IBB - Biotechnologie und Bioprozesstechnik 1 Einführung in die Biotechnologie Biotechnologie ist...

IBB - Biotechnologie und Bioprozesstechnik 1

Einführung in die Biotechnologie

Biotechnologie ist die Lehre von der auf

Basis von quantifizierenden Methoden

reproduzierbar gemachten Durchführung

von Bioprozessen in industriellen

Produktionsverfahren technischen

Maßstabes.

[email protected] / CHE.723 SS 2015

IBB - Biotechnologie und Bioprozesstechnik

Molekulare BiotechnologieEngineering von Biosystemen

Zell-EngineeringStoffwechsel-Engineering

Protein-Engineering

BioprozesstechnikEngineering von Produktionsverfahren

ProzessentwicklungReaktionstechnik

Aufarbeitungstechnik

BIOTECHNOLOGIE

Integrierte Vernetzung


Einführung in die Biotechnologie Biotechnologische Prozesse

– Substrate und deren Aufbereitung– Bioreaktoren

Aufbau, Design und BetriebKinetik

– Aufarbeitung

Prozessbeispiele Enzymtechnologie

– Produktion– Enzymatische Prozesse


Biotechnologie traditionell Gärungen (Bier und Wein; Sauermilchprodukte und Käse;

Wurstherstellung; Essig; fermentierte asiatische Produkte; Kaffee, Tee und Kakao)

Enzyme (überlegen Sie welche) Stärke und Milch

Traditionelle Mikroorganismen in der Biotechnologie (überlegen Sie welche das sind und deren Klassifikation)

Hefen

Schimmelpilze (Pinsel- und Gießkannenschimmel)

Bakterien (Milchsäure, Buttersäure, Propionsäure, Aceton-Butanol, ...)

Forscher (A. van Leeuwenhoek 1632-1723; L. Pasteur 1822-1895; E.

Buchner 1860-1917) Renneberg, R. 2006. Biotechnologie für Einsteiger, Elsevier


Biotechnologie heute

Medizin

MarineOrganismen

Pflanzen

Industrielle Biotechno-logie

IBB

Grund- und Feinchemikalien, Wirkstoffe, Polymere, ...

IBB - Biotechnologie und Bioprozesstechnik

Biotechnologie in Österreich

Intercell > 100 Gentechnische Impfstoffe

Sandoz


Mikrotechnologien mithohem Durchsatz.Chemie/Biologie im Vordergrund (z.B. Enzyment-wicklung) Prozesse im Labor-

maßstab.Wechselwirkung von bio-chemischen Komponentenund Prozesstechnik (z.B. Enzymim Rührreaktor)

Prozess im Pilot oder Industriemaßstab.Prozesstechnik im Vordergrund (z.B. Dimensio-nierung des Enzymreaktors)

IBB


Abbildung. Schematische Darstellung der Arbeitsschritte in der Bioprozessent-wicklung, vom Gen zum Produkt.


Stufen der Prozessentwicklung Identifizierung eines neuen Produktkandidaten Entscheidung die Prozessentwicklung zu beginnen Parallele Entwicklung - Anlagentechnik und Maßstabsvergrösserung

sowie physiologische Tests, klinische Studien, Toxizitätsüberprüfung, usw.

In Phase III von klinischen Tests wird bereits Material aus der Produktionsanlage verwendet (Center for Biological Evaluation and Research, FDA).

Vorteile einer effizienten Prozessentwicklung In allen Einzelheiten reproduzierbare Herstellung eines biologischen

Produktes von invarianter Qualität und Charakteristik Reduktion der Anlagenkosten (durch z.B. Minimierung der Grösse des

Bioreaktors) als wesentlichem Teil der gesamten Prozesskosten Reduktion der Zeitspanne zwischen Beginn der Prozessentwicklung

und Markteinführung des Produktes.


