Bioprozesstechnik, 3. Auflage

Cover......Page 1
Bioprozesstechnik,
3. Auflage......Page 4
ISBN 9783827424761......Page 5
Vorwort zur 3. Auflage„ Bioprozesstechnik“......Page 6
Table of Content......Page 8
Verzeichnis der Kapitelautoren......Page 12
Verzeichnis der Beitragsautoren......Page 13
1.1 Die Zelle als kleinste lebende Einheit......Page 16
1.1.1 Erbinformation wird in Desoxyribonucleinsäure (DNA) gespeichert......Page 17
1.1.2 Die makromolekulare Mindestausstattung einer Zelle......Page 19
1.1.3 Der Informationsfluss in der Zelle (Proteinbiosynthese)......Page 20
1.2.1 Prokaryoten......Page 22
1.2.2 Eukaryoten......Page 25
1.2.3 Viren und Phagen......Page 29
1.3.1 Vermehrung von Zellen durch Zellteilung (asexuelle Fortpflanzung)......Page 31
1.3.2 Die sexuelle Vermehrung......Page 32
1.3.3 Prinzipien der Evolution......Page 34
Literatur......Page 36
2.1.1 Größenverhältnisse......Page 38
2.1.2 Die Bedeutung des Wassers......Page 39
2.1.3 Vom Grundbaustein zur Zellstruktur......Page 40
2.1.4 Aufbau der Proteine......Page 41
2.1.5 Zusammenhang zwischen Proteinstruktur und -funktion......Page 45
2.1.5.1 pH-Abhängigkeit der Protein funktion......Page 46
2.1.5.2 Temperaturabhängigkeit der Proteinfunktion......Page 47
2.1.6 Proteine als Bio katalysatoren(Enzyme)......Page 49
2.1.7 Enzymkatalyse......Page 51
2.1.8 Coenzyme und Cofaktoren......Page 55
2.2.1 Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energiegewinnung......Page 56
2.2.2 Kataboler Stoffwechsel......Page 58
2.2.3 Glykolyse......Page 60
2.2.4 Zellatmung......Page 61
2.2.5 Gärungen......Page 62
2.3.1 Biologische Zeitkonstanten......Page 64
2.3.2.1 Regulation auf der Ebene der Nucleinsäuren......Page 65
2.3.2.2 Regulation auf der Ebene der Proteine......Page 67
2.3.3 Komplexe zelluläre Regelkreise......Page 68
2.3.3.2 Das Lactose-Operon......Page 69
2.3.3.3 Hormone und Wachstums faktoren......Page 71
2.3.3.4 Regulation der Glykolyse......Page 72
2.4 Gentechnik......Page 73
2.4.1.3 Polymerasen......Page 74
2.4.2 Die Klonierung eines Gens......Page 75
2.4.3 Polymerasekettenreaktion......Page 77
2.4.5 Proteindesign (proteinengineering)......Page 78
Literatur......Page 80
3 Enzymkinetik......Page 82
3.1 Aktivität und Stabilität......Page 83
3.2.1 Mathematische Herleitung der Michaelis-Menten-Gleichung......Page 84
3.3 Einfluss der Umgebungsbedingungen......Page 88
3.3.2 pH-Wert und Ionenstärke......Page 89
3.3.3 Stabilität der Enzyme......Page 91
3.4.1 Die Geschwindigkeits konstantender Elementar reaktionen......Page 93
3.4.2 Experimentelle Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit......Page 94
3.4.3 Grafische Ermittlung der Km- und vmax-Werte......Page 95
3.5 Lineare und nicht-lineare Regression......Page 96
3.6.1 Inhibitoren......Page 99
3.7 Reversible Enzymreaktionen......Page 104
3.8.1 Die Hill-Gleichung......Page 106
3.8.2 Ein einfaches allosterisches Modell......Page 107
3.8.3 Die MWC- und KNF-Modelle......Page 108
3.9 Enzymreaktionen mit zwei Substraten......Page 111
Literatur......Page 113
4 Wachstum: Kinetik und Prozessführung......Page 114
4.1.1 Geschlossene Systeme......Page 117
4.1.3 Teiloffene Systeme......Page 119
4.2 Grundlegende Bioprozessmodelle: Bilanzen und Kinetik......Page 120
4.3 Das Monod-Modell......Page 121
4.4 Lösung des Prozessmodells für den Satzbetrieb (batch)......Page 124
4.5 Lösung des Prozessmodelles für kontinuierlichen Betrieb......Page 129
