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19.09.2017

Kleine Räume ganz groß

Miniaturisierte Systeme sollten in der biobasierten Produktion der Zukunft eine große Rolle spielen. Das fordern Experten in einer Roadmap zur „Kompartimentierten Biotechnologie“. 

Experten sehen ein großes Potenzial für miniaturisierte Reaktionsräume in der biobasierten Produktion der Zukunft.
Experten sehen ein großes Potenzial für miniaturisierte Reaktionsräume in der biobasierten Produktion der Zukunft.
Quelle: 
TU Ilmenau

Prozesse und Verfahren sind für die Industrie unverzichtbar. Sie nachhaltiger zu gestalten, ist das Ziel vieler Forschungsanstrengungen in der Biotechnologie. Ziel ist es, statt fossiler Energieträger regenerative Energie- und Rohstoffquellen zu nutzen. Darüber hinaus muss vielfach die Effizienz gesteigert werden – etwa beim Screening vielversprechender Wirkstoffe in der Pharmaindustrie oder im Rahmen der Weiterentwicklung von Fermentationsanlagen.

Die biomimetische Nutzung des Prinzips der „Kompartimentierung“ in technischen Systemen – also räumlich strukturierten Systeme – ist dabei ein neuartiger, vielversprechender Ansatz. „Diese Vorgehensweise hat das Potential, alle Bereiche von der Forschung und Entwicklung bis hin zur Produktion und Prozessanalyse zu revolutionieren“, sagt Michael Köhler, Professor für Mikroreaktionstechnik an der Technischen Universität Ilmenau.

Großer Bedarf an effizienter Produktion in Forschung und Industrie

Mit der sogenannten „kompartimentierten Biotechnologie“ ließen sich die technologischen Vorteile für effiziente biotechnologische Lösungen gezielt nutzen und die Umsetzung neuer biobasierter Produkte beschleunigen. „Es ist davon auszugehen, dass sich Entwicklungszeiten erheblich verkürzen und Produktionsanlagen flexibler gestaltet werden können“, so Köhler und unterstreicht: „Das Prinzip der Kompartimentierung biochemischer Prozessräume ist die wohl wichtigste und universelle Grundlage aller biologischer Raum- und Prozessorganisationsprinzipien. Aus diesem Grund müssen kompartimentierte und räumlich hierarchisch gegliederte Systeme in zukünftigen biotechnischen Verfahren eine weitaus größere Aufmerksamkeit erfahren als bisher.“

Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft haben in mehreren Expertenworkshops über konkrete Perspektiven der kompartimentierten Biotechnologie diskutiert.
Quelle: 
Peter Schneider

Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft haben in mehreren Expertenworkshops über konkrete Perspektiven der kompartimentierten Biotechnologie diskutiert.

Natürliche Prinzipien strukturierter Mini-Räume technisch nutzen

Das ist auch das Fazit des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten Innovationsforums „KompaTech“, zu dem die TU Ilmenau im Januar nach Weimar, im  Juni nach Neudietendorf und im August nach Erfurt eingeladen hatte. „Der klassischen Biotechnologie müssen in Zukunft viel stärker als bisher technische Systeme und Verfahren an die Seite gestellt werden, die das natürliche Prinzip hierarchisch aufgebauter biochemischer Reaktions- und biotechnischer Kultivierungs- und Produktionsräume technisch nutzen“, erläutert Köhler, der gemeinsam mit seinem Kollegen Alexander Groß die drei Expertenworkshops im Rahmen von „KompaTech“ organisiert hat. Die Vertreter aus Forschung und Industrie waren sich einig: Ohne die gezielt technische Nutzung miniaturisierter Räume würde sich der Bedarf an effizienten Verfahren und Prozessen nicht decken lassen – weder bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe wie Antibiotika oder Funktionswerkstoffen noch mit Blick auf wachsende Anforderungen an umweltfreundliche Produktionsprozesse und der Nutzung nachwachsender Rohstoffe. So werden miniaturisierte Techniken, die Mikrokompartimente nutzen, schon heute als vielversprechend in der Antibiotika-Forschung eingeschätzt.  Kompartimentierte Systeme sind aber auch für die Lösung landwirtschaftlicher Fragestellungen interessant. Vor diesem Hintergrund haben die Teilnehmer der Workshops eine Roadmap entwickelt, um Wege aufzuzeigen, wie das vorhandene Know-how in Form einer neuen Generation von Produktionssystemen und Verfahren wirtschaftlich breit genutzt werden kann. „Wir brauchen eine strategische Ausrichtung bioverfahrenstechnischer Forschung und Entwicklung auf räumlich intelligent strukturierte Systeme“, fasst Köhler das Ziel der Roadmap zusammen. Der gegenwärtige Entwicklungsstand in Deutschland biete dafür – auch im internationalen Vergleich – exzellente Voraussetzungen.

