Biotechnologische Prozesse
Biotechnologische Verfahren nutzen biologische Prozesse aus, um bestimmte Ausgangsstoffe biochemisch in ein gewünschtes Produkt umzuwandeln. Im Unterschied zu rein chemischen Verfahren setzt die Biotechnologie auf die Umwandlung von Stoffen mit Hilfe natürlicher Systeme, wie Mikroorganismen oder Enzyme. Enzyme wirken als sogenannte Biokatalysatoren: Sie ermöglichen chemische Reaktionen meist unter viel milderen Bedingungen als die klassischen chemischen Reaktionswege, die häufig viel Energie oder starke Chemikalien benötigen. In lebenden Organismen, wie beispielsweise in unserem Körper, laufen ununterbrochen Millionen biochemische Reaktionen ab, bei nur ca. 36 °C und unter sehr milden Bedingungen. Damit ist unser Organismus auch eine große biochemische Fabrik, durch deren Reaktionsprodukte uns ein Leben ermöglicht wird. Würde man diese Prozesse in einer Chemiefabrik nachahmen, wären viele teure, komplexe Anlagen nötig, die viel Energie und Ressourcen verbrauchen würden. Genau deshalb nutzt die Biotechnologie die besonderen Fähigkeiten biologischer Systeme, um effizient und ressourcenschonend zu arbeiten.
Bereits vor Tausenden von Jahren nutzten Menschen biochemische Prozesse bei der Herstellung von Lebensmitteln aus. Hefen und Milchsäurebakterien wurden zur Herstellung von Essig, Joghurt, Bier und Wein eingesetzt. Heute geht die Biotechnologie weit darüber hinaus: Mikroorganismen oder ihre Bestandteile werden teilweise gezielt verändert und optimiert, damit sie bestimmte Stoffe besonders effizient produzieren können. Auf dieses Weise entstehen moderne Produkte wie Impfstoffe, Krebsmedikamente, Waschmittelenzyme, Kunststoffe, Chemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen oder andere wichtige biotechnologische Erzeugnisse, die in Medizin, Industrie und Alltag eine große Rolle spielen.
Ein Beispiel für ein biotechnologisches Verfahren ist die Herstellung von laktosefreier Milch. Menschen, die das Enzym Lactase nicht besitzen, um den in der Milch enthaltenen Milchzucker/Laktose zu spalten, vertragen keine normale Kuhmilch. Bei der Herstellung laktosefreier Milch wird der Milch das Enzym Lactase zugesetzt, um den Milchzucker in seine Bestandteile Glucose und Galactose zu spalten. Diese Einzelbestandteile des Milchzuckers werden von den meisten Menschen vertragen.
Damit biologische Systeme für technische Zwecke eingesetzt werden können, braucht man Wissen aus mehreren Bereichen:
- Biologie – um Mikroorganismen und Enzyme zu verstehen, zu züchten und optimieren
- Chemie – um die Stoffumwandlungen zu erklären und steuern zu können
- Ingenieurwissenschaften – um Anlagen und Prozesse zu entwickeln
Biotechnologie ist deshalb ein interdisziplinäres Feld, bei dem diese drei Bereiche eng zusammenarbeiten.
Die Entwicklung neuer biotechnologischer Verfahren gehört dadurch nicht nur zu einem bedeutenden Teil der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung, sondern ist auch ein zentraler Motor für Innovationen, die unsere Gesellschaft nachhaltig prägen. Sie reicht von der Gesundheitsversorgung über die Lebensmittelproduktion bis hin zum Umwelt- und Klimaschutz.
Mit dem Forschungsgebiet der produktiven Biofilmsysteme möchte man untersuchen, wie man biotechnologische Verfahren noch einfacher und ressourcenschonender durchführen könnte.
Produktive Biofilmsysteme SPP 2494
Die Deutsche Forschungsgesellschaft DFG fördert ein deutschlandweites Projekt mit 12 Forschungsinstituten, um herauszufinden, wie man Biofilme technologisch nutzen kann
Bei klassischen biotechnologischen Verfahren, bei denen man Mikroorganismen züchtet, arbeitet man oft in gerührten flüssigkeitsgefüllten Reaktionsbehältern, den sogenannten Fermentern. Man kann sich das wie einen großen fest verschlossenen Topf mit einem Rührer in der Mitte vorstellen, in den verschiedene Zuleitungen und Messeinrichtungen hineinführen. Änderungen der Bedingungen, wie Temperatur, Nahrungsquelle, Säure- oder Laugenzugabe werden über die Strömung schnell in das System transportiert und dabei verteilt. Die Mikroorganismen oder Enzyme „spüren“ diese Änderung sofort und reagieren. Bei ungünstigen Veränderungen ist die Reaktion negativ, was die Leistungsfähigkeit der biochemischen Synthese beeinträchtigten kann. Um das zu vermeiden, versucht man die Prozesse sehr genau und feinabgestimmt zu steuern. Die dafür benötigten Geräte und Einrichtungen sind technologisch meist teuer und man benötigt gut geschulte Mitarbeiter, die damit umgehen.