4.5.1 Lösung für das Fließgleich gewicht......Page 130
4.5.2 Lösung für transientes Verhalten......Page 134
4.5.3 Transientexperimente und praxisrelevante Aussagen......Page 135
4.6 Lösung des Prozessmodells für Zulaufverfahren (fed-batch)......Page 144
4.7 Verfahren mit Zellrückhaltung......Page 146
4.8.1 Produktbildung......Page 148
4.8.2 Erhaltungsstoffwechsel......Page 152
4.8.3 Alternative Formulierungen......Page 153
4.8.5 Effekte von Temperatur und pH......Page 154
4.8.6 Wachstum filamentöser Organismen......Page 156
4.9 Methoden der Medienentwicklung......Page 157
4.9.2 Medienentwicklung im Satzbetrieb (Integralmethodik)......Page 158
4.9.3 Medienentwicklung im Chemostat (Differenzial- undIntegralmethodik)......Page 159
4.10 Populationsdynamik in Konkurrenzsituationen......Page 160
4.11 Umsatz in auto katalytischenReaktionen......Page 161
Literatur......Page 163
5.1 Die parallele Schichtenströmung......Page 166
5.2 Viskosimeterströmungen inkompressibler visko elastischerFlüssigkeiten......Page 168
5.2.1 Die stationäre Rohrströmung......Page 169
5.2.2 Die Zylinder-Couette- Strömung......Page 170
5.2.3 Die Kegel-Platte-Strömung......Page 172
5.3.2 Polynomansätze......Page 173
5.4 Repräsentative Viskosität......Page 174
5.5 Das Rührer-Rheometer......Page 176
5.6.1 Das sinusförmig oszillierende Scherexperiment......Page 177
5.6.2 Oszillierendes Scherexperiment in Rotationsviskosimetern......Page 179
5.6.3 Die oszillierende Rohrströmung......Page 180
5.7 Dehnströmungen......Page 181
5.8 Das Fließverhalten von Fermentationsbrühen......Page 182
5.8.1 Rheologisch relevante Parameter......Page 183
5.8.2 Stationäres Fließen......Page 184
5.8.3 Lineare Viskoelastizität......Page 185
5.8.4 Fließverhalten im Verlaufeiner Fermentation......Page 186
Literatur......Page 189
6.1 Maßstabsübertragung......Page 190
6.1.1 Stationäre Rohrströmung......Page 191
6.1.2 Stoffübergang an einerGasblase......Page 192
6.2.1 Leistungseintrag beim Rühren Newton’scher und nicht- Newton’scher Flüssigkeiten......Page 194
6.2.2 Leistungseintrag beim Rühren begaster Newton’scher Flüssigkeiten......Page 196
6.2.3 Leistungseintrag beim Rühren begaster viskoelastischer Flüssigkeiten......Page 197
6.3 Stofftransport in Biosuspensionen......Page 198
6.3.1 Sauerstoffeintrag in Fermentationsbrühen......Page 199
6.3.2 Sauerstoffeintrag in viskoelastische Biosuspensionen......Page 202
6.3.3 Einfluss des metabolischen Sauerstoffverbrauchs auf den Sauerstofftransport......Page 203
6.3.4 Die Bestimmung des Sauerstoff-Transportkoeffizienten k1a′......Page 204
6.3.6 Stoffübergang an einzelnen Blasen und Blasenschwärmen......Page 205
6.4 Wärmeübergang im Bioreaktor......Page 206
6.4.2 Viskoelastizität und Wärmeübergang......Page 208
Literatur......Page 211
7.2 Mischer......Page 212
7.3 Reaktortypen......Page 213
7.3.1 Rührkesselreaktoren......Page 214
7.3.1.1 Mischgüte und Mischzeit......Page 216
7.3.1.2 Lokaler Leistungseintrag beim Rühren......Page 217
7.3.1.3 Sauerstoffeintrag in Rührkesselreaktoren......Page 218
7.3.1.4 Maximaler Gaseintrag in Rührkesselreaktoren......Page 219
7.3.1.5 Scale-down großer Reaktoren......Page 220
7.3.2 Membranbioreaktoren (MBR)......Page 223
7.3.3.1 Propellerschlaufenreaktor(PSR)......Page 225
7.3.3.2 Airlift-Reaktor (ALR)......Page 226
7.3.3.3 Strahlschlaufenreaktor (SSR)......Page 227
7.3.4 Wirbelschichtreaktoren......Page 229
7.3.5 Festbettreaktoren......Page 231
7.3.6 Photobioreaktoren......Page 232
