Bioverfahrenstechnik: Die Umwandlung von Stoffen
Verfahrenstechnik ist jene Teildisziplin innerhalb der Ingenieurswissenschaften, die sich mit der Umwandlung von Stoffen beschäftigt. Der Bogen reicht dabei von Bergbau und Rohstoffaufarbeitung über Chemieindustrie und Lebensmitteltechnik bis hin zu Umwelt- und Entsorgungstechnologien. Klassisch geht es darum, physikalische und chemische Prinzipien in technische Funktionen umzusetzen. Die Bioverfahrenstechnik speziell betrachtet Prozesse der Biotechnologie, d. h. Prozesse, die auf biologischen Prinzipien beruhen, und setzt sie in den industriellen Maßstab um.
Biotechnologie und Mikroorganismen
In entscheidenden Verfahrensschritten arbeitet die Biotechnologie mit Mikroorganismen (Bakterien, Hefen u. a. Pilzen). Dabei spielt es zunächst keine Rolle, ob sie gentechnisch verändert sind oder ihre natürlichen Eigenschaften genutzt werden. Ihre gezielte genetische Veränderung mit dem Ziel verbesserter Eigenschaften ist die Domäne der Gentechnik, die auch eine Teildisziplin der Biotechnologie ist.
Der Einsatz von Mikroorganismen erlaubt den Ablauf von biochemischen Reaktionen unter »normalem« Druck und bei »normaler« Temperatur.Chemische Produktion dagegen spielt sich oft bei hohen Drücken und Temperaturen ab. Deshalb ist sie sehr energieintensiv. Zudem sind häufig aggressive oder giftige Substanzen in den Verfahren beteiligt, etwa Säuren oder Lösungsmittel. Dies alles macht unter Sicherheitsaspekten einen hohen apparativen Aufwand erforderlich. Mikroorganismen arbeiten dagegen in der Regel in wässrigem Milieu.
Bioreaktoren
Die Bioverfahrenstechnik setzt einen Prozess aus dem Labor- in den industriellen Produktionsmaßstab um. Da die Stoffwandlungsraten von Mikroorganismen gering im Vergleich zu den benötigten Mengen sind, muss für eine sehr große Zahl von Mikroorganismen das optimale Lebensumfeld geschaffen werden, denn es ist deren natürlicher Stoffwechsel, der die erwünschte Biosynthese vollzieht. Ein seit Jahrzehnten routinemäßig betriebenes Beispiel für Anlagen der Bioverfahrenstechnik sind Fermenter (Bioreaktoren) mit häufig mehr als 100000 l Inhalt, in denen Penicilliumpilze das Penicillin produzieren.
Bei der chemischen Synthese steuern katalytische Prozesse das Geschehen. Auch die Biosynthese kann man als katalytischen Prozess auffassen. Allerdings wirken hier enzymatische Systeme. Je nach Komplexität des Zielmoleküls können dabei viele Enzyme in einer langen Reaktionskette beteiligt sein. Sie entfalten ihre Aktivität innerhalb lebender Zellen, d. h. innerhalb der Bakterien.
Chemische Reaktionen werden oft bei hohen Temperaturen gefahren, weil die verwendeten Katalysatoren dort besonders effektiv arbeiten. Verlässt man das Optimum, arbeiten sie oft immer noch, nur eben schlechter. Ganz anders hingegen die Enzyme: Ihr Arbeitsoptimum ist sehr eng begrenzt. Für viele Mikroorganismen liegt die optimale Temperatur zwischen 30-50 ºC. Schon kleine Abweichungen können die Synthese ganz zum Erliegen bringen.
Die zum Teil sehr spezifischen Bedingungen für Mikroorganismen schafft man in Fermentern. Sie lassen sich nach zwei grundsätzlich verschiedenen Verfahren betreiben: Bei diskontinuierlichen Chargenverfahren muss das Reaktionsgefäß für jede Produktion neu mit den Ausgangsstoffen und Mikroorganismen beladen werden. Nach vollendeter Synthese lässt man die Brühe ab und isoliert das in ihr enthaltene Produkt. Dieses Be- und Entladen für die Produktionszyklen entfällt bei kontinuierlichen Prozessen, die in einem Fließgleichgewicht arbeiten. Ausgangsstoffe und Zielprodukt fließen kontinuierlich zu und ab, im Einklang mit der Syntheseleistung des jeweils verwendeten Organismus. Diese Betriebsart hat viele Vorteile, doch der Aufwand ist oft hoch. Neben genügender Nährstoffzufuhr brauchen viele Kulturen Sauerstoff, und der pH-Wert muss stabil gehalten werden. Zum Durchmischen sind die Reaktoren mit Rührwerken ausgestattet. Für andere Kulturen ist Sauerstoff wiederum sogar giftig. Die optimalen Wachstumsbedingungen für den jeweiligen Mikroorganismus stimmen nicht immer mit denen überein, bei denen am meisten Zielprodukte synthetisiert werden. Klar dominierend sind kontinuierliche Verfahren in der Abwasserreinigung.
Aufbereitung des Produkts
Der Bioreaktor ist aber nur eine wichtige Komponente im Produktionsprozess. Über die Wahl der technischen Realisierung eines Verfahrens entscheidet die Aufarbeitung der Produkte mit, die im Fermenter gebildet werden. Diese müssen abgetrennt und gereinigt werden, was bei einigen Produkten ihrer Instabilität wegen schwierig ist. Verdampfen oder Destillieren scheiden da meist aus. Als schonende Verfahren können in solchen Fällen Membranfiltration oder Lösungsmittelextraktion eingesetzt werden.