Wenn Biologie zur Ingenieurdisziplin wird

Mikroorganismen reinigen Abwasser, bauen Schadstoffe ab oder produzieren Wertstoffe. Pflanzen können Schwermetalle aus belasteten Böden aufnehmen, Enzyme ermöglichen hochselektive Reaktionen. Biologische Verfahren gehören deshalb längst zum Werkzeugkasten moderner Umwelt- und Verfahrenstechnik.

Das Ziel an der OST ist nicht, aus Ingenieurinnen und Ingenieuren Biologinnen und Biologen zu machen. Vielmehr sollen sie ein solides Grundverständnis technischer Biologie entwickeln. Wer später eine Abwasserreinigung, einen Fermenter, eine biologische Bodensanierung oder einen biotechnologischen Produktionsprozess plant oder betreibt, muss verstehen, was im biologischen System geschieht – und zugleich in Stoffströmen, Reaktoren und Prozessbedingungen denken können.

Einen biologischen Prozess effizient, sicher und reproduzierbar zu betreiben, erfordert weit mehr als biologische Kenntnisse: Verfahrenstechnik, Chemie, Konstruktion und Materialwissenschaft, Fluid- und Thermodynamik treffen auf Informatik sowie Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Biologische Verfahren sind damit ein Paradebeispiel für interdisziplinäres Engineering.

Leben lässt sich berechnen – zumindest ein Stück weit

Das Modul besteht aus zwei Teilen mit je 2 ECTS. In «Biologische Verfahren 1» werden die theoretischen Grundlagen gelegt. Wie schnell wächst eine Bakterienkultur? Wann wird ein Substrat zum limitierenden Faktor? Welche Biomassekonzentration lässt sich erreichen? Mit Wachstumskurven, spezifischen Wachstumsraten, Ausbeutekoeffizienten und dem Monod-Modell wird aus der zunächst qualitativen Vorstellung vom «Bakterienwachstum» eine berechenbare Grösse.

Könnte sich eine einzige E.-coli-Zelle unter optimalen Bedingungen unbegrenzt vermehren, würde ihre Nachkommenschaft rein rechnerisch schon nach rund zwei Tagen die Masse der Erde erreichen. Zum Glück nur theoretisch. Aber warum eigentlich nicht? Dies führt unmittelbar zu den ingenieurtechnisch spannenden Fragen: Was limitiert den Prozess? Substrat, Sauerstoff, Stofftransport, Temperatur oder Hemmstoffe?

Der richtige Organismus allein macht noch keinen Prozess

Ein Mikroorganismus kann noch so leistungsfähig sein – wenn der Reaktor nicht zu ihm und zur Aufgabe passt, entsteht daraus kein guter technischer Prozess. Deshalb lernen die Studierenden unterschiedliche Bioreaktortypen, Betriebsweisen und Grundlagen der Auslegung kennen: Batch, Fed-Batch oder kontinuierlicher Betrieb? Rührkessel oder Airlift-Reaktor? Wie werden Substrate zugeführt, Wärme abgeführt und Konzentrationsgradienten begrenzt? Und vor allem: Wie bekommt man genügend Sauerstoff zu Milliarden von Zellen?

Gerade der Sauerstoffeintrag sowie Misch- und Dispergiervorgänge zeigen, wie eng Biologie und Ingenieurwissenschaft verzahnt sind. Kennzahlen wie der volumetrische Stoffübergangskoeffizient kLa machen den Sauerstofftransport mess- und berechenbar und unterstützen die Übertragung auf grössere Massstäbe. Die Studierenden sollen nicht nur wissen, dass aerobe Mikroorganismen Sauerstoff benötigen, sondern beurteilen können, ob ein technischer Reaktor ihren Bedarf deckt. 

Vom Hörsaal ins Labor

In «Biologische Verfahren 2» wird es konsequent praktisch. Theorie wird experimentell erfahrbar. An Rührreaktoren untersuchen die Studierenden beispielsweise Mischzeiten und Sauerstoffversorgung. Unterschiedliche Rührertypen erzeugen vorwiegend axiale oder radiale Strömungen und beeinflussen Scherbeanspruchung und Gasdispergierung. Plötzlich wird sichtbar, weshalb Rührergeometrie, Drehzahl, Reaktorform und spezifischer Leistungseintrag darüber entscheiden können, ob ein biologischer Prozess funktioniert. Es gab gar schon Bioreaktoren die zur Wärmeabfuhr einen eigenen Kühlturm benötigten.