Abbildung. Parallele Prozessentwicklung ist ein entscheidendes Kriterium für die Implementierung von biotechnologischen Verfahren in der Industrie. Dies gilt vor allem für neue Produkte mit medizinischer Anwendung, bei denen die Markteinführung mehrere Jahre benötigt. Die prinzipielle Brauchbarkeit des Verfahrens muss in den ersten 6 bis 12 Monaten bewiesen werden.


Grobes Ablaufschema eines biotechnologischen Prozesses.

Die völlig biospezifische Komponente ist die Bioreaktion (“Fermentation”).

Substrataufbereitung, Sterilisation, und Aufarbeitung erfordern teilweise spezielle Techniken, die für Biosysteme entwickelt und optimiert wurden.

Aufschluss von mikrobiellen Zellen zur Enzymgewinnung ist ein Beispiel.


Abbildung. Optimierung eines industriellen Prozesses anhand identifi-zierter kostenbestimmender Faktoren.


Reduktion der Substratkosten– Reinchemikalien für Massenprodukte zu teuer– ausgehend von erneuerbaren Rohstoffen– Kohlenhydrate (Zellulose, Stärke, Saccharose)– Proteine (aus Fisch, Sojabohnen)

Eliminierung von Inhibitoren– Schwermetalle (Mn2+; Zitronensäure)– Azetat (Hefefermentation)

Anforderungen für klinische Produkte– Viren– Proteine

Substrataufbereitung - Upstream processing


Viele “klassische” Produkte der Biotechnologie werden im Multihunderttonnen Maßstab jährlich hergestellt, haben aber einen Preis von unter 1 Euro pro Kilogramm.

Der Optimierung jedes einzelnen Prozess-schrittes kommt daher Bedeutung zu.

Die Substratwahl ist davon eine wesentliche Komponente.


Abbildung: Hefebiomasse und Ethanol gehörten zu den ersten biotechnolo-gischen Produkten und sind auch noch heute mengenmäßig enorm wichtig. Prozessverbesserungen inkludieren vor allem die Verbesserung der mikrobiellen Stoffwechselleistungen und das Upstream Processing.

Unter anaeroben Prozess-bedingungen kommen den Bilanzen an Redoxkofak-toren sowie für ATP besondere Bedeutung zu. Überlegen Sie warum das so ist.

Ein technisches Problem ist die Bildung von Glyzerin während der Ethanolher-stellung. Woher kommt das Glyzerin und warum wird es gebildet?


Stärke• Lineares und verzweigtes Homopolysaccharid, aufgebaut aus einer Hauptkette mit 1,4-glykosidisch verknüpften Glukoseeinheiten • Verzweigungen in 1,6-Positionen• Polymerisationsgrad und Verzweigungsgrad abhängig vom Rohstoff• Depolymerisation (Hydrolyse) für mikrobielle Verwertung nötig• Säurehydrolyse führt zu Nebenprodukten

LignocelluloseSaccharose


Der Abbau von Stärke ist das Beispiel für den Einsatz von Enzymen im großtechnischen Maßstab und wird unter anderem für das Upstream Processing eines natürlichen Rohstoffs verwendet.• Die Verflüssigung von Stärke findet mit extrem thermostabilen Enzymen (Amylasen) bei etwa 80°C statt. Die Hauptkette wird gespalten und kürzere, besser lösliche Einheiten enstehen.• DE entspricht der Anzahl an reduzierenden Enden, gewichtet an 100% Glukose.• Weitere Enzyme spalten mit unterschiedlichen Spezifitäten (1,6; 1,4 - Maltose oder Glukose-spaltend; Glukoseisomerisierung; Dextrinsyn-these).


Abbildung: Einige Enzyme, die zur vollständigen Hydrolyse von Stärke (Amylopektin) benötigt werden. Die Quelle für diese und andere Amylasen sind Bakterien und Pilze.


