3-D-Drucker-Bauteile bei Bioreaktoren

Bei der Präsentation der biotechnologischen Systeme im Wintersemester 2020/21 zeigte sich Dr. Holger Müller (r.) als Industrievertreter neben Prof. Dr. Frank Eiden (l.) beeindruckt von der Professionalität, mit der die Studierenden ihre Ideen und die Realisierung vorstellten: reif für eine Firmengründung oder das Finden von Investoren. Foto: WH/BL

Bereits seit mehreren Jahren lässt Prof. Dr. Frank Eiden von der Recklinghäuser Lehreinheit „Molekulare Biologie“ seine Studierenden der industriellen Biotechnologie sich darin messen, welche Arbeitsgruppe das effizienteste Verfahren zur biotechnologischen Herstellung von Alkohol mit Hefe im Labor aufbaut. Die Ergebnisse wurden dann jährlich bei den Bioprozesstagen vorgestellt und prämiert. Dieses Jahr fielen die Bioprozesstage wegen Corona aus und Eiden stellte die praktische Übung auf neue Füße: Das Verfahren sollte nur zum Teil mit den Standardgeräten im Labor der Hochschule oder zugekauften Elementen aufgebaut werden. Stattdessen haben die Studierenden entscheidende Werkstücke im Makerspace über den 3-D-Drucker selbst gebaut. Außerdem haben sie ein Rund-um-Paket für die Präsentation ihres Projekts entwickelt. Und alles unter Corona-Schutzauflagen.

(BL) Stoffwechselprodukte wie etwa Alkohol zur Desinfektion mit biologischen Reaktoren herzustellen, ist in der industriellen Biotechnologie Standard. Ein Standard, den Studierende jedoch erst einmal lernen müssen, weswegen Prof. Dr. Frank Eiden sie das jedes Jahr in passenden Praktikumsgruppen machen lässt. Sie lernen dabei das Verfahren und welche Stellgrößen verfahrenstechnisch zu mehr oder zu weniger Erfolg führen. Im letzten Wintersemester ging Eiden dabei für die Studierenden noch einen Schritt weiter. Die rund zwanzig Teilnehmenden teilten sich in drei Gruppen und planten selbstständig Reaktorbau, elektronische Messung der Verfahrensprodukte und softwaregesteuerte Regelung des Prozesses für einen optimalen Ausstoß. Ein 48-Stunden-Testlauf sollte ermitteln, welches Verfahren am effizientesten ist. Die Ausgangsstoffe Hefe und Nährlösung waren für alle gleich. Das klingt schon ordentlich kompliziert und „ist eine sehr komplexe Aufgabe, deren Lösung nur unter Anwendung von Theorie und Praxis möglich ist“, so Eiden.

Schnell stellte sich heraus, dass die drei Gruppen unterschiedliche Schwerpunkte legten: eher labortechnisch auf den Bioprozess fokussiert, spezialisiert auf „Single Use“ mit billigen Wegwerfmaterialien aus der Zweitverwertung von Material wie leeren Pappschachteln oder mit einem Schwerpunkt auf ausgefeilter, computergesteuerter Regelung des Bioprozesses.

Es kamen jedoch noch zwei, eigentlich drei Zusatzaufgaben hinzu: Zum einen bekam jede Gruppe nur 33 Euro, um Teile hinzuzukaufen. Was sonst gebraucht wurde, sollte nach Möglichkeit im Makerspace der Hochschule selbst gebaut werden, wobei es vor allem darum ging, Spezialbauteile über den 3-D-Drucker anzufertigen, wodurch sie auch direkt die Programmierung und Benutzung dieser innovativen Bauteilfertigung übten. Dabei war ihnen im Wintersemester 2020/21 vor allem der Gelsenkirchener Makerspace der Hochschule behilflich. Demnächst wird das wohl der Recklinghäuser Makerspace übernehmen, der aber zurzeit noch im Aufbau ist.

Die zweite Zusatzaufgabe betraf die Präsentation der Systeme: Alle drei Gruppen fertigten ein Präsentationsposter und einen Erklär-Film von ihren Lösungen an und präsentierten ihre Lösungen, als wenn es eine innovative Idee ist, für die sie Käufer oder Investoren suchen. Eiden: „Damit haben die Studierenden von der Idee über die technische Realisierung bis zur möglichen Vermarktung alle Schritte von der Theorie in die Praxis erfolgreich erlernt und ausprobiert.“

Ein dritter Faktor kam noch hinzu, denn das gesamte Projekt musste unter Corona-Schutzbestimmungen laufen. Die Gruppenmitglieder konnten sich daher nur auf Distanz mit häufig nur virtueller Nähe organisieren und mussten viel parallel arbeiten. Ins Labor durften sie überhaupt nur einzeln, maximal zu zweit, mit Schutzmasken und trotzdem Sicherheitsabstand zueinander. „Das war keine leichte Managementaufgabe“, so Eiden, „aber die Studierenden haben das in den Griff bekommen.“

Mitte Januar wurde es ernst: Alle drei Reaktorsysteme gingen parallel in den 48-Stunden-Test-Lauf. Als Maß für die Effizienz galt die erbrütete Biomasse und der Alkoholertrag. Das Ergebnis: Alle drei Reaktorsysteme funktionierten. Aber: Das beste der drei Systeme – das mit dem Fokus auf den Bioprozess – schaffte das Doppelte von dem, was im drittplatzierten Reaktorsystem entstand. Der zweite Platz lag dazwischen. Eine Woche später erfolgten Präsentation und Preisverleihung, für die Frank Eiden noch Holger Müller von der Hertener Firma „BlueSens gas sensor“ als Industrievertreter dazu bat. Die Gruppenmitglieder und damit die Projektpräsentatoren und -präsentatorinnen waren online dazugeschaltet.  Die Gewinnergruppe mit dem meisten Ertrag erhielt eine Doppel-Magnumflasche mit drei Litern Kellerbier, die Zweit- und Drittplatzierten je eine Flasche Sekt. Außerdem gab es Plüsch-Maskottchen, die Mikroben ähneln.
Die gemeinsame Abschlussparty mit Sekt und Bier muss wegen Corona aber noch warten.

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