Additive Fertigung (3D-Druck) neuer Bioreaktoren für die Kultivierung von Cyanobakterien

Abbildung 1: Schnittdarstellung des neuen Bioreaktors mit schematischer Darstellung der Stoffströme im Inneren.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing Michael Wahl beschäftigt sich schon länger mit der Fragestellung, wie sich die Potenziale der additiven Fertigung für die Optimierung von Prozessen in Bioreaktoren nutzen lassen.

So hat erst kürzlich Lauri Hoffmann seine Masterarbeit zu dieser Thematik abgeschlossen. Kern der Arbeit war die Maßstabsvergrößerung eines bestehenden Bioreaktors zur Züchtung von Cyanobakterien und dessen Optimierung mit anschließender additiver Fertigung.

Cyanobakterien bieten zahlreiche Möglichkeiten zur Produktion pharmazeutisch interessanter Substanzen. Insbesondere die sogenannten terrestrischen Cyanobakterien zeichnen sich durch einen geringen Bedarf an Nährstofflösungen aus und eignen sich daher für eine ressourceneffiziente Kultivierung. Kernproblem bisheriger Kultivierungsansätze stellt allerdings das Upscaling und damit die Vergrößerung der Produktionskapazitäten dar. Wesentliche Herausforderungen sind hierbei die homogene Versorgung der Bakterien mit Nährstoffaerosol sowie die gleichmäßige Bestrahlung, welche den Bakterien das notwendige Licht für die Photosynthese bereitstellt.

Ausgehend von einem Reaktormaßstab wurde ein neuer Prototyp entwickelt (siehe Abbildung 1). Im Fokus der Konstruktion stand dabei die Integration von Kanälen für die gezielte Verteilung des von unten nach oben durch den Reaktor strömenden Nährstoffaerosols über den gesamten Querschnitt. Hierbei wurden insbesondere innenliegende Strömungskanäle gestaltet, die sich in dieser Form ausschließlich additiv herstellen lassen. Herkömmliche zerspanende Verfahren können solche innenliegenden komplexen Geometrien nicht fertigen. Ebenso wurde die Geometrie des Kultivierungsbehälters so gewählt, dass eine möglichst gleichmäßige Bestrahlungsintensität aller Bereiche gewährleistet ist. Insbesondere die Fertigung eines Prototyps aus den beschriebenen Freiformen stellt einen klassischen Anwendungsfall der additiven Fertigung dar.

Für die Fertigung wurde der BigRep ONE4 Großraumdrucker verwendet (Abbildungen 2-3). Dieser bietet die notwendigen Dimensionen zur Fertigung der vergrößerten Komponenten. Nach der Fertigung der einzelnen Komponenten wurden diese nachbearbeitet und zum vollständigen Bioreaktorprototypen zusammengebaut. Dieser wurde mit den notwendigen elektrischen Komponenten für die Beleuchtung ausgestattet und mit einer Reaktorsteuerung verbunden. Das Ergebnis ist in Abbildung 4 zu sehen.

Abbildung 2: Additive Fertigung des Kultivierungsbehälters auf dem BigRep ONE 4.

Abbildung 3: Der Reaktorsockel auf dem Druckbett des BigRep ONE 4 während der Fertigung.

Abbildung 4: Der fertige Bioreaktor nach Montage aller Komponenten und der Installation der Beleuchtung und Sensorik.