Vor- und Nachteile des Enzymeinsatzes Selektivität (Chemo, Regio, Stereo)

Günstiger pH (2 - 12) und T-Bereich (10 - 110 °C)

Keine oder wenig Nebenprodukte

Nicht toxisch und leicht abbaubar

Durch Immobilisierung wiederverwendbar

Herstellung in unlimitierenden Mengen durch mikrobielle Produktion möglich

Feinabstimmung der Eigenschaften möglich

geringe(re) Stabilität und Bedarf an Kofaktoren (Metalle)

manchmal teuer (vor allem wegen Aufarbeitung)

Beispiel: Isomerisierung der D-Glukose in D-Fruktose


Kostenreduktion Erhöhung der Ausbeute und verbesserte Rohstoffnutzung Verminderung der Kosten für die Aufarbeitung (z.B.

Filtration in der Herstellung von Fruchtsäften)

Qualitätsverbesserung Veränderte technische Eigenschaften von Proteinen und

Fetten; verbesserter Geschmack von Käse

Verminderte Umweltbelastung Lösungsmittelbedarf in der Penicillinherstellung Molkeverwertung (Laktoseabbau)

Wirtschaftliche Gesichtspunkte des Enzymeinsatzes


Abbildung: Enzymatischer Prozess zur Herstellung von Fruktose-reichem Sirup (42 % D-Fruktose), welcher hauptsächlich zur Süßung von Getränken eingesetzt wird.

Im Gegensatz zur

Stärkeverzuckerung, die in

Rührtankreaktoren mit löslichen

Enzymen durchgeführt wird,

erfolgt die Glukoseisomerisie-

rung in Reaktoren mit gebunde-

nem (immobilisiertem) Enzym

(Festbettreaktoren).

Die Bindung der Glukose-

Isomerase, als freies Enzym

oder innerhalb mikrobieller

Zellen, erfolgt über adsorptive

Kräfte an Ionentauscher oder

Silika mit oder ohne Querver-

netzung.


Der Bioreaktor Rührkesselreaktor (10 mL bis 100 m3 Arbeitsvolumen) Reaktorgeometrie (H/D ≈ 1 - 3) andere Designs: Säulenreaktoren ohne mechanisches

Rührwerk (H/D > 3) Rührergeometrie (d/D ≈ 0.3 bis 0.5)

Rührerbauweise und Leistungseintrag des Rühres (Pg ≈ d5)

hängen stark voneinander ab.

Turbulenz (Reynolds Zahl; Re = Nid2/, laminar für Rei < 10;

turbulent für Re > 104) hängt vom Leistungseintrag ab. Erhöhte Turbulenz verbessert das Mischverhalten im Bioreaktor.

Rührerdrehzahl Ni [1/s]; Rührerdurchmesser d [m]; Fluiddichte [kg/m3]; Fluidviskosität

[kg/(m s)]


Schematischer Aufbau eines Rührkesselbioreaktors• Tank aus rostfreiem Stahl• 1 oder mehrere Rührer montiert am Rührerschaft• Montage des Rührers erfolgt von unten oder oben (Dichtung und Sterilität !!)• Leistungseintrag direkt von der Anzahl der Rührer abhängig.• Sterile Belüftungsvorrichtung (Zu- und Abluft)• Temperaturkontrolle und Kühlungsvorrichtung (Leistungseintrag; mikrobielles Wachstum)• Sterile Inokulierung sowie Probenahme• Mess- und Regeltechnik


The power input (Pg) in an aerated stirred vessel influences:

• the oxygen transfer rate by affecting the transfer coefficient kLa, and

• the quality of mixing, avoiding dead zones (where mixing is poor) and

local concentration gradients.

It is dependent on:

• stirrer speed Ni (to the power of 3)

• stirrer diameter d (to the power of 5)

• the fluid density , and

• the power number of the stirrer (which in turn depends on fluid turbu-

lence given by the Reynold’s number).

The value of kLa is influenced further by the (superficial;

volumetric) gas flow rate (Fg) and the medium viscosity ().


