Bioreaktoren sind die idealen Werkzeuge, um die Kraft natürlicher Prozesse zu entfesseln. Durch die Schaffung einer kontrollierten, begrenzten Umgebung für die Fermentation und das Zellwachstum ermöglichen diese Systeme die Verwendung von Organismen und zellulären Komponenten zur Herstellung wichtiger Rohstoffe für verschiedene Anwendungen.
Einführung
The technology and applications of bioreactors are diverse, spanning various industrial sectors and even urban spaces. As such, bioreactors play a crucial role in shaping a more sustainable future, aligning with the principles of Solarpunk. Notably, their process efficiency, low resource intensity, and cost-effectiveness make production more versatile and accessible. This aligns with the vision of Industry 5.0, where stakeholders actively contribute to economic and industrial processes.[1]
Looking back through history, fermentation processes have been used for millennia to produce food and beverages (fermentation is the conversion of sugars into alcohol, gases, or acids by microorganisms). In the past century, biogas (methane) and biofuel (diesel, methanol, ethanol, etc.) production from agricultural waste and wastewater have proven to be cost-effective, safe, and efficient.
Die Bioreaktortechnologie basiert auf dem Prinzip der Beimpfung eines flüssigen oder festen Rohmaterials, wie z.B. eines Wachstumsmediums oder biologischen Materials (im Falle der Fermentation), in einem künstlichen Gefäß – typischerweise aus Metall oder anderen inerten Materialien – um Zellen und Zellbestandteile zu kultivieren oder zu nutzen.[2][3] Diese kontrollierte Umgebung optimiert die Bedingungen, um den Ertrag der gewünschten Bioprozesse und Reaktionen zu maximieren. Zu den Schlüsselfaktoren bei Bioreaktorprozessen gehört die Auswahl des geeigneten Wachstumsmediums (z.B. essentielle Chemikalien für das Zellwachstum und nährstoffreiche Materialien) oder biologischen Materials (z.B. landwirtschaftliche Abfälle), um den gewünschten Ertrag zu erzielen. Bioreaktordesigns variieren je nach Prozessanforderungen, einschließlich der Strömungsdynamik, der Chargengröße und der aeroben oder anaeroben Bedingungen. Ihre Anpassungsfähigkeit in Bezug auf Größe und Volumen macht sie für unterschiedliche Anforderungen überaus skalierbar. In städtischen Umgebungen bieten Bioreaktoren Flexibilität und können auch bei begrenztem Platzangebot installiert werden.
Außerdem werden für die Beimpfung Zellen aus verschiedenen Quellen – wie Pflanzen (z.B. Algen), Pilze, Säugetiere (z.B. tierische Zellen oder menschliche Stammzellen), Hefe, Bakterien oder zelluläre Komponenten (z.B. Enzyme) – in den Bioreaktor eingebracht. Dies ermöglicht die Produktion von Grundstoffen und anderen biologischen Materialien. Da aktive Organismen und zelluläre Komponenten in einer kontrollierten Umgebung eingeschlossen sind, verringern Bioreaktoren das Risiko einer Kontamination, insbesondere bei Abläufen mit genetisch veränderten Organismen (GVO), im Vergleich zu Methoden im Freiland. [4][5]
Anwendungsfälle
Bioreaktoren können für die Produktion einer breiten Palette wertvoller Chemikalien, Gase und Lebensmittelkomponenten eingesetzt werden. Darüber hinaus können sie für die Extraktion und Reinigung von Chemikalien aus Umweltquellen oder bestimmten Rohstoffen verwendet werden. Im Folgenden finden Sie einen kurzen Überblick über die wichtigsten Anwendungen von Bioreaktoren:
Gaserzeugung (z.B. Methan, Wasserstoff)
Bioreaktoren ermöglichen eine anaerobe Vergärung, bei der Verbände von Mikroorganismen organische Substrate in einer sauerstoffarmen Umgebung zersetzen und dabei Biogas erzeugen, das hauptsächlich aus Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) besteht. Dieses Biogas kann durch die Entfernung von CO₂ und Verunreinigungen zu Biomethan aufbereitet werden und eignet sich somit für energetische Anwendungen.[6]
Die Rohstoffe, die für die Erzeugung von Biogas verwendet werden, sind Abwasser, Gülle, Grünabfälle, Abwässer, Siedlungs- und Lebensmittelabfälle.
