Biotechnologie

Als Bioverfahrenstechnik oder Biotechnologie bezeichnet man Apparate und Vorgänge, in denen Stoffe durch biologische Katalysatoren chemisch verändert werden.
Die Bioverfahrenstechnik nutzt die Stoffwechselprozesse von einzelligen Lebewesen, den Mikroorganismen. Die Stoffwechselprozesse werden durch Enzyme bewirkt. Sie heißen deshalb Biokatalysatoren, der Vorgang wird Biokatalyse genannt.

Technisch wichtige Mikroorganismen sind einige Arten von Bakterien, Hefen und anderen Pilzen. In begrenztem Umfang setzt man mittlerweile auch einzellige Algen ein. Es ist in der Diskussion, in Zukunft auch Zellkulturen höherer Pflanzen und Tiere einzusetzen. Enzyme können komplexe Verbindungen abbauen oder hochmolekulare Stoffe aufbauen.

Eine bekannte Abbaureaktion ist die Gärung von Stärke zu Alkohol oder von pflanzlichen Abfällen zu Methan. Zu den Aufbaureaktionen gehört die Bildung von Antibiotika, z. B. Penicillin.

Ausgangsstoffe für die Biokatalyse sind organische Kohlenstoffverbindungen meist biologischer Herkunft. Dies können Mais, Getreide, Kartoffeln, Holz, Zuckerrüben, Pflanzenreste aus Haushalt und Landwirtschaft, menschliche und tierische Exkremente sein. Sie bilden die notwendigen Nährstoffe, um die Lebensfähigkeit der Mikroorganismen bzw. die Funktionstüchtigkeit der Enzyme aufrechtzuerhalten. Für die technische Durchführung werden diese Nährstoffe gelöst. Eine solche Lösung heißt Nährmedium und besteht zu 95–97 % aus Wasser. Im Nährmedium vermehren sich die Mikroorganismen und bilden dabei das gewünschte Produkt. Weitere wichtige Bedingungen der Biokatalyse sind der pH-Wert, die Temperatur und die Anwesenheit von Sauerstoff, manchmal auch von Kohlenstoffdioxid. Die Reaktoren für Biokatalysen heißen Fermenter. Es sind meist kesselförmige Behälter mit einem Rührwerk oder einer Umlaufpumpe. Dort werden die entsprechenden Rohstoffe durch das Enzymsystem lebender Mikroorganismen oder durch isolierte Enzyme in die erwünschten Produkte umgewandelt.

Eine besondere Bedeutung hat die Biokatalyse in der Reinigung von Abwässern aus Haushalten. Sie ist eine wichtige Stufe in modernen Klärwerken. Die Abwässer aus Küche, Bad und Toilette enthalten unterschiedliche organisch-biologische und chemische Stoffe, wie Waschmittel, Fette, Fäkalien.

In der biologischen Reinigung übernimmt das mechanisch vorgereinigte Abwasser die Rolle eines Nährmediums. Mehrere Bakterienarten, die bereits im Abwasser vorhanden sind, bauen die organischen Stoffe ab. Erfolgt der Abbauprozess unter Luftzufuhr, bezeichnet man ihn als aerobes Verfahren. Arbeitet man ohne Luftzufuhr, dann spricht man vom anaeroben Verfahren. Ein wichtiges aerobes Verfahren ist das Belebtschlammverfahren. Bakterien bauen mithilfe ihrer Enzyme die organischen Stoffe zu $C{O}_2$, $H_{2}O$und Klärschlamm ab. Der Vorgang ist chemisch gesehen eine Gärung. Er findet entweder in offenen Becken (Belebungsbecken) oder in geschlossenen Türmen (Turm- oder Hochbiologie) statt. Türme sind die modernere Art von Fermentern. Das Belebtschlammverfahren arbeitet bei Temperaturen von 5 bis 33 °C und in einem pH-Bereich von 6–8. Die Bakterien vermehren sich und nehmen bei ihrem Stoffwechselprozess Ammonium- und Nitratverbindungen sowie organische Stickstoffverbindungen aus dem Abwasser auf. Diese werden in ihren Zellen eingelagert.

