Wenn Wissen Früchte trägt

Biotechnologie

Biotechnische Produktionsprozesse gewinnen an Bedeutung. Doch sie sind sehr sensibel und auch komplexer als reine Chemiesynthesen. Bei Bayer Technology Services beschäftigt sich eine eigene Arbeitsgruppe damit, Fermentationsprozesse optimal zu konzipieren

Elastisches Garn aus einer Polymerlösung zu spinnen – und das in gleichbleibend hoher Qualität. In seiner Frühzeit als Verfahrenstechniker konnte sich Dr. Helmut Brod kaum etwas Komplizierteres vorstellen. Mehr als zehn Jahre später weiß Brod: Es geht noch viel komplexer. Denn seine weitere Karriere im Bayer-Konzern führte ihn von den rein chemischen Reaktoren zu den biotechnischen Fermentern. Plötzlich lernte er Hamsterzellen kennen, die ein gigantisches Protein synthetisierten. „Die Anzahl der chemischen Reaktionen, die in einer lebenden Zelle ablaufen, ist um ein Vielfaches größer als in jedem rein chemischen System“, sagt Brod heute. Das hat den Ingenieur, der erst spät begann, sich auch für Biologie zu interessieren, nachhaltig beeindruckt.

Im Laufe der Jahre sammelte er immer mehr Wissen und Erfahrung rund um die Biotechnik. Heute leitet er bei Bayer Technology Services die Gruppe „Fermentation & Cell Culturing“. Außerdem sitzt er einem konzernweiten Gremium vor, in dem Bayer seine Expertise rund um die biotechnische Produktion bündelt.

Und die ist vielfältig. Bayer HealthCare etwa stellt derzeit beispielsweise Wirkstoffe zur Behandlung von Hämophilie oder Diabetes sowie Zwischenstufen für Verhütungsmittel in Fermentern her. Und auch bei Bayer CropScience gewinnen Fermenter an Bedeutung. Erst vor zwei Jahren hat das Unternehmen den Bereich biologische Pflanzenschutzmittel durch Akquisitionen ausgebaut. Jetzt möchte man deren Kapazität erweitern. Bei der Frage, wie größere Fermenter optimalerweise aussehen, hilft nun auch die Arbeitsgruppe von Helmut Brod.

„Einen Chemiereaktor kann man meistens einfach durch einen höheren ersetzen“, sagt Brod. „Doch bei einem biotechnischen Prozess muss man sich vorab einiges anschauen, ehe man ein solches Upscaling macht.“ Das liegt vor allem daran, dass man es in der Biotechnik mit lebenden Zellen zu tun hat. Und die sind sehr anspruchsvoll, was ihre Umgebungsbedingungen angeht. Dazu gehört auch die Konzentration an gelöstem Kohlendioxid – und genau die wird von der Fermenterhöhe beeinflusst. „Die meisten Zellen geben im Rahmen ihres Stoffwechsels CO2 ab, und weil sich dieses Gas nur begrenzt in der Fermenterflüssigkeit löst, entweicht es“, erklärt Brod. In einem höheren Fermenter lastet jedoch ein größerer Druck auf den unteren Schichten – und es bleibt mehr CO2 gelöst. „Dann ist die Frage, ob das Einfluss auf die Aktivität der Zellen hat“, sagt Brod.

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In einem zurückliegenden Projekt für Bayer HealthCare zum Beispiel hat genau dieser Aspekt dazu geführt, dass neue Fermenter, die größer sein sollten als die alten, in die Breite vergrößert wurden. „Versuche hatten gezeigt, dass die Produktivität der betreffenden Bakterien oberhalb einer bestimmten CO2-Konzentration in die Knie ging“, erinnert sich Jörg Kauling aus der Arbeitsgruppe von Helmut Brod an die damaligen Versuche. Der Fermenter durfte deshalb eine bestimmte Höhe nicht überschreiten – und wurde entsprechend breiter gebaut. Dass man dies nicht ganz generell macht, hat mit Transportschwierigkeiten bei breiteren Fermentern zu tun.

