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In der MINTworld vereinen wir die beiden Bereiche Chemie und Biologie in unserer einzigartigen Produktionsanlage. Eine Chemie- und Biologieanlage ist eine komplexe Einrichtung, die eine Vielzahl von Einrichtungen, Ausrüstungen und Prozessen umfasst. Sie wird für die Herstellung von chemischen Verbindungen und die Kultivierung von biologischen Organismen verwendet – von der Entwicklung, über die Forschung bis hin zur Produktion.
Fermenter
In der Mitte befindet sich der Fermenter. Dieser dient der Kultivierung von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilzen oder Zellen für die biologische Produktion.
Reaktor
Unser Reaktor mit einem Volumen von 31 Liter, dient zur Herstellung, Trennung und Reinigung chemischer Verbindungen. Durch Destillation, Extraktion und anderen Verfahren erhalten wir hochreine Produkte.
Gaswäscher
Auf der rechten Seite befindet sich der Gaswäscher. Der Gaswäscher dient zur Entfernung von gasförmigen Schadstoffen aus einem Gasstrom.
Wir wollen mit der Biologie- und Chemieanlage reinen Alkohol herstellen. Im Fermenter produzieren die Hefezellen Alkohol. Die Fermentationsbrühe wird anschliessend im Kreislauf filtriert und in den Reaktor überführt. Dort wird eine Destillation durchgeführt und wir erhalten hochprozentigen Alkohol.
Schauen wir und die einzelnen Schritte genauer an:
Bei der Fermentation werden organische Stoffe mit Hilfe von Mikroorganismen, also Hefepilzen, Bakterien oder Zellen umgesetzt. Dabei werden Kohlenhydrate (Zucker) in Alkohol oder Säure umgewandelt. Mikroorganismen können durch Fermentation auch unter sauerstoffarmen Bedingungen Adenosintriphosphat (ATP) gewinnen. ATP ist ein chemisches Molekül, das als Energiespeicher in der Zelle dient.
In unserem Alltag sind Fermentationsprozesse beispielsweise bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln wie Sauerkraut oder der Herstellung von Sauerteigbrot, Joghurt und Wein zu finden. In der Biotechnologie ist die Fermentation eine weit verbreitete Methode. So können verschiedene nützliche Moleküle hergestellt werden. Beispiele sind Insulin (das Diabetes-Hormon) und einige Antibiotika (wie Penicillin).
Was ist unser Ziel?
Unser Ziel besteht darin, kontinuierlich Ethanol (einen Alkohol) mithilfe von Hefezellen herzustellen. Ethanol kann beispielsweise Desinfektionsmittel benutzt werden. Im Fermenter befindet sich ein Medium. Ein mikrobiologisches Nährmedium ist ein Substanzgemisch, welches das Wachstum von Mikroorganismen fördert und unterstützt. Nährmedien enthalten Nährstoffe, Energiequellen, Wachstumsfaktoren, Mineralien, Metalle, Puffersalze und Geliermittel (bei festen Medien).
Zum Medium werden Hefezellen zugegeben. Dies wird als «Animpfen» bezeichnet. Anschliessend werden die Hefen zum Wachsen angeregt. Hierbei benötigen sie eine Temperatur von 30°C, sowie einen pH-Wert von 5. Der pH-Wert darf also weder zu sauer noch zu basisch sein. Sobald die Hefen ausreichend gewachsen sind, wird die Luftzufuhr gestoppt. Dann geben wir Glukose (Zucker) zu. Die Hefezellen gewinnen nun in sauerstoffarmer Umgebung aus der Glukose Energie und stellen dabei Ethanol und CO2 her.
Bei der Fermentation ist es sehr wichtig, keimfrei zu arbeiten (steriles Arbeiten). Dies ist wichtig, um Kontaminationen zu vermeiden und sicherzustellen, dass keine unerwünschten Mikroorganismen oder Fremdstoffe in die Arbeitsumgebung gelangen. Deshalb werden das Medium und alle genutzten Materialen vorab feucht erhitzt (autoklaviert).
Nach der Fermentation muss die ethanolhaltige Fermentationsbrühe von Feststoffen wie Zellbestandteilen getrennt werden. Dies erfolgt mittels einer sogenannten Querstromfiltration. Dieses Prinzip nutzen auch einige Fische, die sich über ihre Kiemen von Plankton ernähren.
Wie funktioniert diese Filtration?