Abbildung: Schematischer Darstellung einiger Rührertypen. Die Auswahl stellt immer einen Kompromiss zwischen Leistungseintrag (hoch), Aufbringen von Scherkräften (niedrig) sowie Kompatibilität mit viskosen Medien dar. Der Blattrührer (Rushton impeller) ist am breitesten einsetzbar. Biotechnologische Medien sind teilweise hoch viskos, einerseits auf Grund der gebildeten Biomasse oder wegen polymerer extrazellulärer Produkte.

Abbildung. Darstellung der Bauweise (a) und des Strömungsverhaltens (b) in Reaktoren mit axialem (links) und radialem (rechts) Rührer.

Abbildung. Strombrecher im Reaktor sorgen für erhöhte Turbulenz und damit verbesserte Mischung des Reaktorvolumens.


Weitere Rührertypen

Abbildung. Zusammenstellung weiterer gebräuchlicher Rührertypen, klassifiziert nach „axial“ und „radial“ sowie dem Einsatzbereich in Bezug auf die Zähigkeit der zu mischenden Flüssigkeit. , Viskosität in Pa s.


Scherkräfte Scherrate im gerührten Tank (“Integrated Shear Factor” ISF) ISF = 2 N d / (D - d) wobei N die Drehzahl des Rührers ist, d ist der Rührerdurchmesser

und D ist der Durchmesser des Reaktors Labordaten zeigen, dass z.B. tierische Zellen bei ISF Werten über 20 s-1 kaum mehr

wachsen. Hohe Scherraten können für die Grenzflächen Flüssig-Fest erwartet werden. Es ist

daher manchmal nötig, dass zwischen mittlerer Scherrate und maximaler Scherrate unterschieden wird.

In Blasensäulen wird die Scherrate durch die Geschwindigkeit (ms-1) der Gasblasen determiniert. Weiter Schereffekte werden durch Koaleszenz erzeugt.

Inaktivierung von Zellen und pilzlichen Mycelen (siehe Abb.) durch Scherkräfte fließt in das Design des Bioreaktors mit ein.

Abbildung: Das Wachstum von filamentösen Organis-men unterscheidet sich stark vom Wachstum von Bakterien oder Hefen. Sie zeigen apikale Verlängerung und Verzweigung der Hyphen, gefolgt von Pelletbildung. Prozessfaktoren beeinflussen dieses Wachstum und auch die Produktbildung.


Weitere Bioreaktortypen

Abbildung. Schematische Darstellungen eines Blasensäulereaktors (linkes Bild) und der Durchmischung in diesem Reaktor unter heterogenen Flussbedingungen (siehe nächste Seite).

BlasensäuleZylindrischer Aufbau, Verhältnis von Höhe zu Breite etwa 3 bis 6

Es gibt keine mechanische Durchmischung - die Mischung erfolgt über die mit den Gasblasen aufsteigende Flüssigkeit

Begasung über Vorrichtung am Boden (Sinterplatte, Düse, o.ä.)

Vorteile sind die relativ geringen Anlagenkosten, das Fehlen beweglicher Teile, und die geringe Schaumbildung

Abbildung. Typische Konfigurationen von Airliftreaktoren. Die Separation in Steig- und Fallrohr verbessert die Mischeigenschaften im Vergleich zur Blasensäule.


Vergleichende Diskussion der Reaktortypen Mischungseffizienz und Massentransport sind in allen drei Typen

(STR, Blasensäule, Airlift) im Industriemaßstab ähnlich. Der maximale Massentransport ist im STR am höchsten, weil der Leistungseintrag über den Rührer am stärksten ist.

Im Falle der BS und des AL bricht der Massentransport bei Viskositäten über 0.1 N s m-2 zusammen.

Mechanischer Probleme können im STR im Zusammenhang mit dem Rührermotor auftreten.