Inzwischen hat Bayer Technology Services die CO2-Frage auch für die Bakterien in den Fermentern von Bayer CropScience untersucht. Dafür genügten Laborversuche in einem Ein-Liter-Fermenter. „Wir haben einfach unterschiedliche CO2-Konzentrationen vorgegeben und dann die jeweilige Produktausbeute gemessen“, erklärt Brod. Am Ende die Entwarnung: Höhere Kohlendioxid-Mengen in der Fermenterlösung würden die Produktion der betreffenden Pflanzenschutzmittel keineswegs hemmen. Ein neuer Fermenter darf also höher gebaut werden als der bisherige. Für die weiteren Planungen gibt das nun die gewünschte Sicherheit.

„Es war sehr beeindruckend, zu sehen, wie schnell man bei Bayer Technology Services den CO2-Einfluss simulieren konnte“, lobt Dr. Hong Zhu, der bei Bayer CropScience an biologischen Pflanzenschutzmitteln forscht. „Wir sind sehr froh, im eigenen Konzern Zugang zu so hochkarätiger Expertise zu haben.“ Ähnlich sieht es Dr. Lothar Döllinger, der bei Bayer CropScience die globalen Technikaktivitäten verantwortet. „Durch die jüngsten Akquisitionen haben wir nun etliche Biotechproduktionen. Um diese optimal weiterzuentwickeln, ist es sehr hilfreich für uns, auch das entsprechende Know-how in anderen Konzernbereichen nutzen zu können.“

„Wir sind sehr froh, im eigenen Konzern Zugang zu so hochkarätiger Expertise zu haben“

Dr. Hong Zhu

Biologics Process Development, Bayer CropScience

Die Fermentations-Experten von Bayer Technology Services helfen aber nicht nur bei der Auslegung neuer Fermenter. Dank ihrer Hilfe lassen sich auch bereits bestehende biotechnische Prozesse optimieren. Wenn Brod über diese Aufgabe spricht, fällt immer wieder das Wort „Debottlenecking“. Damit ist gemeint, Engstellen in der bisherigen Prozessführung zu erkennen – und aufzuheben. So ein Nadelöhr kann zum Beispiel darin bestehen, dass es im Lauf der Fermentation irgendwo im Fermenter zu einer Verarmung eines bestimmten Nährstoffs kommt. In so einer Zone arbeiten die Zellen dann nur auf Sparflamme.

Produktionsfermenter sind unterschiedlich groß: von einigen Hundert Litern bis zu Hunderten von Kubikmetern – je nach Produkt. „In diesem Maßstab können wir unsere Optimierungsversuche natürlich nicht machen“, sagt Brod. Das sei viel zu teuer, allein schon wegen der kostspieligen Nährmedien. „Wir arbeiten derzeit daran, kleine Fermenter von zehn oder 16 Litern möglichst so definiert zu betreiben, dass wir verlässliche Schlüsse auch für den Großmaßstab ziehen können.“ Doch so ein repräsentatives Downscaling ist alles andere als trivial. Schon beim Rühren, das für eine gleichmäßige Durchmischung im gesamten Fermenter sorgen soll, ist das exakte Herunterskalieren eine anspruchsvolle Aufgabe. Ein anderes Thema ist die für viele mikrobiologische Prozesse typische Schaumentwicklung. Um ihre experimentelle Arbeit so effektiv wie möglich zu machen, versucht die Gruppe außerdem, das komplexe Geschehen in Computermodellen zu simulieren, um daraus hilfreiche Vorhersagen abzuleiten.

Ein weiterer Trend in der Biotechnik, den Brod und sein Team derzeit mit ihrer Expertise begleiten, ist das Umstellen von der klassischen, chargenweisen Produktion auf kontinuierlich betriebene Anlagen, denen man dann konstant Produkt entnimmt (siehe auch "Die Zukunft fest im Blick").

Brod ist bei dieser Arbeit geradezu begeistert von der vielfältigen Expertise, die im Bayer-Konzern in Sachen biotechnischer Produktion vorhanden ist. „Wir alle tauschen regelmäßig Erfahrungen aus, treffen uns an den jeweiligen Standorten und lernen voneinander.“ An seine Zeit in der Polymerverfahrenstechnik denkt er zwar gern zurück. Aber inzwischen ist er längst ein begeisterter Biotech-Verfahrenstechniker geworden.

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