormaterial

    Meist Glas oder Stahl – das Material muss stabil und gut zu reinigen sein. Zwischen den Produktionen wird der Reaktor sterilisiert, damit dort nur die gewünschten Bakterien wachsen.

    Sauerstoff

    Zahlreiche Bakterien brauchen Sauerstoff zum Atmen; über eine Frischluftzufuhr wird der Sauerstoffgehalt geregelt.

    pH-Wert

    Bakterien benötigen auch einen individuellen Wohlfühl-pH-Wert. Dazu wird der pH-Wert ständig gemessen und gegebenenfalls nachjustiert.

    Erfahren Sie mehr zu den Lebensbedingungen im Bioreaktor, indem Sie die einzelnen Bestandteile anklicken.

    Aus klein wird groß

    Neue Verfahren in Bioreaktoren fangen ganz klein an: Forschungsreaktoren haben oft nur das Volumen eines Maßkrugs. Der Sprung in eine mitunter hunderttausendfach größere Industrieanlage läuft jedoch nicht immer reibungslos. Die Durchmischung in einem großen Kessel ist beispielsweise schwieriger und damit die konstante Nährstoffversorgung und Temperatur an jeder Stelle. Wechselnde Bedingungen der Umgebung können jedoch zu unerwünschten Reaktionen der Bakterien führen. Forschende versuchen daher schon im Labormaßstab die Bakterien auszusortieren, die zu empfindlich auf Schwankungen reagieren.

     

    Lesen Sie dazu auch:
    Jülich-Blog-Eintrag: Wasserglas oder Schwimmbecken
    effzett 2-2019: Einzelzimmer für Bakterien

    Reaktorgrößen

    in Litern

    1–10

    im Labor

    |

    10–300

    Testanlage für die Industrie

    |

    500–1.500.000

    industrielle Produktion

    |

    < 20.000.000

    Abwasserbioreaktor

     

    zum Vergleich:

    ≈ 2.500.000

    olympisches Schwimmbecken

    Bunte Belegschaft

    Forschung und Industrie züchten in Bioreaktoren unterschiedliche Bakterien für verschiedene Zwecke. Jülicher Forschende setzen unter anderem auf diese Arbeiter.

    Corynebacterium glutamicum
    ist ein wichtiges Arbeitspferd der Forschung und der biotechnologischen Industrie. Mit seiner Hilfe werden jährlich mehrere Millionen Tonnen Aminosäuren für Infu­sionslösungen und Futtermittel­zusätze hergestellt. Das Bakterium mag Glukose und Temperaturen um die 30 Grad Celsius und einen neutralen pH-Wert von 7. Und es hält mehrere Minuten ohne Sauerstoff aus, ohne dass seine Leistung nachlässt. Jülicher Forschende nutzen es, um aus Pflanzenabfällen den für die Industrie interessanten Rohstoff Xylonat herzustellen. Dazu haben sie ihm die Spezialfähigkeit eines anderen Bakteriums übertragen: Caulobacter crescentus (siehe hier).

    Pseudomonas putida
    Ein Bodenbakterium, das sogar von Koffein leben kann. Begehrt sind bei Biotechnologen seine Fähigkeiten, erdölbasierte Mole­küle zu knacken und so selbst schwierige Stoffe wie Polyurethan bakteriell zu recyceln. Aus diesem Stoff werden unter anderem Kaltschaummatratzen oder Sportschuhe hergestellt. In Jülich soll das Bakterium zum Beispiel helfen, PET abzubauen.

    Escherichia coli
    Ein Darmbakterium, das beim Menschen zum Beispiel für die Produktion von Vitamin K zuständig ist. Biotechnologen nutzen den Organismus, um Feinchemikalien, Enzyme oder Arzneistoffe, etwa Insulin, herzustellen. Auch Jülicher Forschende produzieren damit Enzyme, die zum Beispiel in der Wirkstoffherstellung als Biokatalysatoren eingesetzt werden können.

    Illustrationen: Jens Neubert

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