Daher gilt als Faustregel: BS und AL sind für Bioreaktionen mit myzelbildenden Pilzen und in

der Herstellung von mikrobiellen Polysacchariden ungeeignet. Flexibilität hinsichtlich Viskosität und Massentransport wird vor allem

durch den STR geliefert. Die BS ist der billigste Reaktor und wird für Reaktionen im Bereich

niedriger Viskositäten und in Volumina von 50 bis 500 m3 verwendet. Für Volumina von 200 bis 10 000 m3 wird der AL eingesetzt, vor allem weil die Möglichkeit lokaler Zugabe von Substrat besteht. Der STR ist in diesem Maßstab ungeeignet, da die Rührerleistung bis zu 1 MeW ansteigen kann.

Bioreaktionen in viskose Medien werden nicht im Maßstab > 500 m3 betrieben.


Steriltechnik und Sterilisation

Dichtungen für den Rührerschaft (mit Sattdampf sterilisierbare Gleitringdichtungen)

Filtration (adsorptive Tiefenfilter; Absolutfilter mit molekulare Ausschlussgröße; 0.1 µm)

Sterile Zudosierung und Probennahme

Sterilisation des Bioreaktors Sattdampf statt trockener Hitze Abtötungseffekt als Funktion der

Inkubationszeit und der Temperatur


Aufheizen des flüssigen Mediums auf Sterilisationstemperatur (etwa 120°C)

Direkte Injektion von Sattdampf ins Medium Verdünnung (10-20%) Qualität des Dampfes (Kontamination durch Metallionen oder organische

Substanzen)

Indirekter Wärmetransfer über Kühlsystem des Reaktors

Sterilisation erfolgt in drei Phasen, die in einem Temperatur-Zeit-Profil dargestellt werden: Aufheizen, Haltezeit (thd) bei 120 °C, Abkühlen.

Die Sterilisationführt zur Reduktion der Anzahl der lebenden Zellen vor der Inaktivierung (N0).

Unter der Annahme, dass die Zellen nur während thd inaktiviert werden, ergibt sich die Frage, wie lange thd sein soll.

Sterilisation mit Sattdampf


Abbildung: Verschiedene konstruktionstechnische Lösungen, um Wärmetransfer in Bioreaktoren effektiv zu bewerkstelligen. Links: Ummantelung; Mitte: Kühlschlangen; Rechts: Kühlschlangen, die auch als Prellwände fungieren.


Abbildung: Zeit-Temperatur-Profil für eine typische Dampfsterilisation (a) und Abtötung der lebenden Zellen im Bioreaktor als Funktion der Zeit (b).

Die Inaktivierung der Zellen kann häufig als Reaktion 1.Ordnung beschrieben werden. Das heißt, die Abnahme von N über die Zeit erfolgt exponenziell.In der thd gilt:

• ln (N1/N2) = kd thd

kd ist eine Inaktivierungskonstante (h-1), die

Organismen spezifisch ist und von der Temperatur abhängt.•kd = A exp (-Ed/RT)

wobei A ein Arrhenius Faktor, Ed die

Aktivierungsenergie für den Zelltod, R die Gaskonstante und T die Temperatur in K ist.• thd = ln (N1/N2) / kd N1 ≥ 103; N2 ≤ 10-3


Vermeidung von Nebenreaktion (z.B. “Bräunung”) (Abb. 5.8)

Kenntnis der Kinetik der Inaktivierung von hitzeresistenten Organismen bzw. Sporen (z.B. Bacillus sp.). (Abb. 11E9.1)

In Suspensionen, wenn z.B. das Substrat unlöslich ist, hängt Wärmetransfer stark von der Partikelgröße ab ( 1µm - 1µs; 1cm -100 s).

N ist direkt vom Maßstab abhängig. Sterilisation von größeren Reaktoren schwieriger (thd länger; Energiekosten bedeutend).


BioprozesskinetikAbbildung: Charakterisierung des mikrobiellen Wachstums anhand einer Darstellung des Zeitverlaufs (oben) sowie der spezifischen Wachstumsraten in den einzelnen Phasen (unten).

