Was ist die Biotechnologie?

Die Biotechnologie ist eine Branche die sich mit der Gewinnung von für den Menschen wichtigen Produkten, Stoffen und Prozesse mit Hilfe von Mikroorganismen beschäftigt. Der Ursprung der Biotechnologie ist mit der Wein- und Käseherstellung schon in sehr alten Zeiten verbunden. Selbstverständlich, daß damals noch keine solchen Begriffe gebraucht wurden. Heute ist es nicht mehr so einfach, zu verstehen, wo die Anwendungsgrenzen der Biotechnologie liegen, weil diese mit anderen Bereichen der Wissenschaft und der Technik, zum Breispiel, mit der Molekülarbiologie, mit der genetischen Technologie und der Gentechnik, der Biochemie, den chemischen Technologien u.a., kombiniert wird.

Die Biotechnologie gehört zu unserem Leben mehr als wir gewöhnlich gemeint haben. Sie hat die Anwendung für die Bedürfnisse verschiedener Branchen gefunden:

1. Bedürfnisse der Lebensmittelindustrie - Zitronensäure, Aminosäure und Lebensmittelzutaten;
2. für die Landwirtschaft - Mittel für den Pflanzenschutz, modifizierte Nahrungsmittel;
3. für die Medizin - Antibiotika, Interferon, Vitamine, Impfstoffe und andere Präparate;
4. für den Umweltschutz - Stoffe und Prozesse für den Verschmutzungsabbau;
5. im Energiewesen - Biogas, Ethanol und andere Energieträger;
6. für die chemische Industrie - Ethylen, Azeton, Butanol und andere Stoffe.

Das sind weit nicht alle Anwendungsbereiche. Es gibt Forschungen und Erfahrungen, wodurch die Vermehrung von immer mehr komplizierten lebendigen Zellen ermöglicht wird. Die Biotechnologie entwickelt sich kontinuierlich, und keiner wird riskieren, die Entwicklungsmöglichkeiten zu prognostizieren. Das Entwicklungstempo hat schon heute ein Niveau erreicht, bei welchem die Öffentlichkeit verpflichtet wird, die Entwicklungsrichtung zu kontrollieren.

Zur Erreichung des erforderlichen Zieles besitzen die Prozesse der Biotechnologie üblicherweise 3 Hauptetappen:

1. Vorbereitung der zu kultivierenden Mikroorganismen und der Nahrungsstoffe für den Prozeß der Kultivierung;
2. Verlauf des Vermehrungsprozesses der Mikroorganismen in Bioreaktoren (auch Fermentoren genannt) oder in den anderen Anlagen fûr die Kultivierung;
3. Gewinnung des Stoffes des Endproduktes aus dem kultivierten Medium. Diese Etappe umfaßt Operationen, wie Ausscheidung, Reinigung und andere Technologien, die mit der Erreichung der Produktform verbunden sind.

Wozu braucht man den Bioreaktor?

Der Bioreaktor ist eine Anlage, die Bedingunge für die Vermehrung von Mikroorganismen gewährleistet. Die Mikroorganismen können abhängig von ihrer Art unterschiedlich sein. Allerdings die Ausmasse wird im jeden Fall von einigen ìm gesprochen. Bei der Vermehrung von Mikroorganismen kann ihre Anzahl 1 Million per ml erreichen. Um die visuelle Vorstellung von den Mikroorganismen zu verdeutlichen, kann man sich die Sammlung der elektromikroskopischen Aufnahmen ansehen:

Die Aufnahmen von verschiedenen Mikroorganismen

Die Mikroorganismen wachsen in einem nahrhaften Medium, wovon sie die für die Vermehrung notwendigen Stoffe erhalten. Zusätzlich kann als noch ein Nahrungselement mit Hilfe der Druckluft zugeführter Sauerstoff benutzt werden. Damit die Vermehrung und die Ernährung der Mikroorganismen erfolgreich verlaufen könnte, müssen die Verhältnisse des Außenmilieus genau eingehalten werden, weil die Mikroorganismen in dieser Hinsicht viel empfindlicher als Menschen sind. Deshalb muß auch im diesen Haus der Welt von Mikroorganismen - im Bioreaktor ein viel höheres Komfortniveau sichergestellt werden. Die Temperaturänderungen dürfen genauso wie in einer gut eingestellten Dusche in jede Richtung nicht mehr als 1°C betragen. Das Medium muß genau so sauer sein, wie es den betreffenden Mikroorganismen bestens gefällt - und keine Abweichungen zu anderem Geschmack. Je mehr sich die Mikroorganismen vermehrt haben, desto mehr Sauerstoff muß zugeführt werden. Also verlassen Sie die Mikroorganismen nicht ohne Nahrung in der Flüssigkeit und vergessen Sie nicht über die Sauerstoffzufuhr! Genauso darf es nicht vergessen werden, daß alle notwendigen Komponenten des Nährbodens vorhanden sein müssen. Ansonsten können sie wegen der übermäßigen Empfindlichkeit entweder sterben, oder ganz andere Arbeit leisten, als wir für sie geplant haben, d.h., etwas anderes zu synthetisieren beginnen. Man muß wohl auch nicht übertreiben - wenn zu viel Sauerstoff zugeführt wird, können sie sich "verschlucken"! Und es ist schwer vorzusehen, wie die Folgen dann sein werden. Dabei muß man auch nicht vergessen, daß diese Welt - der Bioreaktor gut verschlossen sein muß. Ansonsten werden die Wilder (d.h., zum Beispiel die wilden Hefen) dort einbrechen und unseren Mikroorganismen die Nahrung wegnehmen. Dann werden wir nach einiger Zeit, wenn wir in den Bioreaktor einsehen wollen, feststellen müssen, daß es unsere feinen Mikroorganismen dort nicht mehr gibt, sondern alles von wilden Hefen bewohnt wird. Deshalb müssen wir darüber denken, damit alles hermetisch verschlossen wäre. Falls eine Probe entnommen werden muß, ist es so zu machen, damit die "schlechten" Mikroorganismen ins Behälter des Bioreaktors nicht gelangen könnten. Die Mikroorganismen sind anspruchsvoll - sie werden nicht einverstanden sein, sich zu vermehren, wie es sich trifft. Sie erkennen nur Edelstahl, gutes Glas, Teflon und vielleicht noch einige chemisch neutrale Stoffe für geeignet. Im Inneren des Reaktors dürfen keine verzinkten Schrauben sein, und man darf keine Fühler mit Messingteilen benutzen! Und bevor man sich in dieses Haus einzieht, muß es gut gereinigt und gewaschen sein, sowohl müssen die Reste der "schlechten" Mikroorganismen gnadenlos vernichtet sein. Es läßt sich nicht anders erreichen als mit einer einfachen, vernichtenden Sterilisation.

Vorbereitung des Bioreaktors zum Betrieb

Damit die Kultivierung von Mikroorganismen stattfinden könnte, ist folgendes erforderlich:

1. Vorbereitung des Bioreaktors zur Kultivierung;
2. Sterilisation des Bioreaktors;
3. Vorbereitung des Saatmaterials - des Inokulanten.

Bei der Vorbereitung des Bioreaktors zur Kultivierung handelt es sich darum, daß das Behälter des Bioreaktors und die notwendigen Zuleitungen gereinigt bzw. gespült sind, alle notwendigen Fühler im Bioreaktor untergebracht sind und alle anderen für den Prozeß unentbehrlichen Geräte (Pumpen, Titriergefäße u.a.) angeschlossen sind. Das Behälter und die Zuleitungen des Bioreaktors müssen sterilisiert werden, damit die eventuellen Infektionsherde beseitigt würden. In den Laborbioreaktoren wird abhängig von der Konstruktion und vom Inhalt des Bioreaktors eine der folgenden Sterilisationsmethoden angewandt:

1. Autoklaieren - die Bearbeitung des Behälters und der (verschlossenen) Zuleitungen des Bioreaktors im Autoklav.
2. Sterilisation am Ort - die Dampfzufuhr zum Mantel des Bioreaktors. Im diesen Fall wird der Bioreaktor nicht befördert, und üblich wird der Mantel des Bioreaktors an Rohrleitungen des Dampfsystems mit Hilfe eines 3-Gang-Ventils angeschlossen.
3. Sterilisation vom Innen (in situ) - im diesen Fall wird üblicherweise mit im Inneren des Bioreaktors befindlichen Heizelementen eine Erwärmung der Innenseite des Behälters bis zur Temperatur der Sterilisierung sichergestellt. Im Fall einer solchen Sterilisation muß der Glasteil des Behälters des Bioreaktors mit einem Metallmantel geschützt sein.

Die 1. Variante wird vor allem für Reaktoren aus Glas oder aus Stahl / Glas mit dem Volumen von bis zu 10 Litern angewandt, weil die Unterbringung von größeren Reaktoren um Autoklav schwierig ist.

Die 2. Variante wird vor allem für Reaktoren aus Stahl und Stahl / Glas mit einem Stahlmantel angewandt.

Die 3. Variante wird vor allem für Reaktoren des Typs bench-top mit eingebauter, ausreichend leistungsfähiger Heizung, einem Thermostat oder Dampfgenerator angewandt. Diese Variante wird üblicherweise für Reaktoren der entsprechenden Konstruktion mit dem Volumen bis zu 20 Litern angewandt.

