Bioprozesstechnik (eBook)

Horst Chmiel (Autor)

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2006 | 2. Auflage
431 Seiten
Spektrum Akademischer Verlag
9783827416070 (ISBN)

Infos

Die "Weiße Biotechnologie" bringt den Durchbruch: So sahen es jedenfalls Biotechnologen aus Politik, Industrie und Forschung auf einem Kongress 2005 in Berlin. Als "Weiße Biotechnologie" wird die biotechnische Massenproduktion von Bulk- und Feinchemikalien, Lebensmittelzusatzstoffen, Pharmaka, Biotreibstoffen etc. definiert, also gewissermaßen der Transfer der Ergebnisse aus dem Schüttelkolben in den industriellen Maßstab.

Die Wahl der richtigen Prozesse und Parameter bei der Maßstabsübertragung entscheidet über die Wirtschaftlichkeit. Die 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage dieses Fachbuchs bietet eine Einführung in die Grundlagen der Bioprozesstechnik und erläutert die wichtigsten Parameter und deren Verhalten bei der Maßstabsübertragung. Damit liegt es voll im Trend, denn es hilft Studenten der Biotechnologie und Ingenieurwissenschaften die an sie im Studium, in der Forschung und der industriellen Praxis gestellten Aufgaben zu erfüllen. Das jetzt einbändige Werk beginnt mit einer Einführung in die Zellbiologie und Biochemie.

Es folgen Beiträge zur Kinetik von Enzymen und Mikroorganismen. Weitere Kapitel beschäftigen sich mit den Fließeigenschaften von Biosuspensionen und deren Einfluss auf Transportvorgänge im Bioreaktor. Die Funktionsweise von Bioreaktoren und das Problem der Sterilität sowie die Mess- und Regeltechnik werden ausführlich behandelt. Mehr als die Hälfte der Kosten eines Bioprodukts entfallen auf die Aufarbeitung; ihr wird deshalb besondere Beachtung geschenkt. Das Werk endet mit einem Kapitel zu den verfahrenstechnischen Besonderheiten von höheren Eukaryoten und Enzymen.

Der Herausgeber

Horst Chmiel, geb. 1940 in Königshütte. Studium der Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen, Promotion und Habilitation an der RWTH Aachen. 1976-1992 Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik Stuttgart. 1986-1992 Ordinarius für Bioprozesstechnik der Universität Stuttgart.

Seit 1992 Inhaber des Lehrstuhls für Prozesstechnik der Universität des Saarlandes und wissenschaftlicher Direktor der Gesellschaft für umweltkompatible Prozeßtechnik mbH (upt GmbH), Saarbrücken. Prof. Chmiel hat mehr als 200 Publikationen sowie vier Bücher publiziert und ist Inhaber von 80 Patenten.   

