Einführung in Biotechnologie - ftp.tugraz.at Einfuehrung... · Biotechnologie Produkte mit...

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Einführung in Biotechnologie Literatur: Antranikian: Angewandte Mikrobiologie, Springer 2006 Renneberg: Biotechnologie für Einsteiger, Elsevier Spektrum, 2006 Thieman, Paladino: Biotechnologie, Pearson Studium, 2007 Brock: Mikrobiologie, Pearson Studium, 2007 Unterlagen:

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Einführung in Biotechnologie

Literatur:

Antranikian: Angewandte Mikrobiologie, Springer 2006

Renneberg: Biotechnologie für Einsteiger, Elsevier Spektrum, 2006

Thieman, Paladino: Biotechnologie, Pearson Studium, 2007

Brock: Mikrobiologie, Pearson Studium, 2007

Unterlagen:

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BiotechnologieProdukte mit lebenden Organismen

oder Teilen davon herstellen

Enge Definition Industrielle Produktion in Bioreaktoren - Mikroorganismen, Zellkulturen Enzymtechnik und Biokatalyse - Enzyme

Breitere Definition Spezifisch modifizierte Pflanzen und Tiere als Produzenten (Transgene Organismen) Direkte medizinische Applikationen (z.B. Gentherapie) Bio-Nanostrukturen

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Molekulare BiotechnologieEngineering von Biosystemen

Zell-EngineeringStoffwechsel-Engineering

Protein-Engineering

BioprozesstechnikEngineering von Produktionsverfahren

ProzessentwicklungReaktionstechnik

Aufarbeitungstechnik

BIOTECHNOLOGIE

Integrierte Vernetzung

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Biowissenschaften

Biochemie(Mikro)biologieMoleklarbiologie

(Molekular)GenetikGentechnik

Ingenieurwissenschaften

BiopozesstechnikBioverfahrenstechnikAnlagenbau

Naturwiss. Grundlagen

MathematikPhysik

Chemie

Informationswissenschaften

BioinformatikDatenmanagement

ModellierungWirtschftswissenschaftenÖkonomie

UmweltwissenschaftenÖkologie

Biotechnologie – Interdisziplinäre Wissenschaft

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Bio-

techno-

logie

Gentechnik

Zellkultur- & Zellfusionstechnik

Biosensorik

StrukturbiologieMol. Modeling

Gen-Prote- omicsMetabol-

Bioprozesstechnik

Elektronik

Software

Neue Materialien

Nanotechnologie

InnovationsfelderModerner Technologien

Biotechnologie - Frontfelder

Zell-Protein- Engineering

Systems Biotechnology

SyntheticBiotechnology

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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)

– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]

•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]

•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]

•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]

•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]

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Klassische Biotechnologie

EmpirieGefühlErfahrung

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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)

– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]

•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]

•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]

•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]

•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]

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Luis Pasteur1884 Mikroorganismen

sind für Gärvorgänge verantwortlich

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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)

– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]

•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]

•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]

•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]

•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]

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Gregor MendelUm 1860 Gene bestimmen

Eigenschaftenvon Lebewesen

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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)

– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]

•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]

•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]

•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]

•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]

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Biotechnologie in Österreich

Intercell > 100 Gentechnische Impfstoffe

Sandoz

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GENOM

METABOLOM

PROTEOM

ORGANISMEN

Moderne Biotechnologie Knowledge based

TRANSKRIPOM

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Die Zellfabrik

ProteineEnzyme

DNA

Steuerzentrale

Produktionsstätte

Moderne Biotechnologie Knowledge based

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Substrate(Futter z.B. Zucker)

Gene

Produkt(z.B. Penicillin)

Enzyme

S CBA D

G

F

Zelle - Funktion

E1

E7

E5

E2 E3

E6

E8

E4

P

MetaboliteProteine

E

Umwelt

Zellbauteile

Zellbau-teile+/-

+/-

Moderne Biotechnologie Knowledge based

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Natur

Breite Biodiversität

1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen ProzessesSuche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur

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1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen ProzessesSuche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur

Genutzte Biosysteme in der Biotechnologie

Mikroorganismen

BakterienMilchsäurebakterienCorynebakterienStreptomycetenBacilliEscherichia coli

PilzeHefen(S. cerevisiae, P.pastoris)Filamentöse Pilze(Aspergillus sp., Penicillium chrysogenum)

