Biotechnologie statt Chemie

Artikel vom 25. September 2020 

Biotechnologische Produktion

Egal ob Medikamente, Lebensmittel oder Alltagsprodukte, wie Wasch- und Reinigungsmittel: Biotechnologie ist zu einem festen Bestandteil der industriellen Produktionsverfahren geworden. Dies liegt am umweltschonenderen Produktionsprozess. Denn Mikroorganismen, wie Bakterien, Algen oder Pilze, bewerkstelligen komplexe Stoffumwandlungen mit hoher Ausbeute bei Raumtemperatur und unter Normaldruck. Chemische Verfahren benötigen hingegen oft hohe Temperaturen und Drücke. Zudem entstehen Abfallprodukte, die die Umwelt belasten.

Bei Tensiden läuft die biotechnologische Produktion beispielsweise folgendermaßen ab: In einem Behälter werden Mikroorganismen mit Extrakten aus Zuckerproduktionsresten, aber auch mit Extrakten von Holz, Insekten usw. gefüttert. Außerdem wird Luft beigefügt. Daraufhin produzieren die Mikroorganismen die gewünschten Tenside. Diese sind wichtige Wirkstoffe für die Reinigung, da sie Fett lösen und binden.

Um die optimale Menge an Tensiden zu erhalten, ist es wichtig, genügend Mikroorganismen, auch Biomasse genannt, heranzuzüchten. Hierfür müssen Luft und eine bestimmte Art und Menge an Zuckern hinzugefügt sowie die Temperatur und der pH-Wert nachgeregelt werden. Wie die Rahmenbedingungen angepasst werden, wird je nach Wachstumsrate der Biomasse entschieden: Ist beispielsweise zu wenig Biomasse da, kann es sinnvoll sein, mehr Nährstoff zuzugeben als ursprünglich geplant, damit die Biomasse schneller wachsen kann.

Grob vereinfacht führt die Fütterung von Zuckern und Sauerstoff zum Wachstum der Biomasse. Das Stoffwechselprodukt der Biomasse ist dabei CO2.
Grob vereinfacht führt die Fütterung von Zuckern und Sauerstoff zum Wachstum der Biomasse. Das Stoffwechselprodukt der Biomasse ist dabei CO2.

Mit Softsensorik die Biomasse relativ genau und kostengünstig bestimmen

Das Messen der Biomasse ist eine von zahlreichen Herausforderungen. Es ist in preissensitiven, industriellen Herstellungsverfahren oft zu ungenau oder zu teuer, als dass die biotechnologische Produktion von Massenprodukten, wie Tensiden, konkurrenzfähig wäre. Daher wird hier meist noch auf eine chemische Produktion gesetzt.

Um die Kosten zu senken, untersucht Festo zur Bestimmung der Biomasse, also der Menge der Bakterien, das relativ genaue und kostengünstige Verfahren der Softsensorik. Dabei werden bereits vorhandene Messdaten und andere bekannte Informationen verwendet, um daraus die unbekannte Größe – hier die Summe der Mikroorganismen, sprich die Biomasse – zu berechnen.

In die Berechnung fließen unter anderem die Zufuhr an Nährstoffen und Luft sowie die Messwerte von Temperatur, gelöstem Sauerstoff, Druck, Reaktorfüllstand, pH-Wert und die Menge des von den Bakterien ausgeatmeten CO2 mit ein. Dadurch, dass die Daten kontinuierlich online erfasst werden, kann der Prozess optimiert und die Produktausbeute gesteigert werden. Dank diesem kostengünstigen Berechnungsverfahren werden biotechnologische Verfahren immer mehr zu einer Alternative zur Chemie.

In die Berechnung der Biomasse werden unter anderem die Zufuhr an Nährstoff und Luft, der Reaktorfüllstand und die Menge des von den Bakterien ausgeatmeten CO2 mit einbezogen.
In die Berechnung der Biomasse werden unter anderem die Zufuhr an Nährstoff und Luft, der Reaktorfüllstand und die Menge des von den Bakterien ausgeatmeten CO2 mit einbezogen.

Auch für andere Produkte gibt es biotechnologische Alternativen zu chemischen Verfahren. Hierbei laufen die Prozesse sehr ähnlich ab, wie bei den Tensiden. Beispielsweise werden in der Lebensmittelindustrie Schimmelpilze eingesetzt, um Zitronensäure zu produzieren. Genetisch modifizierte Bakterien können außerdem medizinische Wirkstoffe, wie menschliches Insulin, herstellen.