7.3.7 Einweg-Bioreaktoren für Säugetierzellen......Page 237
7.3.8 Bioreaktoren für das Tissue Engineering......Page 238
7.4 Hochdurchsatzverfahrenfür die Bioprozessentwicklung*......Page 242
7.5 Schaumprobleme......Page 247
Literatur......Page 249
8.1 Thermische Stabilität von Mikroorganismen......Page 252
8.2 Kinetik der thermisch induzierten Veränderungen......Page 254
8.3 Vergleich und Optimierung des Behandlungseffekts......Page 257
8.4 Sicherheitsniveau für Sterilisationsprozesse......Page 258
8.6 Sterilfiltration......Page 259
8.7 Funktion von Dampf sterilisatoren(Autoklaven)......Page 260
8.8.1 Aufbau autoklavierbarer Bioreaktoren......Page 261
8.8.2 Aufbau SIP-fähiger Bioreaktoren......Page 262
8.9 Sterildesign......Page 263
8.9.1 Material- und Oberflächen qualitätenfür Bioreaktoren......Page 264
8.9.2 Stutzen für Messwertgeber......Page 266
8.9.3 Sterile Probenahmeventile......Page 269
8.9.4 Gestaltung der Zuluftstrecke......Page 270
8.9.5 Abdichtung von Rührerwellen......Page 273
Literatur......Page 276
Relevante Normen, Richtlinien......Page 277
9.1.2 Sensoren......Page 278
9.2.1 Messung der Zustands größenin der Gasphase......Page 280
9.2.1.2 Kohlendioxidmessung in der Gasphase......Page 281
9.2.2.1 Gelöstsauerstoffgehalt......Page 282
9.2.3 pH-Wert-Messung......Page 284
9.2.4 Biomassebestimmung......Page 286
9.2.5 Bildgebende Verfahren......Page 288
9.2.6 Spektroskopische Sensoren......Page 290
9.2.7 Fluoreszenzspektroskopie......Page 291
9.2.8 Infrarotspektroskopie......Page 292
9.2.9 Optische Chemosensoren......Page 293
9.2.10 Biosensoren......Page 294
9.2.12 Fließinjektionsanalyse......Page 296
9.2.13 Probenahmesysteme......Page 297
9.3.1 Kalman-Filter......Page 299
9.3.2 Hauptkomponentenanalyse......Page 301
9.4 Automatisierung......Page 303
9.4.1 Regelung......Page 304
9.4.3 Zweipunktregler......Page 305
9.4.4 PID-Regler......Page 306
9.4.5 Digitale PID-Regler......Page 307
Literatur......Page 308
10 Aufarbeitung (Downstream Processing)......Page 310
10.1.1 Sedimentation/ Zentrifugation......Page 311
10.1.2 Filtration......Page 313
10.2 Zellaufschluss......Page 317
10.2.1 Rührwerkskugelmühlen......Page 318
10.2.2 Hochdruckhomogenisatoren......Page 319
10.2.3 Physiko-chemische und enzymatische Zelllyse......Page 321
10.3.1 Präzipitation/Kristallisation......Page 322
10.3.1.2 Aussalzen......Page 324
10.3.1.3 Präzipitation mittels organischer Lösungsmittel......Page 325
10.3.1.6 Präzipitation durch nichtionogene Polymere......Page 326
10.3.1.9 Affinitätspräzipitation......Page 327
10.3.2 Flotation und Schaumseparation......Page 328
10.3.3.1 Membranmaterialien und-strukturen......Page 331
10.3.3.2 Membrancharakterisierung......Page 333
10.3.3.3 Treibende Kräfte für den Stofftransport durch Membranen......Page 334
10.3.3.4 Adsorption, Konzentrations polarisationund Fouling......Page 335
10.3.3.5 Druckgetriebene Membran-trennverfahren......Page 337
10.3.3.7 Membranen zur Gastrennung und Pervaporation......Page 340
10.3.3.10 Elektrisch getriebene Membrantrennprozesse......Page 345
10.3.3.11 Auslegung und Betrieb von Membrananlagen......Page 349
10.3.4.1 Extraktionsmittel......Page 351
10.3.4.2 Die wässrige Zweiphasen-extraktion(ATPS)......Page 352
10.3.4.3 Affinitätsextraktion......Page 356
10.3.4.4 Superkritische Fluidextraktion (SFE)......Page 357
10.3.4.5 Solventextraktion im technischen Maßstab......Page 359
10.3.5 Elektrokinetische Trennverfahren......Page 360