Während der Sterilisierung müssen das Behälter des Bioreaktors und die entsprechenden Zuleitungen hermetisch verschlossen sein, damit die in der Umgebung herumtreibenden Mikroorganismen nicht herankommen könnten. Mehr detailliert kann man sich mit der Sterilisierung des Bioreaktors in folgenden Hinweisen bekanntmachen:

Am Nährboden kann separat sterilisiert und danach steril in den Bioreaktor eingeführt werden (zum Beispiel, mit Hilfe einer Peristaltikpumpe). Es kommt auf vor, daß der Nährboden in den Bioreaktor untergebracht und zusammen mit dem Bioreaktor sterilisiert wird.

Verlauf der Kultivierung von Mikroorganismen

Der Verlauf der Kultivierung von Mikroorganismen - die Fermentation beginnt ab dem Moment der sterilen Einführung des vorher vorbereiteten (in einem Kolben oder in einem anderen, kleineren Bioreaktor) Saatmaterials in den Bioreaktor.

Die Vermehrung der Kultur von Mikroorganismen wird durch 4 Zeitphasen charakterisiert:

1. Lagphase;
2. Exponentielle Phase;
3. Stationäre Phase;
4. Absterbungsphase.

Während der Lagfphase ist der Zellenmetabolismus ist auf die Vermehrung von Fermenten im konkreten Nährboden gerichtet. Die Dauer der Lagphase kann auch für eine und dieselbe Kultur der Mikroorganismen beim bestimmten Nährboden variabel sein, weil es von mehreren Faktoren abhängig ist. Zum Beispiel, davon, von der Anzahl im Saatmaterial von Zellen, die nicht wachsen.

Bei der exponentiellen Phase geht es sich um reine Wachstumsperiode, in der die Zellenspaltung mit einer logarithmischen Vergrößerung der Anzahl der Population stattfindet. Eine so rasche Erhöhung des Wachstumstempos gibt es eine beschränkte Zeit in einer bestimmten Menge des Nährbodens. Die Ressourcen der Nährstoffe werden ausgeschöpft, oder der Prozeß wird durch die Ausscheidung eines toxischen Metabolilts inhibiert.

Das Wachstum wird unterbrochen, und beginnt die sogenannte stationäre Phase. Obwohl die Wirkung des Metabolismus der Zellen sich fortsetzt, kann der Prozeß der Ausscheidung der sekundären Metaboliten beginnen. In vielen Fällen ist der Zweck der Fermentation nicht die Gewinnung von Biomassen, sondern von sekundären Metaboliten, weil sie als Rohstoffe für die Herstellung von wertvollen Produkten und Präparaten gebraucht werden können. Im solchen Fall wird die Fermentation zweckmäßig in der stationären Phase gehalten.

Falls die Fermentation einige Zeit in der stationären Phase fortgesetzt wird, kann ein allmählicher Verlust der Zellenaktivität, d.h., das Absterben, anfangen.

Dem Charakter der Ernährung nach kann der Prozeß der Kultivierung von Mikroorganismen 3 Arten haben:

1. Periodischer Prozeß
2. Ernährungsprozeß
3. Kontinuierlicher Prozeß

Beim periodischen Prozeß wird der Bioreaktor mit einem frischen Nährboden gefüllt und darin wird das Saatmaterial eingeführt. Am Abschluß des Prozesses der Fermentation wird der Inhalt zur Phase der Ausscheidung geführt, der Reaktor wird gereinigt und sterilisiert, damit er zum nächsten Prozeß vorbereitet wäre.

Beim Ernährungsprozeß wird im Bioreaktor kontinuierlich oder portionsweise ein frischer Nährboden zugeführt (die Intensität der Ernährung wird üblicherweise mit der Geschwindigkeit des Wachstums oder der Biosynthese verbunden). Wenn der Bioreaktor voll ist, wird er vollständig oder teilweise entleert. Der Prozeß wird entweder abgeschlossen, oder wiederhergestellt.

Beim kontinuierlichen Prozeß oder Hermostat wird die im Bioreaktor kultivierte Flüssigkeit kontinuierlich abgeleitet. Der kontinuierliche Prozeß kann sehr lange dauern, und die Dauer ist vor allem von den Produktionsbedürfnissen und von den technischen Faktoren abhängig.

Meistens verbreitet ist die Fermentation mit der Ernährung, die vor allem für die biologischen Produkte angewandt wird. Im diesen Fall werden die Nachteile der periodischen Prozesse mit unwesentlichen technischen Änderungen beseitigt.

Die kontinuierlichen Prozesse oder Hermostaten werden vor allem zur Gewinnung von Biochemikalien in umfangreichen Produktionen angewandt. Solche Prozesse sind aus der Produktionssicht am wirtschaftlichsten. Obwohl für ihre Anwendung wesentliche technische Änderungen und vertieftes Verständnis an der Kinetik der in Betracht kommenden Fermentation erforderlich sind.

Mehr detalisierte Information über Kultivierung von Mikroorganismen und Bioreaktoren