Chmiel Bioprozesstechnik

2. Auflage 2006
ISBN: 978-3-8274-1607-0
Verlag: Spektrum Akademischer Verlag
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 431 Seiten

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.

Autoren/Hrsg.

Chmiel, Horst

Inhaltsverzeichnis

1;Preface;6
2;Vorwort;7
3;Verzeichnis der Autoren;9
4;Inhalt;10
5;1 Einführung in die Zellbiologie;12
5.1;1.1 Die Zelle als kleinste lebende Einheit;12
5.2;1.2 Verschiedene Zelltypen, Viren und Phagen;18
5.3;1.3 Fortpflanzung und Evolution;27
6;2 Einführung in die Biochemie;34
6.1;2.1 Bausteine der Zelle;34
6.2;2.2 Stoffwechsel;52
6.3;2.3 Regulation zellulärer Vorgänge;60
6.4;2.4 Gentechnik;69
7;3 Enzymkinetik;78
7.1;3.1 Aktivität und Stabilität;79
7.2;3.2 Reaktionsmechanismen enzymatischer Ein-Substrat- Reaktionen;80
7.3;3.3 Einfluss der Umgebungsbedingungen;84
7.4;3.4 Bestimmung der kinetischen Konstanten;89
7.5;3.5 Lineare und nicht-lineare Regression;92
7.6;3.6 Effektorkinetik;95
7.7;3.7 Reversible Enzymreaktionen;100
7.8;3.8 Allosterie und Kooperativität;102
7.9;3.9 Enzymreaktionen mit zwei Substraten;106
8;4 Wachstum: Kinetik und Prozessführung;110
8.1;4.1 Ideale Prozesse zur Messung der Kinetik;113
8.2;4.2 Grundlegende Bioprozessmodelle: Bilanzen und Kinetik;116
8.3;4.3 Das Monod-Modell;117
8.4;4.4 Lösung des Prozessmodelles für den Satzbetrieb (batch);120
8.5;4.5 Lösung des Prozessmodelles für kontinuierlichen Betrieb;125
8.6;4.6 Lösung des Prozessmodelles für Zulaufverfahren (fed-batch);140
8.7;4.7 Verfahren mit Zellrückhaltung;142
8.8;4.8 Erweiterungen und Modifikationen des Monod-Modells;144
8.9;4.9 Methoden der Medienentwicklung;152
8.10;4.10 Populationsdynamik in Konkurrenzsituationen;155
8.11;4.11 Umsatz in autokatalytischen Reaktionen;157
9;5 Rheologie von Biosuspensionen;160
9.1;5.1 Die parallele Schichtenströmung;160
9.2;5.2 Viskosimeterströmungen inkompressibler viskoelastischer Flüssigkeiten;162
9.3;5.3 Mathematische Modellierung der stationär ermittelten Fließkurve;168
9.4;5.4 Repräsentative Viskosität;169
9.5;5.5 Das Rührer-Rheometer;171
9.6;5.6 Die instationäre Scherströmung viskoelastischer Fluide;172
9.7;5.7 Dehnströmungen;175
9.8;5.8 Das Fließverhalten von Fermentationsbrühen;176
10;6 Transportvorgänge in Biosuspensionen;184
10.1;6.1 Zur Maßstabsübertragung;184
10.2;6.2 Leistungseintrag beim Rühren von Flüssigkeiten;188
10.3;6.3 Zum Stofftransport in Biosuspensionen;191
10.4;6.4 Zum Wärmeübergang im Bioreaktor;199
11;7 Bioreaktoren;206
11.1;7.1 Definition eines Bioreaktors;206
11.2;7.2 Mischer;206
11.3;7.3 Reaktortypen;207
11.4;7.4 Schaumprobleme;222
11.5;7.5 Hochdurchsatzverfahren für die Bioprozessentwicklung;224
12;8 Sterilisation und Steriltechnik;228
12.1;8.1 Die thermische Resistenz von Mikroorganismen;228
12.2;8.2 Das Verhalten einer Population unter Hitzeeinwirkung;229
12.3;8.3 Die Quantifizierung des Sterilisationsgrades;230
12.4;8.4 Die Auslegung des Sterilitätskriteriums für einen Sterilisationsablauf;232
12.5;8.5 Kontinuierliche Sterilisationsverfahren;232
12.6;8.6 Die Sterilisation durch Filter;234
12.7;8.7 Die Steriltechnik;235
12.8;8.8 Der Aufbau von gerührten Laborreaktoren;235
12.9;8.9 Die Funktion von Autoklaven (Dampfsterilisatoren);236
12.10;8.10 Der Aufbau von in situ sterilisierbaren Reaktoren;236
12.11;8.11 Stutzen für Messwertgeber;237
12.12;8.12 Die Abtrennung des Reaktorinhaltes von peripheren Leitungsbereichen;237
12.13;8.13 Die Sterilisation der Zuluftstrecke;239
12.14;8.14 Die Rührwellenabdichtung;241
13;9 Mess- und Regeltechnik an Bioreaktoren;246
13.1;9.1 Die Betriebsarten Sterilisation und Fermentation;246
13.2;9.2 Messung und Regelung von Zustandsgrößen im Reaktor;248
13.3;9.3 Analytik außerhalb des sterilen Bereichs;262
13.4;9.4 Messungen in der Gasstrecke des Bioreaktors;263
14;10 Aufarbeitung (Downstream Processing);270
14.1;10.1 Zellernte;271
14.2;10.2 Zellaufschluss;276
14.3;10.3 Produktisolation, -konzentrierung und -reinigung;280
14.4;10.4 Bioprozesse mit integrierter Produktaufarbeitung;325
15;11 Kultur von Tierzellen;334
15.1;11.1 Eigenschaften von Tierzellen;334
15.2;11.2 Zellcharakterisierung;342
15.3;11.3 Die Umgebung von Zellen in Kultur;347
15.4;11.4 Zell-Kultivierungsmethoden;351
15.5;11.5 Prozessführung bei Säugerzellkulturen;355
15.6;11.6 Großtechnische biopharmazeutische Produktion;359
16;12 Enzymatische Prozesse;372
16.1;12.1 Mathematische Beschreibung idealer Reaktortypen;373
16.2;12.2 Technischer Einsatz von freien und immobilisierten Enzymen;384
16.3;12.3 Prozessvarianten;385
16.4;12.4 Stofftransportlimitierung bei trägerimmobilisierten Enzymen;387
16.5;12.5 Membranreaktoren;391
16.6;12.6 Nicht konventionelle Reaktionsmedien;396
16.7;12.7 Prozessbeispiele;410
17;Symbolverzeichnis;420
18;Sachregister;424
19;Mehr eBooks bei www.ciando.com;0

Leseproben

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.