10.3.5.1 Störfaktoren......Page 361
10.3.5.3 Isotachophorese (ITP)......Page 362
10.3.6 Adsorptive/Chromato graphischeTrennverfahren......Page 363
10.3.6.1 Theoretische Grundlagen der Chromatographie......Page 364
10.3.6.3 Normalphasenchromatographie (ADC)......Page 366
10.3.6.6 Ionenaustausch chromatographie(IEC)......Page 367
10.3.6.7 Affinitätschromatographie (AFC)......Page 368
10.3.6.8 Metall-Chelat-Chromato graphie(MCC); immobilised metal affinity chromatography (IMAC)......Page 369
10.3.6.10 Gelchromatographie (size-exclusionchromatography, SEC)......Page 370
10.3.6.11 Hochdurchsatzexperimente (HTS) zur Auslegung und Optimierung von Chromatographie-Verfahren......Page 371
10.3.6.12 Präparative Chromato graphieim technischen Maßstab......Page 372
10.4 Entwicklung von Downstream-Prozessen......Page 378
10.4.1 Strategien......Page 379
10.4.2 Experimentell gestützter systematischer Prozessentwurf......Page 380
10.4.3 Analytik......Page 381
10.4.4 Bewertung......Page 382
Literatur......Page 383
11.1 Eigenschaften von Tierzellen......Page 388
11.1.1 Kultur von Primärzellen......Page 389
11.1.1.1 Differenzierung von Zellen......Page 390
11.1.2.2 Zellfusion und Hybridomazellen......Page 391
11.1.2.3 Rekombinante DNA-Technologie......Page 393
11.2.1 Herstellung von Zellbanken......Page 396
11.2.2 Freigabe und Charakteri sierung von Zellbanken......Page 397
11.2.3.1 Säugetier-Zelllinien......Page 398
11.2.3.3 Design neuer Wirtszelllinien......Page 399
11.2.3.4 Alternative Wirtszellen und Organismen......Page 400
11.3.1.1 Serumhaltige Zellkulturmedien......Page 403
11.3.1.2 Serumfreie Zellkulturmedien......Page 405
11.3.1.3 Chemisch definierte Zellkulturmedien......Page 406
11.4 Zellkultivierungs-methoden......Page 407
11.4.1.1 Begasung und Rührung......Page 408
11.4.2 Weitere Reaktoren......Page 410
11.5.1 Sterilisation......Page 411
11.5.3 Zellkultivierungsverfahren......Page 412
11.5.4.1 Prozessparameter......Page 413
11.5.4.2 Prozessmonitoring......Page 414
11.5.5 Methoden der Zellabtrennung......Page 415
11.6.1 Aufgaben der Prozessentwicklung......Page 416
11.6.3 Entwicklung und Optimierung von Zellkulturverfahren......Page 417
11.6.3.3 Zellkulturverfahren......Page 418
11.6.4.3 Klassifizierung derProzessparameter......Page 419
11.6.5 Methoden zur Prozessentwicklung......Page 420
11.6.5.2 Design of Experiments (DoE)......Page 421
11.6.5.3 Proteomanalyse......Page 422
11.6.5.5 Plattform-Technologien......Page 423
11.6.6 Prozesstransfer und Maßstabsvergrößerung......Page 424
11.7.1 Aufbau und Organisationeiner großtechnischen biotechnischen Produktionsanlage......Page 425
11.7.1.1 Fermentation......Page 426
11.7.1.2 Proteinchemische Aufarbeitung und Formulierung......Page 427
11.7.1.4 Einsatz von Flüssigmedien in Einweg-Behältnissen......Page 428
11.7.2.1 Prozessdesign......Page 429
11.7.2.2 Prozessqualifizierung......Page 430
11.7.2.3 Kontinuierliche Prozess-verifikationund Prozessmonitoring......Page 431
11.7.3.2 Spezifikationen und Prozessgrenzen......Page 432
11.7.4 Betrieb einer großtechnischen Produktionsanlage– Wechselwirkungen zwischen Prozessformat und Anlagendesign......Page 433
11.7.4.1 Anlagenauslastung, Prozessformat und Anlagendesign......Page 434
11.7.4.2 Kampagnen-Produktion mit Rüstwechseln......Page 435
11.7.5 Entwicklung eines Folgeprozesses und daraus resultierender Änderungsaufwand......Page 436
Literatur......Page 437