Inhalt

Preface 6
Vorwort 7
Verzeichnis der Autoren 9
Inhalt 10
1 Einführung in die Zellbiologie 12
1.1 Die Zelle als kleinste lebende Einheit 12
1.2 Verschiedene Zelltypen, Viren und Phagen 18
1.3 Fortpflanzung und Evolution 27
2 Einführung in die Biochemie 34
2.1 Bausteine der Zelle 34
2.2 Stoffwechsel 52
2.3 Regulation zellulärer Vorgänge 60
2.4 Gentechnik 69
3 Enzymkinetik 78
3.1 Aktivität und Stabilität 79
3.2 Reaktionsmechanismen enzymatischer Ein-Substrat- Reaktionen 80
3.3 Einfluss der Umgebungsbedingungen 84
3.4 Bestimmung der kinetischen Konstanten 89
3.5 Lineare und nicht-lineare Regression 92
3.6 Effektorkinetik 95
3.7 Reversible Enzymreaktionen 100
3.8 Allosterie und Kooperativität 102
3.9 Enzymreaktionen mit zwei Substraten 106
4 Wachstum: Kinetik und Prozessführung 110
4.1 Ideale Prozesse zur Messung der Kinetik 113
4.2 Grundlegende Bioprozessmodelle: Bilanzen und Kinetik 116
4.3 Das Monod-Modell 117
4.4 Lösung des Prozessmodelles für den Satzbetrieb (batch) 120
4.5 Lösung des Prozessmodelles für kontinuierlichen Betrieb 125
4.6 Lösung des Prozessmodelles für Zulaufverfahren (fed-batch) 140
4.7 Verfahren mit Zellrückhaltung 142
4.8 Erweiterungen und Modifikationen des Monod-Modells 144
4.9 Methoden der Medienentwicklung 152
4.10 Populationsdynamik in Konkurrenzsituationen 155
4.11 Umsatz in autokatalytischen Reaktionen 157
5 Rheologie von Biosuspensionen 160
5.1 Die parallele Schichtenströmung 160
5.2 Viskosimeterströmungen inkompressibler viskoelastischer Flüssigkeiten 162
5.3 Mathematische Modellierung der stationär ermittelten Fließkurve 168
5.4 Repräsentative Viskosität 169
5.5 Das Rührer-Rheometer 171
5.6 Die instationäre Scherströmung viskoelastischer Fluide 172
5.7 Dehnströmungen 175
5.8 Das Fließverhalten von Fermentationsbrühen 176
6 Transportvorgänge in Biosuspensionen 184
6.1 Zur Maßstabsübertragung 184
6.2 Leistungseintrag beim Rühren von Flüssigkeiten 188
6.3 Zum Stofftransport in Biosuspensionen 191
6.4 Zum Wärmeübergang im Bioreaktor 199
7 Bioreaktoren 206
7.1 Definition eines Bioreaktors 206
7.2 Mischer 206
7.3 Reaktortypen 207
7.4 Schaumprobleme 222
7.5 Hochdurchsatzverfahren für die Bioprozessentwicklung 224
8 Sterilisation und Steriltechnik 228
8.1 Die thermische Resistenz von Mikroorganismen 228
8.2 Das Verhalten einer Population unter Hitzeeinwirkung 229
8.3 Die Quantifizierung des Sterilisationsgrades 230
8.4 Die Auslegung des Sterilitätskriteriums für einen Sterilisationsablauf 232
8.5 Kontinuierliche Sterilisationsverfahren 232
8.6 Die Sterilisation durch Filter 234
8.7 Die Steriltechnik 235
8.8 Der Aufbau von gerührten Laborreaktoren 235
8.9 Die Funktion von Autoklaven (Dampfsterilisatoren) 236
8.10 Der Aufbau von in situ sterilisierbaren Reaktoren 236
8.11 Stutzen für Messwertgeber 237
8.12 Die Abtrennung des Reaktorinhaltes von peripheren Leitungsbereichen 237
8.13 Die Sterilisation der Zuluftstrecke 239
8.14 Die Rührwellenabdichtung 241
9 Mess- und Regeltechnik an Bioreaktoren 246
9.1 Die Betriebsarten Sterilisation und Fermentation 246
9.2 Messung und Regelung von Zustandsgrößen im Reaktor 248
9.3 Analytik außerhalb des sterilen Bereichs 262
9.4 Messungen in der Gasstrecke des Bioreaktors 263
10 Aufarbeitung (Downstream Processing) 270
10.1 Zellernte 271
10.2 Zellaufschluss 276
10.3 Produktisolation, -konzentrierung und -reinigung 280
10.4 Bioprozesse mit integrierter Produktaufarbeitung 325
11 Kultur von Tierzellen 334
11.1 Eigenschaften von Tierzellen 334
11.2 Zellcharakterisierung 342
11.3 Die Umgebung von Zellen in Kultur 347
11.4 Zell-Kultivierungsmethoden 351
11.5 Prozessführung bei Säugerzellkulturen 355
11.6 Großtechnische biopharmazeutische Produktion 359
12 Enzymatische Prozesse 372
12.1 Mathematische Beschreibung idealer Reaktortypen 373
12.2 Technischer Einsatz von freien und immobilisierten Enzymen 384
12.3 Prozessvarianten 385
12.4 Stofftransportlimitierung bei trägerimmobilisierten Enzymen 387
12.5 Membranreaktoren 391
12.6 Nicht konventionelle Reaktionsmedien 396
12.7 Prozessbeispiele 410
Symbolverzeichnis 420
Sachregister 424
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Textauszug

4 Wachstum: Kinetik und Prozessführung (S.99)

Wenn lebensfähige Zellen in einer Lösung suspendiert werden, die zumindest alle essenziellen Nährstoffe enthält, die richtige Temperatur und den richtigen pH besitzt, dann wachsen oder produzieren die Zellen. Das Wachstum verläuft bei verschiedenen Zelltypen unterschiedlich:

• Einzel-zellig wachsende Organismen: Die Zunahme der Biomasse geht normalerweise mit einer Erhöhung der Zellzahl einher.