Dass technische Biologie nicht immer aus Edelstahl, Sensoren und Gleichungen bestehen muss, zeigt eines der ungewöhnlicheren Experimente: Die Studierenden vergraben in ihrem privaten Umfeld eine Baumwollunterhose. Cellulose ist ein natürliches Polymer, das Bodenorganismen enzymatisch abbauen können. Nach einigen Wochen wird das gute Stück wieder ausgegraben. Das Ausmass der Zersetzung liefert Hinweise auf die biologische Aktivität unter den jeweiligen Bedingungen. Frassschäden, etwa durch Wühlmäuse oder Kleinstlebewesen, können die Beurteilung aus mikrobieller Sicht allerdings «verfälschen». Weil Ingenieurinnen und Ingenieure sich nicht mit «sieht ziemlich zerfressen aus» zufriedengeben, lernen die Studierenden wie die mikrobielle Bodenaktivität zusätzlich mit etablierten Labormethoden untersucht und quantifiziert werden kann.

Auch aktuelle Umweltfragen werden aufgegriffen. Beim mikrobiellen Polymerabbau erfahren die Studierenden mit Experimenten, weshalb «biobasiert» bei Kunststoffen keineswegs automatisch «biologisch abbaubar» bedeutet und wie chemische Struktur, Temperatur, Feuchtigkeit, Sauerstoff und Mikroorganismen den Abbau beeinflussen. Bei der Phytosanierung wachsen Pflanzen in unterschiedlich stark mit Zink belasteten Substraten. Anschliessend wird untersucht, wie viel Metall sie aufgenommen und in welchen Pflanzenteilen eingelagert haben – eine direkte Verbindung von Pflanzenphysiologie, Boden- und Altlastentechnik sowie Analytik.

Am anderen Ende der Grössenskala stehen Enzyme. Anhand der Lactatdehydrogenase wird eine Enzymreaktion photometrisch verfolgt und quantitativ ausgewertet. Aus Messwerten wird Kinetik – und aus einer biologischen Reaktion eine berechenbare Ingenieuraufgabe. Das Enzym spielt auch in unserem Energiestoffwechsel eine wichtige Rolle, insbesondere bei intensiver Muskelarbeit: Es katalysiert die reversible Umwandlung von Pyruvat und Lactat. Biologische Prozesse finden nicht nur um uns, sondern auch in uns statt.

Praxisbezug zur späteren Berufswelt

Bei der Exkursion zu einem regional ansässigen, international tätigen Hersteller von Bioreaktoren wird die Interdisziplinarität besonders sichtbar. Dort müssen Konstruktion, Materialwissenschaft, Fluid- und Thermodynamik, Verfahrenstechnik, Biologie, Informatik sowie Mess-, Steuer- und Regelungstechnik zu einem funktionierenden Gesamtsystem zusammenfinden. Solche Schnittstellen sind ein ideales Tätigkeitsfeld für Absolventinnen und Absolventen des Studiengangs Erneuerbare Energien und Umwelttechnik (EEU).

Das erworbene Verständnis ist keineswegs nur für klassische «Bio-Berufe» relevant. Es eröffnet zusätzliche Kompetenzen für Kläranlagen, biologische Abluftfilter, biologische Sanierungs- und Aufbereitungsverfahren sowie die biotechnologische Produktion – von Lebensmitteln und Fleischersatz bis zu Chemie und Pharma. Biologie begegnet Ingenieurinnen und Ingenieuren aber auch dort, wo man sie zunächst kaum erwartet: Biofilme können Wärmetauscher beeinträchtigen, Rohrleitungen besiedeln und die Leistung technischer Anlagen erheblich reduzieren. Wer biologische Prozesse versteht, kann solche Effekte erkennen, beurteilen und technische Lösungen entwickeln.

Die Absolventinnen und Absolventen sollen deshalb nicht jede Bakterienart bestimmen oder jedes Enzym auswendig kennen. Sie sollen mit Fachleuten unterschiedlicher Disziplinen zusammenarbeiten und biologische Prozesse technisch verstehen, beurteilen und zielgerichtet gestalten können.

Dass dieses Konzept ankommt, zeigen die ersten beiden Durchführungen: Das Modul war jeweils vollständig ausgebucht. Technische Biologie weckt Neugier und Faszination – und erweitert den Studiengang EEU um ein attraktives, praxisnahes Themenfeld.

Die Natur liefert Organismen, Enzyme und Stoffwechselwege. Die Ingenieuraufgabe beginnt dort, wo wir diese Systeme verstehen, messen und berechnen – und daraus einen zuverlässigen technischen Prozess machen. Manchmal beginnt dieses Verständnis mit einer Gleichung, manchmal mit einem Bioreaktor oder einem unerwünschten Biofilm – und manchmal mit einer Unterhose im Boden.