Bioreaktor [von *bio -, latein. re- = wieder, actio = Handlung], Tank, ältere Bezeichnung Fermenter, Behälter, in dem Rohstoffe durch das Enzymsystem lebender Mikroorganismen (Bakterien, Hefen und andere Pilze, Algen), Zellen Höherer Organismen oder durch isolierte Enzyme in erwünschte Produkte umgewandelt werden. Dabei sind kontrollierte, steuerbare Zustandsgrößen notwendig, um ein möglichst optimales Wachstum (mikrobielles Wachstum) bzw. optimale Produktbildung (mit einem Maximum an Sicherheit) einstellen zu können. Produktions-Bioreaktoren haben ein Volumen von 1–450 m3. Stoffwechselphysiologisch kann zwischen anaeroben Prozessen, bei denen die Durchmischung besonders wichtig ist, und den O2-abhängigen (aeroben) Prozessen, die verfahrenstechnisch im Vordergrund stehen, unterschieden werden. Nach der Lokalisation der Biomasse werden Bioreaktoren in zwei Typen unterteilt: a) Oberflächenreaktor (z. B. Füllkörperreaktor), bei dem das lebende Material als Biofilm auf einer festen Oberfläche haftet oder auf der Kulturflüssigkeit schwimmt, so daß eine direkte O2-Versorgung aus der Luft erfolgt. b) Submerskultur: die Durchmischung der Zellen findet im Medium statt. Wichtige Anforderungen an eine Submerskultur sind: Steuerung des Fermentationsprozesses, homogene Durchmischung, gute O2-Versorgung (bei aeroben Bioreaktoren; vgl. Abb. ), gute Wärmeabführung (Kühlung), reduzierte Schaumbildung, Vermeidung von (mechanischer) Schädigung der Organismen bzw. Zellen, Vermeidung von Kontamination mit unerwünschten Mikroorganismen (Sterilisation des Bioreaktors und sterile Füllung, Zugabe und Betrieb). – Die aeroben Bioreaktoren werden meist nach dem Energieeintrag (Misch- und Antriebssystem) unterteilt: 1) mechanisch gerührte Bioreaktoren (z. B. Rührreaktor), 2) Bioreaktoren mit pneumatischer Gasverteilung und Durchmischung durch Flüssigpumpen im externen Kreislauf (Düsenumlauf-Reaktor), 3) Bioreaktoren mit Begasungsvorrichtung ohne Einsatz mechanisch bewegter Elemente, oft durch Vordruck des Gases (z. B. Airlift-Bioreaktor). Daneben gibt es eine Reihe von Spezialreaktoren, z. B. mit kontinuierlichem Substratzufluß und Produktabfluß, Reaktoren für den Einsatz gelöster, an Trägern fixierter sowie in Polymere eingeschlossener Enzyme (Enzymreaktoren) oder Biohoch-Reaktoren zur Abwasserklärung. Biotechnologie, Fermentation, Fermenter.

G.S.

Lit.: Menkel, F.: Einführung in die Technik von Bioreaktoren. München 1992. Scheper, T.: Bioanalytik. Messung des Zellzustands und der Zellumgebung in Bioreaktoren. Wiesbaden 1991. Storhas, W.: Bioreaktoren und periphere Einrichtungen. Wisebaden 1994.





Bioreaktor



Beispiele für aerobe Bioreaktoren: a Rührreaktor, b Düsenumlauf-Reaktor, c Airlift-Bioreaktor