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Biofilme für die Prozessintensivierung

Maßgeschneiderte Biofilme für die Biotechnologie

| Autor / Redakteur: Ruth Freitag*, Patrick Kaiser*, Andreas Greiner** und Steffen Reich** / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Schema der Herstellung von Polymer/Bakterien-Kompositen (Ausschnitt)
Abb. 1: Schema der Herstellung von Polymer/Bakterien-Kompositen (Ausschnitt) (Bild: Uni Bayreuth)

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Mikroorganismen beherrschen eine Vielzahl von komplexen Stoffwechselleistungen, die für technologische Anwendungen von Interesse sind. Allerdings ist es nicht immer ganz einfach, solche „Ganzzellbiokatalysatoren“ in einen industriellen Prozess zu integrieren. Neu entwickelte Biokomposite können maßgeschneiderte Lösungen liefern.

Biokatalysierte Prozesse sind in der Regel nachhaltiger und damit umwelt- und ressourcenschonender, als die konventionell katalysierten Reaktionen der chemischen Industrie und erlauben vielfach die Synthese von Verbindungen die rein synthetisch gar nicht oder nur schwer zugänglich sind. Die seit einigen Jahren zu beobachtende wachsende Bedeutung der industriellen Biokatalyse ist daher zu begrüßen. Während Enzyme (molekulare Biokatalysatoren) bereits gut etabliert sind, ließe sich das Anwendungsspektrum der „Ganzzellbiokatalysatoren“ (organismische Biokatalysatoren) sicher noch ausweiten. Probleme bereitet allerdings die Integration geeigneter Mikroorganismen in den technischen Prozess. Verfahrenstechnisch und ökonomisch sinnvoll wäre eine Fixierung und kontinuierliche Nutzung der Katalysatoren im Reaktor. Aus Sicht der Organismen spräche sicher nichts gegen eine Immobilisierung, da die meisten Mikroorganismen in der Natur ohnehin nur selten planktonisch, d.h. frei schwimmend, anzutreffen sind, sondern eine sessile Lebensweise als Teil eines Biofilms bevorzugen.

Biofilme in technischen Prozessen

Eine Reihe von technischen Bioprozessen, vor allem aus dem Energie- und Umweltsektor, basieren schon heute darauf, dass spezifische metabolische Fähigkeiten von sich spontan ausbildenden Biofilmen genutzt werden. Beispiele sind Klär- und Biogasanlagen, vereinzelt aber auch Produktionsprozesse wie die Essigsäureproduktion oder gar die Energieproduktion in mikrobiellen Brennstoffzellen. Dabei fällt auf, dass bei diesen Anwendungen entweder Biofilme mit syntropen, also sich gegenseitig stabilisierenden Organismenkonsortien verwendet werden, oder prozessbedingt Bedingungen vorherrschen, die stark selektiv auf die Mikroorganismenpopulation wirken, wie der niedrige pH-Wert bei der Essigsäureproduktion. Der gezielte Aufbau eines Biofilms mit definierten Eigenschaften bzw. die Anpassung der natürlichen Biofilmbildung an eine technische Fragestellung ist dagegen kaum möglich. Damit sind einer breiteren technischen Anwendung des Konzepts „Biofilm“ im Prozessbereich enge Grenzen gesetzt.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass natürliche Biofilme wie bereits erwähnt häufig Mikroorganismenkonsortien beherbergen. Nur wenige Organismen bilden in der Natur auch stabile Single-Spezies-Biofilme aus. Je spezieller allerdings die technische Fragestellung wird, desto interessanter wären maßgeschneiderte Biofilme mit kontrollierbaren Eigenschaften und einer definierten biologischen Aktivität.

Prozessangepasste biomimetische Analoga

Prozessangepasste, synthetische Analoga zum natürlichen Biofilm (Biomimetika) könnten somit wesentlich zur Intensivierung industrieller biotechnischer Prozesse beitragen. Derartige Biomimetika werden an der Universität Bayreuth im Projekt „Biofilme für die Prozessintensivierung“ entwickelt.

In einem synthetischen Biofilm werden die Mikroorganismen in eine geeignete Matrix integriert, die die natürliche Schleimschicht aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) ersetzt. Die Kombination aus einer synthetischen Polymermatrix und Bakterien erlaubt: 1) die kontrollierte, sichere und vor allem sortenreine Immobilisierung von Bakterien und anderen Mikroorganismen, 2) die Nutzung einer großen Zahl von Materialien mit kontrollierten und kontrollierbaren Eigenschaften, 3) den Schutz der Mikroorgansimen während der Verarbeitung und später auch beim Einsatz unter wenig biokompatiblem Bedingungen, sowie 4) eine deutlich verbesserte Lagerfähigkeit. Das ist gleichbedeutend mit neuen Anwendungen, schnellerem Einsatz und besserer Validierbarkeit durch die kontrollierte Ausbildung und Nutzung von Biofilmen.

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