Bioreaktoren

Was ist ein Bioreaktor?

Bioreaktoren lassen sich ins Japanische als biologische Reaktionsgeräte übersetzen und gehören zum Bereich der Biotechnologie. Bioreaktoren sind Systeme, die die Mechanismen chemischer Reaktionen in lebenden Organismen, wie z. B. Enzyme und Zellen, nutzen, um industriell nutzbare Stoffe usw. herzustellen, und die in der Lebensmittelindustrie, der Landwirtschaft, der Industrie, der Medizin, der Analyse und anderen Bereichen weit verbreitet sind.

In-vivo-Reaktionen haben zwar den Nachteil, dass sie langsamer ablaufen als chemische Reaktionen, bieten aber andere Vorteile, wie z. B. weniger Nebenprodukte und keinen Verlust an katalytischer Aktivität, und sind zudem kostengünstiger, da sie ohne hohe Temperaturen und Drücke ablaufen können, so dass keine druck- und hitzebeständige Ausrüstung erforderlich ist.

Verwendungszwecke von Bioreaktoren

Bioreaktoren werden von den Menschen seit der Antike verwendet. Dazu gehören Miso, Sojasauce, Sake und Wein, die durch die Reaktion von Hefe und Hefe mit den Rohstoffen, wie Sojabohnen, Reis und Fruchtsaft, hergestellt werden.

In der heutigen Zeit ist die Forschung und Entwicklung verschiedener Bioreaktoren-Technologien entsprechend ihren Eigenschaften und Verwendungszwecken fortgeschritten. So hat beispielsweise die Immobilisierung von Enzymen (die sie für eine wiederholte Verwendung verfügbar macht) die Massenproduktion von Aminosäuren und Zuckern ermöglicht, was zu ihrer Verwendung in der Lebensmittelindustrie geführt hat, sowie die Entwicklung von Instrumenten wie Autoanalysatoren und Biosensoren, d. h. physikalisch-chemische Analyseinstrumente zum Nachweis und zur Quantifizierung von Substanzen.

Weitere Anwendungen sind Reaktionen in Pflanzenzellen, tierischen Zellen wie Leber- und Blutzellen, intrazellulären Organellen wie Mitochondrien und Pigmentkörpern, Hormonrezeptoren und Antikörpern.

Prinzip der Bioreaktoren

Bioreaktoren arbeiten durch die Synthese, den Abbau, die Umwandlung und die Entfernung von Reaktanten als Rohstoffen mit immobilisierten Enzymen und anderen Reaktionselementen unter kontrollierter und regulierter Temperatur, pH-Wert und Druck, um das Zielprodukt zu erhalten.

Neben gereinigten Enzymen werden auch Zellen und Mikroorganismen als Reaktionselemente verwendet. Reaktionselemente können durch eine Trägerbindungsmethode, bei der sie an einen unlöslichen Träger gebunden werden, eine Vernetzungsmethode, bei der Reaktionselemente miteinander vernetzt werden, oder eine Einschlussmethode unter Verwendung eines Einschlussmittels immobilisiert werden. Die Immobilisierung des Reaktionselements erleichtert die Trennung des Reaktionselements von der Produktsubstanz. Es gibt auch Verfahren, bei denen die Reaktionselemente ohne Immobilisierung suspendiert werden.

In Bioreaktoren unterscheiden sich die Methoden der Belüftung, des Rührens, des Mischens und der Steuerung der Reaktionstemperatur stark, je nachdem, ob die Reaktion im flüssigen oder festen Zustand durchgeführt wird. Handelt es sich bei den Reaktionselementen beispielsweise um aerobe Organismen, ist eine Belüftung erforderlich, so dass eine Belüftungs- und Rührmethode angewandt wird, oder es wird eine Airlift-Methode gewählt, bei der Luftblasen aus einem Saugrohr im Inneren des Gefäßes aufsteigen. Bei photosynthetischen Organismen muss die Flüssigkeit mit gelösten organischen Stoffen, anorganischen Salzen wie Stickstoff und Phosphor, Vitaminen und anderen bioaktiven Stoffen sowie mit Licht versorgt werden.

Bei Mikrobioreaktoren, die für die Analyse verwendet werden, können Gefäße in der Größenordnung von einigen µl verwendet werden, und die Temperatur und das Flüssigkeitsvolumen müssen stärker kontrolliert werden, um Messfehler zu vermeiden.

Synthese optisch aktiver Substanzen in Bioreaktoren

Bioreaktoren werden auch häufig für die Synthese optisch aktiver Substanzen verwendet. Ein Katalysator, der häufig für die Synthese optisch aktiver Substanzen verwendet wurde, ist der Biokatalysator. Zu den Vorteilen der Verwendung von Biokatalysatoren gehören die folgenden Merkmale.

• Viele von ihnen zeigen eine ausgezeichnete katalytische Aktivität in Umgebungen, die für uns einfach zu handhaben sind: normale Temperatur, normaler Druck und ein nahezu neutraler pH-Wert.
• Selektive Reaktionen finden nur an bestimmten Stellen in der Verbindung statt. Im Allgemeinen entstehen nur wenige Nebenprodukte, und es können Reaktionen mit hoher Ausbeute erwartet werden.
• Dank der Substratspezifität können Reaktionen nur an bestimmten Verbindungen durchgeführt werden, auch wenn mehrere Verbindungen vorhanden sind. Selbst wenn racemische Verbindungen verwendet werden, ist es möglich, nur mit dem R- oder S-Körper zu reagieren.
• In vielen Fällen wird die Reaktion in Wasser durchgeführt, so dass man sich keine Gedanken über Dehydratisierung oder Entgasung machen muss.
• Die funktionellen Gruppen sind hochselektiv, so dass nur Ketone in Gegenwart von Ketonen und Aldehyden reduziert oder selektive Nitrile in Gegenwart von Estern hydrolysiert werden können.

Anwendungen von Bioreaktoren in der regenerativen Medizin

Im Bereich der regenerativen Medizin können Bioreaktoren zur effizienten Kultivierung einer großen Anzahl von Zellen eingesetzt werden.

Pluripotente Stammzellen wie ES- und iPS-Zellen ziehen aufgrund ihrer unbegrenzten Proliferationsfähigkeit und Multipotenz die Aufmerksamkeit als wichtige Zellquelle in der regenerativen Medizin auf sich. Es wird erwartet, dass insbesondere iPS-Zellen in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, da sie weniger ethische Hürden aufweisen als ES-Zellen. Andererseits ist für den Einsatz dieser Zellen in der regenerativen Medizin ein stabiler Vorrat von etwa 1-10 Milliarden Zellen erforderlich. Ein wichtiger Punkt bei schwimmenden 3D-Kultursystemen ist die Aufrechterhaltung der Einheitlichkeit in der Zusammensetzung des Nährmediums und der Sauerstoffkonzentration im Medium. Die Geschwindigkeit des Rührens ist hier wichtig. Übermäßiges Rühren kann zu physischem Stress für die Zellen führen. Dies ist besonders ungeeignet für die Kultur von iPS-Zellen, die in einzelnen Zellen zur Apoptose neigen. Andererseits ist zu erwarten, dass eine langsame Bewegung zu unspezifischen Fusionen zwischen Zellen und zur Sedimentation von Zellaggregaten führt, was die Kultureffizienz erheblich verringern kann. Um diese Probleme zu lösen, wird an der Entwicklung von Bioreaktoren geforscht, die für die Zellen weniger belastend sind und eine gleichmäßigere Bewegung gewährleisten.