Das Abwasser wird im Turm mit Druckluft vermischt. Das gereinigte Wasser sammelt sich im Absetzbecken. Von dort kann es dem Fluss oder See über einen Vorfluter (Sammelbecken) zugeleitet werden. Der Klärschlamm, der sich am Boden absetzt, enthält neben den Bakterien noch weitere biologisch abbaubare Stoffe.

Die Bioverfahrenstechnik hat den Vorteil, dass die Stoffumwandlungen unter milden Bedingungen ablaufen. Sie ist energiesparend; aufwendig ist allerdings die Trennung der Produkte von den Enzymen oder den Mikroorganismen.

Die Herstellung eines Produkts in einer verfahrenstechnischen Anlage ist ein sehr komplexer technischer Prozess. Stoffe werden durch Stoffumwandlung zu neuen Produkten verändert. Eine meist aufwendige Vor- und Nachbereitung der Stoffe ist erforderlich. Die einzelnen Stufen des Verfahrens sind miteinander verkettet.

Geschichte der Biotechnologie
Biotechnologische Verfahren wurden schon Jahrtausende vor der eigentlichen Entdeckung der Mikroorganismen in erster Linie zur Konservierung und Herstellung von Lebensmitteln angewandt:

• Brotsäuerung,
• Herstellung von alkoholhaltigen Getränken (alkoholische Gärung),
• Herstellung von Sauermilchprodukten.

Durch die Produktion von Lösemitteln (Aceton und Butanol) im 1. Weltkrieg und vor allem durch die Penicillinherstellung im 2. Weltkrieg erfuhr die Biotechnologie einen extremen Aufschwung. Es wurden Naturstoffe, Nahrungsmittel, Antibiotoka produziert, es wurden Grundstoffe aus der Biomasse für die chemische Industrie isoliert, und schließlich nutzte man die Mikroorganismen auch für die Modifizierung von Stoffen. In den letzten Jahren ist die Biotechnologie für uns Menschen von unerlässlichem Wert geworden, da wir uns neue, vom Erdöl unabhängige Rohstoffquellen erschließen müssen, um unseren Lebensstandard aufrechterhalten zu können. Auch aus Umweltschutzgründen müssen die immer größer werdenden Bestände an Müll und Industrieabfällen durch das Recycling (Wiedergewinnung von Rohstoffen) und duch zugeführte Bioenergie beseitigt werden. So gibt es z. B. in einigen Ländern Erzaufbereitungsanlagen, die mit mikrobieller Laugung in großem Umfang das Erz aufbereiten. Oder aber Bakterien, die zum Herauslösen von Erdöl eingesetzt werden. Kunststoffe können mittlerweile auch aus bakteriellen Stoffwechselprodukten gewonnen werden. Biologische Pflanzenschutzmittel für die Landwirtschaft werden anhand biotechnologischer Verfahren im industriellen Maßstab hergestellt. Durch die Gentechnologie (z. B. Methoden der Genübertragung und Protoplastenfusion) wurde ein völlig neues Einsatzgebiet für die Biotechnologie geschaffen. Man kann nun „synthetische“ Bakterien schaffen, die durch die zusammengesetzten unterschiedlichen Eigenschaften oder Qualitäten in der Lage sind, auch besonders giftige Industrieabfälle bzw. umweltbelastende Stoffe abzubauen. Vorteile der biotechnologischen Verfahren sind in jedem Fall der geringe Energieverbrauch, einfache Ausgangsstoffe, Wasser als Reaktionsmedium und einfache Synthesen von komplizierten Substanzen. Dadurch ist in den meisten Fällen eine hohe Ausbeute garantiert.