Außerdem werden Bioreaktoren bei der Biowasserstoffproduktion durch Dunkelfermentation eingesetzt, bei der fermentative Bakterien Kohlenhydrate verstoffwechseln, um Wasserstoffgas (H₂) zu erzeugen. Dieses wertvolle Gas kann für industrielle Prozesse und für Brennstoffzellen für Wasserstoff betriebene Fahrzeuge weiterverwendet werden. [7]
Gasabscheidung (z.B. CO₂-Sequestrierung)
Für die Gasabscheidung nutzen Biofilter und Biotrickling-Filter mikrobielle Gemeinschaften, um flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und andere Schadstoffe zu oxidieren und so Luft zu reinigen. Bei der CO₂-Sequestrierung fangen Mikroalgen-Bioreaktoren CO₂ durch Photosynthese ein und wandeln es in Biomasse um, die zu Biokraftstoffen oder anderen wertvollen Produkten weiterverarbeitet werden kann. Diese Technologien liefern nicht nur erneuerbare Energiequellen, sondern tragen auch zum Umweltschutz bei und entsprechen damit den Solarpunk-Idealen eines nachhaltigen Lebens und ökologischer Harmonie. Die Dezentralisierung der Energieerzeugung und der Abfallentsorgung ermöglichen Gemeinschaften eine größere Selbstversorgung und Autonomie, welche die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und Treibhausgasemissionen reduzieren.
Largest Biogas Plant in the World
Die größte Biogasanlage der Welt befindet sich in Korskro, Dänemark. Diese beeindruckende Anlage, die von Nature Energy betrieben wird, kann jährlich 1 Million Tonnen Lebensmittelabfälle und landwirtschaftliche Reststoffe verarbeiten. Sie produziert jedes Jahr bis zu 27 Millionen Kubikmeter Biogas , welches in das europäische Erdgasnetz eingespeist wird.
To put those numbers into perspective: with 27 million cubic meters of biogas, roughly 7.7 million cars could drive once around the world! (based on 11.48 kilometers per liter or 27 miles per gallon for a mid-size biogas car)
Darüber hinaus ist sie die einzige Großbiogasanlage mit CO2-Abscheidungstechnologie vor Ort, wodurch sie zur Nachhaltigkeit und zur Kreislaufwirtschaft beiträgt.
Kraftstofferzeugung (z.B. Biodiesel, Ethanol, Methanol):
Bioreaktoren werden ebenfalls zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet. Bei der Ethanolproduktion bieten Bioreaktoren eine kontrollierte Umgebung für die Fermentation von Zucker durch Hefestämme wie Saccharomyces cerevisiae, die Glukose in Ethanol und CO₂ umwandeln – ähnlich wie beim Bierbrauen.
Methanol kann über Biokonversionsprozesse mit methanotrophen Bakterien hergestellt werden, die Methan unter aeroben Bedingungen oxidieren. Innovative Ansätze integrieren erneuerbare Energiequellen, indem überschüssige Windenergie für den Betrieb von Photobioreaktoren mit Mikroalgen-Kulturen eingesetztt wird.[8] Diese Algen werden geerntet und verarbeitet, um Lipide zu extrahieren, die zur Herstellung von Biodiesel weiterverarbeitet werden, was einen synergetischen Ansatz für die nachhaltige Kraftstoffproduktion darstellt.[2]
Diese Integration von biologischer Verfahrenstechnik mit erneuerbaren Energiequellen veranschaulicht die Solarpunk-Prinzipien des Solarpunk, dezentrale und umweltfreundliche Methoden der Kraftstofferzeugung zu fördern. Solche Systeme können die Abhängigkeit von zentralisierten Infrastrukturen für fossile Brennstoffe verringern, lokale Gemeinschaften stärken und eine grüne Wirtschaft fördern.
Weitere Einsatzgebiete:
Aktive Biomoleküle, zum Beispiel Enzyme, spielen ebenfalls eine sehr wichtige Rolle. Enzymmembran-Bioreaktoren (EMBRs) erleichtern die kontinuierliche Enzymsynthese und -reinigung, verbessern industrielle Anwendungen und verringern gleichzeitig die Abhängigkeit von chemischen Katalysatoren. Bei der Umweltreinigung haben sich Bioreaktoren bei der Abwasserbehandlung, der Luftfiltration und der biologischen Bodensanierung als sehr erfolgreich erwiesen, indem sie den mikrobiellen Stoffwechsel zum Abbau von Schadstoffen nutzen. In der Materialproduktion ermöglichen sie die mikrobielle Synthese von Biopolymeren, die biologisch abbaubare Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen bieten.
Der medizinische Bereich profitiert von Bioreaktoren in der Gewebezüchtung und der pharmazeutischen Produktion, da sie die Bedingungen für das Zellwachstum und die Herstellung von Impfstoffen optimieren. In der Kosmetikindustrie erzeugen Bioreaktoren mit pflanzlichen Zellkulturen bioaktive Substanzen auf nachhaltige Weise, wodurch die Notwendigkeit einer groß angelegten Landwirtschaft reduziert wird.
In Anbetracht der großen Anzahl verschiedener an Einsatzbereichen von Bioreaktoren werden wir in Folgeartikeln weitere Einzelheiten erläutern.