12 Enzymatische Prozesse......Page 442
12.1 Mathematische Beschreibung idealer Reaktortypen......Page 443
12.1.1 Der batch-Reaktor......Page 445
12.1.2 Kontinuierliche Reaktoren......Page 446
12.1.3 Reaktorwahl......Page 449
12.1.3.1 Reaktorwahl anhand eines Beispiels......Page 452
12.2 Technischer Einsatz von freien und immobilisierten Enzymen......Page 454
12.3 Prozessvarianten......Page 455
12.4 Stofftransportlimitierung bei trägerimmobilisierten Enzymen......Page 457
12.4.1 Externe Stofftransport limitierung......Page 458
12.4.2 Interne Stofftransport-limitierung......Page 459
12.4.3 Experimentelle Bestimmung der Stofftransportlimitierung......Page 460
12.5.1 Konvektiv betriebene Membranreaktoren......Page 462
12.5.2.1 Konzentrationsverteilung in den drei Segmenten Reaktor, Membranmodul und Rücklauf......Page 464
12.6 Nicht-konventionelle Reaktionsmedien......Page 466
12.6.1 Rein organische Systeme......Page 467
12.6.2.1 Emulsionen......Page 468
12.6.2.2 Mikroemulsionen und reverse Micellen......Page 469
12.6.3 Reaktionsgleichgewichte in Zweiphasensystemen......Page 470
12.6.3.1 Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts durch Produktextraktion......Page 471
12.6.3.2 Reversionsreaktionen......Page 474
12.6.4 Prozessführungs- und Aufarbeitungsverfahren von Mehrphasensystemen......Page 475
12.6.5 Aktivität und Stabilität von Enzymen in Mehrphasen systemen......Page 477
12.6.6 Wahl des geeigneten organischen Lösungsmittels......Page 478
12.6.7 Überkritische Fluide......Page 479
12.7.1.1 Epimerisierung von Glucosamin......Page 480
12.7.1.2 Produktion von L -Methionin durch kinetische Racematspaltung......Page 481
12.7.2.1 Produktion von high fructose corn syrup (HFCS)......Page 482
12.7.2.3 Hydrolyse von Penicillin G......Page 485
12.7.2.4 Synthese von Esterölen......Page 487
Literatur......Page 489
13.1 Mikrobielle Stoffproduktion......Page 492
13.2 Produktion rekombinanter Proteine......Page 496
13.3 Mikrobielle Aminosäureproduktion......Page 497
13.4 Mikrobielle Produktion von Biotensiden......Page 500
13.5 Biokatalytische Epoxidierung von Styrolzu enantiomerenreinem (S-)Styroloxid......Page 501
13.6.1 Mikrobielle Produktion von Milchsäure......Page 503
13.6.2 Mikrobielle Produktion von Citronensäure......Page 504
13.6.3 Biotechnische Herstellung von Perillasäure im integrierten Bioprozess......Page 506
13.7 Mikrobielle Produktion von Aromastoffen......Page 508
13.8 Bioethanolproduktion......Page 510
13.9 Biotechnische Herstellung von Biomasse......Page 512
13.10.1 Aerobe Abwasser reinigung......Page 513
13.10.3.1 Nitrifikation......Page 515
13.10.3.2 Denitrifikation......Page 516
13.10.4.2 Beispiel für ein kommunales Abwasser......Page 517
Literatur......Page 518
14.1.1 Definition der System biologie......Page 522
14.1.2 Metabolic-Engineering-Systembiologie – Synthetische Biologie......Page 523
14.1.3 Bioprozesstechnik im Wandel der Zeit......Page 524
14.2 Aufgaben der Systembiologie für die Bioprozessentwicklung......Page 525
14.3 Stöchiometrische Stoffflussanalysen (metabolicflux analysis, MFA)......Page 526
14.4 Stoffflussanalysen auf der Basis von Markierungsinformation......Page 528
14.5 Metabolische Kontrollanalyse (metabolic control analysis, MCA)......Page 531
14.6 Signaltransduktion......Page 535
14.6.2 Ras-Proteine......Page 537
14.6.3 MAP-Kinasen......Page 538
Literatur......Page 539
Symbolverzeichnis......Page 542
Sachregister......Page 546