Bei der Querstromfiltration verwenden wir Hohlfaserbündel. Eine Hohlfaser ist wie ein sehr dünnes Rohr mit einer Filtermembran, die kleine Poren hat. Die Membran wirkt wie ein Sieb. Durch die Poren kann Flüssigkeit austreten. Die treibende Kraft des Austritts sind Druckunterschiede an der Membran (zwischen dem Inneren und Äusseren der Hohlfaser). Durch eine hohe Fliessgeschwindigkeit wird verhindert, dass Zellen sich im Filter verfangen und ihn verstopfen.
Die Fermentationsbrühe wird entlang dieser Filtermembran gepumpt. Substanzen, die grösser als die Poren sind, werden zurückgehalten. Diese werden als «Retentat» bezeichnet. Kleinere Substanzen wie Ethanol werden durchgelassen und quer zur Fliessrichtung abgeführt. Diese bezeichnet man als Filtrat. Das Filtrat ist frei von Feststoffen. Mit einer Zirkulationspumpe wird die Fermentationsbrühe so lange im Kreis gepumpt, bis die Feststoffe im Retentat so konzentriert sind, dass Reinigung und Entleerung nötig sind.
Das Wort «Destillation» leitet sich vom lateinischen Wort «destillare» ab und bedeutet «herabtröpfeln». Es handelt sich dabei um ein Trennverfahren aufgrund unterschiedlicher Siedepunkte. Es gibt verschiedene Arten von Destillationen. Entscheidend bei der Wahl der geeigneten Destillation sind die Eigenschaften des zu trennenden Gemisches.
Doch wie läuft so eine Destillation ab?
Im Reaktor wird das Gemisch erhitzt. Sobald der Siedepunkt erreicht wird, verdampfen zuerst die leichtflüchtigen Stoffe. Diese steigen anschliessend hinauf in Richtung Kühler. Dort kühlt der Dampf ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Das Destillat wir in einem separaten Auffangbehälter gesammelt. Mithilfe der Destillation erhalten wir somit hochprozentigeren Alkohol.
Falls der Siedepunkt sehr hoch ist, kann eine Vakuumdestillation durchgeführt werden. Durch Absenken des Drucks wird der Siedepunkt der Flüssigkeit gesenkt. Das ermöglicht, die Flüssigkeit bei einer niedrigeren Temperatur zu verdampfen. Somit wird weniger Energie benötigt. Zudem gibt es thermisch empfindliche Stoffe, die bei zu hohen Temperaturen zerfallen könnten.
Das Wort «Automation» stammt vom lateinischen Wort «automatus» ab, was «sich von selbst bewegend»" bedeutet. Automation beschreibt den Prozess oder die Technik, bei der Aufgaben oder Abläufe automatisch und ohne menschliches Eingreifen ausgeführt werden. Dabei kommen Technologie, Maschinen oder Software zum Einsatz. Mithilfe der Automation können Prozesse optimiert werden und die Effizienz gesteigert werden. Es kann von einfachen wiederholenden Aufgaben bis hin zu komplexen Operationen reichen, die Robotik und künstliche Intelligenz umfassen.
Wie steuern wir die Anlage?
Die Produktionsanlage wird über einen Computer mit Bildschirm bedient. Für die Steuerung nutzen wir die Software «FlexySys» von Systag. Mit dieser Software können Rezepte erstellt werden, durch welche beispielsweise die Fermentation, Filtration oder Destillation automatisiert ablaufen können.
Jede Einheit wird in der Software separat dargestellt und kann unabhängig angesteuert werden. Zudem verfügt die Anlage über verschiedenste Sonden zur Aufzeichnung, Kontrolle, Regelung und Überwachung.
Anwendung der Automation am Beispiel der Fermentation
An den Fermenter sind einige Sonden angeschlossen, um Parameter wie optische Dichte, pH-Wert, Temperatur und Sauerstoff im Fermenter kontinuierlich zu messen. Die gemessenen Werte werden aufgezeichnet und grafisch in einem Diagramm dargestellt. In der Software können Richtwerte für die verschiedenen Parameter festgelegt werden. Diese werden dann (weitgehend) automatisch von der Anlage eingehalten.
Über Pumpen und Ventile, die über Schläuche mit dem Fermenter verbunden sind, können Flüssigkeiten (wie Glukosesirup und Medium) und Gase (wie Sauerstoff und Kohlendioxid) in den Fermenter eingeleitet werden. Der pH-Wert wird zum Beispiel durch die Zugabe von Säure und Lauge reguliert. Weil es während des Fermentationsprozesses zur Schaumbildung kommen kann, sind zudem eine Antischaumsonde und ein Antischaumreagenz angeschlossen.