Die hohe Beständigkeit von Biofilmen würde empfindliche Prozesse stabiler machen und damit eine kostengünstigere und nachhaltigere Produktion ermöglichen. Dadurch, dass in einem Biofilm die Mikroorganismen geschützt werden, würde sie jede Veränderung nur indirekt und abgepuffert treffen und nicht unmittelbar wie in freier Lösung. Die Nachteile eines stabilen, langsam auf Veränderungen reagierenden Systems sind beispielsweise die Auswirkungen auf die Umsetzungsraten. Langsamere Transportprozesse bedeuten auch weniger Produkt pro Zeiteinheit im Film, was einen Einfluss auf die sogenannte Produktionsrate, also Produktionsmenge pro Zeiteinheit hat. Diese Faktoren spielen in der industriellen Produktion eine große Rolle, da man in kurzer Zeit viel produzieren möchte. Um das Ziel zu erreichen, könnte man beispielsweise entsprechend größere Systeme bauen, oder die Biofilmoberfläche durch Hohlraumstrukturen vergrößern.
Um die komplexen Regulationsvorgänge in Biofilmen besser zu verstehen und auch die Grenzen der Systeme zu erkennen, sind Untersuchungen in allen Disziplinen notwendig. Biologen und Chemiker untersuchen beispielsweise die chemischen Reaktionen in Biofilmen, Kommunikationswege und genetischen Programmierungen der Mikroorganismen. Verfahrenstechniker überlegen sich Reaktoren und Steuerungselemente, um optimale Bedingungen in produktiven Biofilmen für die Synthese von den gewünschten chemischen Verbindungen zu entwickeln, sowohl im Versuchsaufbauten für die Forschung als auch die spätere Übertragung in ein größeres Produktionsvolumen in der Industrie.
Versuche müssen in der Forschung oft wiederholt werden, um genügend verlässliche Ergebnisse zu erhalten, aus denen man belastbare Aussagen ableiten kann. Apparaturen und die Bedingungen sollten daher stabil sein. Man sollte nur einen Parameter verändern und messen, welche Auswirkungen die Veränderung hat. Möchte man beispielsweise das Wachstum bestimmter Bakterien beobachten, sollte man nicht gleichzeitig die Temperatur, die Apparatur und den Nährstoff verändern, denn sonst wüsste man hinterher nicht, worauf beispielsweise eine bessere Umsetzung der Nahrung zurückzuführen wäre.
Die sogenannte Reproduzierbarkeit, also Wiederholbarkeit von Versuchen, bei der stets sehr ähnliche Ergebnisse erhalten werden, ist für die Forschung, aber auch später bei der industriellen Umsetzung sehr wichtig. Nur aus wiederholbaren Ergebnissen kann man verlässliche Aussagen für ein System ableiten und damit Prozesse gut steuern. Das ist wie bei einem Backrezept. Ein Rezept sollte alles genau beschreiben, so dass jedes Mal der gleiche Kuchen entsteht. Steht nicht die genaue Zuckermenge, oder nicht auf die genaue Ofentemperatur im Rezept und ich verändere es jedes Mal, werde ich unterschiedliche Kuchen backen. Kunden, die den Kuchen essen, würde ihn nicht wieder kaufen, da sie jedes Mal ein anderes Produkt erhalten. Oder wenn man sich vorstellen würde, dass ein Auto nicht immer nach rechts fährt, wenn man das Lenkrad nach rechts dreht. In so einem Fall könnte man das Auto nicht kontrollieren.
Bevor man also teure großtechnische Produktionsanlagen für den Einsatz von Biofilmen entwickeln kann, ist es wichtig, dass man das komplexe Biofilmsystem genau untersucht und versteht, welche Faktoren einen Einfluss haben und wie sie gesteuert werden müssen. Man fängt im kleinen Labormaßstab an und sucht nach den richtigen Stellschrauben, bevor man in die größeren Maßstäbe, wie Technikums- und Produktionsmaßstab gehen kann. Forschung ist nicht immer vorhersehbar, so dass man mitunter länger sucht, um die richtigen Stellschrauben zu finden, oder manchmal sogar nicht alle Schrauben findet.