Wie lässt sich das mikrobielle Wachstum und damit verbunden, Substratverbrauch und Produktbildung formalkinetisch beschreiben?

Was sind typische Werte für die maximale Wachstumsrate von Hefen und Bakterien, und in welchem Größenordnungsbereich liegen die Monod Konstanten?

Wie lässt sich aus dem Wert der Wachstumsrate die Verdopplungszeit eines Organismus berechnen?Wie lässt sich die Zeitdauer des Batches berechnen, wenn Sie die Anfangs- und Endkonzentration an Biomasse vorgeben?


System der ErtragskoeffizientenBiomasse YXS = g Zellen produziert /

g Substrat verbrauchtProdukt YPS = g Produkt hergestellt /

g Substrat verbraucht

Elektronenbilanzen dienen zur Berechnung der theoretischen Ausbeuten wie• Sauerstoffbedarf oder• maximale BiomasseausbeuteAusgegangen wird von den vorhandenen Elektronen (4 in C, 1 in H, 2 in O etc.) sowie dem Reduktionsgrad der beteiligten Reaktanden (Summe aller Elektronen / Anzahl der C Atome).Thermodynamisch maximale YXS Werte:

n-Hexan (2,6); Glucose (0,8); Essigsäure (0,8); Oxalsäure (0,1)


Voraussetzungen für experimentelle Studien zur Kinetik als

physiologischer Eigenschaft von Mikroorganismen• Identifizierung relevanter Zustandsvariablen aus den Kulturparametern• Vereinfachung• Eliminierung von physikalischen Effekten (Massentransport)

Abbildung: Wechselwirkungen und mögliche Beeinflussungen zwischen dem biotechnologischen Produktionsystem (Zellpopulation) und der prozesstechnischen Umgebung (Medium, Bioreaktor). Eine typische Frage betrifft die Konzentration des limitierenden Substrates (C-Quelle, O2, etc.)


Eliminierung von Massentransporteffekten

Abbildung: Darstellung von drei Rührtankbioreaktoren zur

Erklärung der Begriffe „Transportlimitierung“ und

„Pseudohomogenität“.

a) Fall einer homogenen Lösung ohne Grenzflächen (z.B.

flüssig/fest oder gasförmig/flüssig); Stofftransport (rTR)

erfolgt in der Regel durch molekulare Diffusion und ist

zumeist viel schneller als chemische Reaktionen (rRk).

Zur Ermittlung kinetischer Gesetzmäßigkeiten muss

gelten, dass rRk ≤ 0,1 rTR. Ein mögliches Beispiel wären

Transformationen mit löslichen Enzymen.

b) Pseudohomogener Fall, in dem zwar reale

Grenzflächen vorliegen (OTR, Sauerstofftransport von

der Gas- in die Flüssigphase; Versorgung von

suspendierten mikrobiellen Flocken mit Substrat),

jedoch das Kriterium rRk ≤ 0,1 rTR nach wie vor erfüllt

wird.

c) Fall eines heterogenen Systems, wobei rRk ≥ 0,1 rTR.

Abbildung. Eliminierung von Massentransporteffekten (2) - Mischzeitkonzept für Rührkesselrektoren. Experiment zur Charakterisierung des Mischverhaltens in einem Bioreaktor. Ein Marker (Salzlösung, Farbstoff, ...) wird in den Reaktor injiziert und die Misschung über Leitfähigkeit oder spektrophotometrische Detektion on-line mit einer Elektrode gemessen. Das Bild zeigt einen typischen Verlauf, aus dem die Zirkulationszeit (tc) und die Mischzeit (tm) ermittelt werden. tm wird durch die definierte Mischgüte (z.B. 90% wie im Bild) festgelegt. tc ist eine Funktion des Macromixing und wird durch stärkeres Rühren erniedrigt. Beachten Sie: tm ≤ 0,1 tRk. Ein idealer Rührkessel ist vollständig (Mischgüte: 100%) und unendlich schnell vermischt.