• In Aggregaten, sozusagen im „Zellverbund" wachsende Organismen: beim Wachstum z. B. von Pilzen nehmen Größe und Dichte des Myzels zu, aber nicht unbedingt die Zellzahl.

Ursächlich mit dem Zellwachstum (= Wirkung) verbunden ist die Aufnahme (= Ursache) von Stoffen aus der Umgebung der Zelle. Eine Folge des Stoffwechsels ist die Abgabe von metabolischen Zwischen- oder Endprodukten an die Umgebung. Das Wachstum der Zellpopulation soll zunächst in seiner allgemeinsten und damit auch kompliziertesten Form betrachtet werden. Im Anschluss daran sollen sinnvolle Vereinfachungen eingeführt werden.

In Abb. 4.1 sind einige Parameter, Phänomene und Interaktionen zusammengefasst, welche das physiologische Verhalten von Zellpopulationen beeinflussen. Generell müssen zwei miteinander wechselwirkende Systeme unterschieden werden, die biologische Phase – sie besteht aus der Zellpopulation – und die umgebende (abiotische) Phase – das (Wachstums-)Medium. Die Zellen konsumieren Nährstoffe und setzen Substrat aus der Umgebung in Produkt(e) um.

Als Substrat im weiteren Sinn wird jede Komponente des Nährmediums verstanden; im engeren Sinn wird meist die Kohlenstoff- und Energiequelle (z. B. Glucose) als Substrat bezeichnet. Die Zellen erzeugen während des Wachstums und/oder der Produktbildung Wärme und werden umgekehrt von der Temperatur des Mediums beeinflusst. Mechanische Kräfte aus hydrostatischem Druck und Scherströmung wirken über das Medium auf die Zellen.

Diese Effekte beeinflussen vor allem zellwandlose Organismen, z. B. animale Zellen, die bereits durch die Turbulenzen einer an der Oberfläche zerplatzenden Gasblase irreversibel geschädigt werden können. Konzentration und Morphologie von Zellen und die Konzentrationen von Substraten und Produkten wirken auf die Rheologie der Biosuspension, die wiederum für die Höhe der Scherkräfte verantwortlich ist.

Häufig produziert oder konsumiert eine Population Komponenten, die den pH-Wert des Mediums verschieben, was wiederum die Zellaktivität beeinflusst. Während des Verlaufs einer spontanen, unkontrollierten Bioreaktion ändern sich Konzentrationen, Temperatur, pH, Ionenstärke und die rheologischen Eigenschaften mit der Zeit. Durch Messung und Regelung (im geschlossenen Regelkreis) können einige dieser Variablen zu so genannten Kulturparametern gemacht werden.

Selbst die Einzelzelle ist ein kompliziertes Multikomponentensystem. Viele (bio-)chemische Reaktionen finden in einer Zelle simultan statt, von einem komplizierten internen Regelsystem kontrolliert. Während der Kultivierung einer Zellpopulation können sich spontane Mutationen ereignen (die mittlere Wahrscheinlichkeit liegt vermutlich in der Größenordnung von 1:106).

Von diesen Mutanten zeichnen sich wiederum nur wenige durch verbesserte Eigenschaften aus. Jedes Reaktorsystem übt auf Grund seiner Komponenten und/oder Betriebsweise einen Selektionsdruck auf die gesamte Population aus und kann somit einzelne Mutanten bevorzugen.

Diese würden in der Folge die ursprüngliche Population überwachsen (s. Abschnitt 4.10). Neben der genetischen Inhomogenität besteht in einer wachsenden Zellpopulation auch eine signifikante Heterogenität von Zelle zu Zelle. Zu einem gegebenen Zeitpunkt und in einem Volumenelement unterscheiden sich die Zellen hinsichtlich ihres individuellen Alters und/oder ihrer (bio-)chemischen Aktivität.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.1.2006
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik
• ISBN-13: 9783827416070 / 9783827416070