Technischer Fortschritt legt Grundstein für breites Spektrum an Methoden

Denn gerade auf Ebene der Forschung hat sich in den vergangenen Jahren vieles getan. Während – abgesehen von einigen Emulsionsverfahren – noch vor wenigen Jahren ein intelligentes Management von kompartimentierten Systemen für die Biotechnologie nicht realisierbar erschien, ist dies nun anders. „Dank der Fortschritte in Biotechnologie und Verfahrenstechnik liegen uns heute wichtige Basismethoden für die Nutzung einer kompartimentierten Biotechnologie vor“, unterstreicht auch Köhler. Das Spektrum an Möglichkeiten reicht von der Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik über die Nutzung von Einzelzelltechniken, Enzymtechnologien, Mikrokapseln, Nano- und Mikropartikeln, intelligentem Grenzflächenmanagement und tropfenbasierten Verfahren bis hin zu biotechnischen Produktionsverfahren mit komplex aufgebauten Bioreaktoren. Dazu gehören unter anderem Photobioreaktoren für die direkte Nutzung der Sonnenergie und ein leistungsstarkes Instrumentarium für die Reaktormodellierung, die Analytik und das Prozessmonitoring.

Innovationsforum Kompatech

Das vom BMBF finanzierte Innovationsforum "KompaTech" wurde von der TU Ilmenau und weiteren Partnern durchgeführt. Die Ergebnisse der drei Expertenworkshops wurde dokumentiert und in eine Roadmap überführt. 

Mehr Informationen: www.kompatech.de

Engere Verknüpfung zwischen der Forschung und Produktion

Für die Übertragung von Forschungsergebnissen in die Produktion ist häufig die notwendige Maßstabs-Vergrößerung (Up-Scaling) eine zeit- und kostenaufwendige Hürde, die die Einführung neuer biobasierter Produkte und Prozesse deutlich erschwert. Nach Einschätzung von Alexander Groß kann diese Hürde durch die konsequente Anwendung einer kompartimentierten Arbeitsweise in Forschung und Entwicklung deutlich reduzieren: „Prozessbedingungen, die aus umfangreichen Screening- und Optimierläufen mit mikrofluidischen Methoden gewonnen wurden, können so durch die „einfache“ Vervielfältigung der verwendeten Kompartimente in produktionsnahe Systeme überführt werden.“ Die daraus resultierenden Vorteile haben das Potential, die Einführung neuer biobasierter Prozesse und Produkte deutlich zu beschleunigen.

Potenzial der Kompartimentierung gezielt nutzen

„Das größte Potential der kompartimentierten Biotechnologie liegt in der intelligenten Verbindung der Selbstorganisation lebender Systeme und ihrer Komponenten mit einer umfassenden technischen Steuerung und der daraus ableitbaren Skalierung“, so Köhler.

Dazu ist die Kontrolle aller Zustände und Abläufe der Prozessführung sowie die individuelle Überwachung der einzelnen Komponenten unerlässlich. Durch die Fortschritte in der Entwicklung der Mess- und Regeltechnik, aber auch der Bilderfassungs- und -verarbeitungstechnik sowie der Mikrosensorik und -aktorik ist inzwischen die Integration des Monitorings mit etablierten ingenieurtechnischen Instrumenten realisierbar.

Deutschland nimmt Spitzenstellung ein

Wichtige Fortschritte auf diesem Gebiet wurden u. a. im Rahmen der Initiative „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ erreicht, die im Jahr 2010 vom BMBF gemeinsam mit den großen Forschungsorganisationen und Hochschulen gestartet wurde. Die Expertenworkshops in Weimar, Neudietendorf und Erfurt bestätigten, dass Deutschland in dieser Forschung eine Spitzenstellung einnimmt und dass das Spektrum nutzbarer Systeme und Methoden inzwischen den Anforderungen an eine zukünftige Schlüsseltechnologie gerecht wird. In der Roadmap wurden insgesamt fünf Forschungsthemen definiert, die in den nächsten Jahren durch die Teilnehmer der Workshops vorangetrieben werden sollen.

sw

 

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