Studentisches Team der RPTU gewinnt mit energiesparendem Konzept den „99€-Bioreaktor-Wettbewerb“

Bioreaktoren kommen in der biotechnologischen Produktion vielfach zum Einsatz, um nützliche Mikroorganismen zu vermehren. Diese Anlagen kostengünstig, mit einem Budget von nur 99 Euro zu bauen – darum ging es im „99-€-Bioreaktor-Wettbewerb“, der im Juli an der Technischen Universität (TU) Dresden stattfand. Zusätzlich waren Konzepte gefragt, die es ermöglichen, die biotechnologische Produktion mit möglichst wenig Energieeinsatz zu betreiben. Auch ein studentisches Team des Lehrgebiets Bioverfahrenstechnik der RPTU Kaiserslautern-Landau hat sich der Aufgabe gestellt und hierbei den ersten Platz belegt. Der Wettbewerb wird jedes Jahr vom Netzwerk Bioverfahrenstechnik Dresden e. V. an der TU Dresden ausgetragen.

Bioreaktoren sind in der Industrie gefragt, da sich mit ihnen verschiedenste Substanzen und Wirkstoffe biologisch herstellen lassen. Damit die produzierenden Mikroorganismen in Bioreaktoren die optimalen Bedingungen vorfinden, spielen Faktoren wie die Zusammensetzung des eingesetzten Nährmediums, Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffgehalt eine wichtige Rolle. Nicht zuletzt kommen derartige Verfahren etwa beim Brauen von Bier oder der Produktion von Joghurt zum Einsatz.

„Dabei steht unter anderem Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt, das heißt eine hohe Produktausbeute bei geringem Kosten- und Ressourcenaufwand“, erklärt die Doktorandin Elisa Könnel, die die Studierenden zusammen mit ihrer Kollegin Sarah Di Nonno betreut hat. „Dort setzt der 99€-Wettbewerb an und bricht den Industriestandard mit Blick auf das Budget auf einfache bzw. unkonventionelle Konstruktionen herunter.“

Mit Infusionsbeutel und Blasensäule zum 55,76-€-Bioreaktor

Vorgabe des Wettbewerbs war es, mithilfe des Hefepilzes Blastobotrys adeninivorans das Enzym Phytase biotechnologisch zu produzieren. Phytase ist in Futtermitteln für nicht-wiederkäuende Nutztiere (Schweine, Geflügel) enthalten und stellt den lebensnotwendigen Phosphor aus ansonsten nichtnutzbaren Phosphorquellen zur Verfügung. Da zunehmend auch ressourcenschonende Produktionsprozesse in den Mittelpunkt rücken, gab es zusätzlich die Vorgabe, den Energieverbrauch bei der Enzymproduktion soweit möglich zu minimieren.

Die RPTU-Studierenden Eric Seburger, Yannik Schneider und India Dos Santos Pinto fokussierten von Anfang auf energiesparende Technik, anstatt nachträglich einzelne Prozessschritte energetisch zu optimieren. Ein Infusionsbeutel übernahm die kontinuierliche Zufuhr des Nährmediums. Dieser wurde hoch über dem eigentlichen Bioreaktor, einem umfunktionierten Einmachglas, aufgehängt, um eine energiebetriebene Pumpe zu sparen. Über Schläuche gelangten des Weiteren der für die Produktion benötigte Sauerstoff ins Reaktionsgefäß mit den Hefepilz-Kulturen. Hierfür brauchte es eine Pumpe, so dass das System nicht ganz ohne elektrische Komponenten auskam. Diese eine Pumpe macht sich jedoch beim Reaktorbetrieb energetisch bezahlt: Sie führte den Sauerstoff über einen Luftstein im Boden des Reaktors zu, wie er etwa auch in Aquarien zum Einsatz kommt, um mittels Sprudeleffekt die Durchmischung zu fördern. Diese Fahrweise wird als Blasensäule bezeichnet. Somit war ein energiebetriebener Rührer nicht erforderlich. Die Aufhängung für alle Komponenten übernahm ein Dreibein aus Bambus. Das Gesamtbudget für diesen Ansatz belief sich auf 55,76 Euro.

Beste energiebezogene Produktausbeute

Beim Wettbewerb hatten die insgesamt acht teilnehmenden Teams drei Stunden Zeit, das von ihnen im Vorfeld perfektionierte Produktionsverfahren vor Ort zum Laufen zu bringen. Dann wurden gleichzeitig die Hefepilz-Kulturen in die Bioreaktoren eingebracht, um die Phytase-Produktion zu starten. Der Fermentationsprozess lief 24 Stunden, ohne dass eine Interaktion erlaubt war. Dabei überzeugte das studentische Team der RPTU nicht nur in punkto Gesamtbudget und Funktionsfähigkeit, sondern auch mit der besten energiebezogenen Produktionsausbeute.

Was nehmen die Studierenden aus dem Wettbewerb für sich mit? „In Vorlesungen hatten wir gelernt, wie man einen Bioreaktor aufbaut und betreibt“, sagt Eric Seburger. „Beim Wettbewerb haben wir jedoch wegen des geringen Budgets und der Vorgabe, möglichst energiesparende Technik einzusetzen, neue Wege beschritten und unkonventioneller gedacht. Zudem haben wir gelernt, mit dem vorgegebenen Hefepilz und seinen spezifischen Anforderungen umzugehen. Denn jeder Mikroorganismus ist anders.“

Der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der RPTU hat bereits zum vierten Mal am 99-€-Bioreaktor-Wettbewerb teilgenommen und verzeichnet nach 2019 jetzt den zweiten Sieg.

Weiterführende Informationen zum Wettbewerb:
netzwerk-bioverfahrenstechnik.de

Fragen beantworten:

Elisa Könnel und Sarah Di Nonno
Tel.: 0631 205 5664 bzw. 5441
E-Mail: elisa.koennel[at]mv.rptu.de / sarah.dinonno[at]mv.rptu.de