Algen

Pflanzen

Zellkulturen KalluskulturenTransgene Pflanzen

Tiere

Zellkulturen Insektenzellen Säugerzellen (CHO)

Transgene Tiere

Enzyme Enzymtechnik & Biokatalyse

Isolierte Enzyme

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1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen ProzessesSuche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur

Definierte Biologie = Reinkulturen

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2. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses

Entwicklung des biologischen Systems

Aus der Natur isolierte Stämme sind zwar fähig, gewünschtes Produkt herzustellen aber meist sind viele Parameter nicht zufriedenstellend

z.B.:WachstumsverhaltenProduktbildungVerwertung von NährstoffenBildung von NebenproduktenGenerelle Prozesseigenschaften

Physiologische Bedingungen Genetische Optimierung

Laborverfahren

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3. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses

Prozessentwicklung

Upstream ProzesseMedienaufbereitungSterilisationImpfgutherstellung

Downstream ProzesseZellabtrennungZellaufschlussProduktisolierungProduktreinigungKonfektionierung

Bioreaktor

Bioprozess

Scale – up

Laborverfahren Pilot Plant Produktionsanlage

NebenprozesseKühlsystemeLuftversorgungLagerhaltung

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Abfolge eines BioprozessesKulturführung

Upstream ProzesseMedienaufbereitungSterilisationImpfgutherstellung

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3. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses

Prozessentwicklung

Upstream ProzesseMedienaufbereitungSterilisationImpfgutherstellung

Downstream ProzesseZellabtrennungZellaufschlussProduktisolierungProduktreinigungKonfektionierung

Bioreaktor

Bioprozess

Scale – up

Laborverfahren Pilot Plant Produktionsanlage

NebenprozesseKühlsystemeLuftversorgungLagerhaltung

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Bioreaktor – System zur kontrollierten Züchtung von Mikroorganismen und Zellkulturen

Down-stream

Upstream

Aus : Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger

Nährstoffe, Impfgut

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Downstream ProzesseZellabtrennungZellaufschlussProduktisolierungProduktreinigungKonfektionierung

Zellabtrennung

FiltrationZentrifugation

ZellaufschlussHochdruckhomogenisatoren

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Wachstum von Mikroorganismen Produktion der Biomasse

Biomasse Produkt Biomasse biokatalytische Kapazität

Produktbildung

Für den Bioprozess wichtige Phasen im Biosystem

Metabolische FähigkeitenGenexpression

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Wachstum von Mikroorganismen

Einzellig- symmetrisch- asymmetrisch- Kettenwachstum

Hyphenwachstum- mehrkernig- septiert

Flockenbildung

Pelletbildung

Biofilme

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Wachstum von Mikroorganismen

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Exponentielles Wachstum Substrat-limitiertes Wachstum

Wachstum von Mikroorganismen

Monod

X = Biomasse N = Zellzahlµ = spez. Wachstums-

rate

dN dt = µ N

dX dt = µ X

dX dt = µX

1*

Integration

X X0

= µ . t ln X X0 . e=µ . t

Verdoppelungszeit

2 X0

X0

= µ . τln ln 2 µ

= τ

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[X] [X]

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Zuwachs - Absterben

= spez. Absterberate

Wachstum –Temperaturabhängigkeit

dX dt = µ X X-

ln µ

1/ T

µ = A . e RT

Ea

= A* . e RT

Ea*

Absterben Wachstum

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Wachstum von Mikroorganismen

Experimentelle Bestimmung

Zellzahl (nur einzellige Organismen)Thoma Zählkammer (mikroskopisch)Cell Counter CFU (colony forming units)

Biomasse (direkte Verfahren)ZTM (Zelltrockenmasse) ZFM (Zellfeuchtmasse)Frischvolumen (Zentrifugation)

Probleme: Feststoffe in Medium

Biomasse (indirekte Verfahren)Optische Dichte (Trübungsmessung)Stoffwechselparameter (z.B. dO2/dt, dCO2/dt, dpH/dt etc.)Zellinhaltstoffe (z.B. DNA, RNA, ATP, N-Gehalt, Proteingehalt etc.)

Probleme: Abhängigkeit von physiolg. Zustand der Biomasse

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Produktbildung

Wachstumsassoziiert

dP dt =

µ X

YP/S

Nicht assoziiert