Zukunft der Bioreaktoren:
A quantitative analysis of market forecasts for bioreactors shows a growing demand for this technology, demonstrating its increasing relevance in global operations. Over the past two decades, the market has grown at an annual rate of 12-14%. It is forecast to increase from $16.7 billion (as of 2024) to $51.7 billion by 2035.[8]
a der biomedizinische Sektor und der Bereich der alternativen Nahrungsmittel weiter expandieren, wird erwartet, dass das Spektrum der Anwendungen von Bioreaktoren stetig wachsen wird, angetrieben durch den Bedarf an innovativen Lösungen. Der Trend zu maßgeschneiderten Reaktordesigns, Single-Use-Varianten und variablen Chargengrößen fördert die Innovation, was wiederum eine Marktstabilisierung erzeugt, die zur breiteren Anwendung der Technologie führt.
Mit Klimawandel, Ressourcenknappheit, Unterbrechungen der Versorgungskette bei Energie und Nahrungsmitteln, extremen Wetterereignissen,[9][10] aufkommenden Krankheiten,[11] und Umweltsanierungsmaßnahmen können Bioreaktoren zu wesentlichen Bestandteilen zukünftiger städtischer Räume werden.[12] Sie ermöglichen die schnelle und sichere lokale Produktion von lebenswichtigen Gütern in der Nachbarschaft. Ihre sterile, kontrollierte Umgebung macht die Produktion in Bioreaktoren weniger anfällig für Störungen von außen, die sich zunehmend auf konventionelle industrielle und landwirtschaftliche Systeme auswirken dürften.
Der medizinische Fortschritt wird zunehmend von Gewebezüchtung, Impfstoffen, High-Tech-Antibiotika und anderen biologisch aktiven Substanzen abhängen – die meisten davon werden wahrscheinlich in Bioreaktoren hergestellt werden.[13] Während Bioreaktoren in der zentralen Produktion und in urbanen Umgebungen weit verbreitet sind, sind sie aufgrund ihrer Vielseitigkeit auch in ländlichen Gebieten ebenfalls zum Einsatz geeignet. Ein Beispiel jenseits eines entwickelten wirtschaftlichen Umfelds sind Innovatoren, die das Design von Bioreaktoren auf einfache Komponenten heruntergebrochen haben und sie so für die Abfallverwertung in Haushalten und Gemeinden zugänglich machen. [14] Damit steht eine billige, sichere und nachhaltige Energiequelle zum Kochen und für andere Anwendungen zur Verfügung, die gefährliche Brennstoffe wie Kohle ersetzt und Umwelt- und Gesundheitsrisiken reduziert.
Insgesamt werden Bottom-up-Ansätze höchstwahrscheinlich einen großen Einfluss auf die Gestaltung des Images der Bioreaktornutzung haben, wobei kleine, billige, aber innovative Bioprozesse außerhalb der entwickelten Volkswirtschaften die Führung übernehmen werden. Selbst in entwickelten Wirtschaftsnationen werden so genannte „Miniatur“-Bioreaktoren an Beliebtheit gewinnen, da sie in der Industrie und in Städten vielseitig einsetzbar sind.
Bioreaktoren in Solarpunk-Gemeinschaften
We hope this discussion has highlighted the significance of bioreactors, their vast range of applications, and the technological sophistication behind them. By harnessing the power of evolution and utilizing biological processes, bioreactors will play a crucial role in producing essential commodities, food, and medical products in the future. Whether in urban or rural settings, developed or developing economies, high-tech or low-tech industries and solutions, the fundamental principles of bioreactors and their processes are indispensable for a more sustainable and resilient future. Bioreactors are not only a key technology today but also have a vital place in shaping a Solarpunk world driven by sustainability, innovation, as well as ecological and social balance.
Quellen:
[1] https://research-and-innovation.ec.europa.eu/research-area/industrial-research-and-innovation/industry-50_en
[2] https://atlas-scientific.com/blog/bioreactor-applications
[3] https://pharsol.com/knowledge-hub/blog/what-are-bioreactors-used-for
[4] https://www.sciencedirect.com/topics/immunology-and-microbiology/bioreactor
[5] https://bioreactors.net/about/what-is-a-bioreactor
[6] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S073497502100015X
[7] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187661021201466X
[8] https://www.power-technology.com/features/flora-to-fuel-could-wind-powered-algae-make-bioreactors-competitive
[9] https://impact.economist.com/projects/trade-in-transition/climate_change
[10] https://climatechange.chicago.gov/climate-impacts/climate-impacts-agriculture-and-food-supply
[11] https://health.ucdavis.edu/news/headlines/experts-warn-climate-change-will-fuel-spread-of-infectious-diseases-/2024/03
[12] https://architizer.com/projects/urban-bio-reactor
[13] https://www.mpg.de/8990858/influenza-vaccine
[14] https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-030-22759-3_177-1