Grundbegriffe der Monod KinetikBiologisches Wachstum in einer autokatalytischen Reaktion

rX = dx/dt = µ x

mit x der Konzentration an Zellen (g/L), X der Masse an Zellen (g), rX der

Wachstumsgeschwindigkeit (g/(L h)) sowie einem Proportionalitätsfaktor µ (1/h), der als spezifische Wachstumsrate bezeichnet wird.

µ = rX/x

Für die Situation von nur einem limitierenden Substrat formulierte Monod:

µ = µmax s/(Ks + s)

mit µmax der maximalen spezifische Wachstumsrate (1/h), s der Substratkonzen-

tration (g/L) sowie Ks der Sättigungskonstante für s.

Den Ertragskoeffizienten YXS kann man formulieren als:

YXS = rX/rS (oder vereinfacht: = x/s)

Typische Werte für µmax sind mit Glucose als C-Quelle (Saccharomyces: 0.47 1/h; E.

coli: 2 1/h); für Ks von Glucose (Saccharomyces: 25 mg/L; E. coli: 4 mg/L;

Aspergillus: 5 mg/L) und O2 (etwa 0,05 mg/L)


Abbildung: Vergleich von zwei Monod-Kinetiken mit unterschiedlichem Ks Wert (relativ niedrig: oben; relativ hoch: unten).

Bezüglich der Substratkonzentration s wird unter sättigenden Bedingungen (s ≈ 10 Ks) eine Reaktion nullter Ordnung erreicht.

rx = dx/dt = (µmaxx) s0 wobei: s0 = 1

Liegt s deutlich unter Ks, werden Bedingungen einer Reaktion erster Ordnung erreicht.

rx = dx/dt = (µmaxx/Ks) s1 wobei: s1 = s

Überlegungen zum Satzverfahren (Batch)• Reaktor wird befüllt und inokuliert. Danach ändern sich mit fortschreitendem Wachs-tum die Konzentrationen (Ci) aller Nährstoffe, der Zellen und der Produkte mit der

Zeit.

• Aus der Massenilanz: (VCi)/t ≈ d(VCi)/dt = V ri


Überlegungen zum Satzverfahren (Batch) (2)

• Aus der Konzentrationsbilanz: Ci/t ≈ dCi/dt = ri

• Unter Verwendung der Monod-Kinetik:

Biomasse: rX = dx/dt = µ x = µmax x s/(Ks + s)

Substrat: rs = ds/dt = qs x = (µ/YXS) x = - x [µmax s/(Ks + s)]/YXS

• Oft gilt, da Ks einen kleinen Wert hat, dass s/(Ks + s) ≈ 1.

• Das heißt in weiterer Folge: rX = dx/dt ≈ µmax x.

• Nach Variablenseparation und Integration erhält man:

ln(x) - ln(x0) = ln (x/x0) = µmax (t - t0), oder

x = x0 e µmax (t - t0)

mit t der Zeit und dem Index 0 für t = 0.

• Wachstum (und Substratverbrauch) erfolgen exponenziell. Wenn s ≈ Ks stimmt die

Näherung von s/(Ks + s) ≈ 1 nicht mehr. Es folgt ein Übergang von exponenzieller

Phase in eine Verzögerungsphase.

• Minimale Verdopplungszeit td: 2 x0 = x0 e µmax (td - 0) woraus folgt: td = ln(2)/µmax

• Minimale Dauer des Batches tB = [ln(x0 + x) - ln(x0)]/µmax


Überlegungen zum Satzverfahren (Batch) (3)

• Minimale Dauer des Batches tB = [ln(x0 + x) - ln(x0)]/µmax

• Mit der Annahme, dass x0 sehr viel kleiner als x ist, und mit x = s0YXS erhält man:

tB = [ln(s0YXS) - ln(x0)]/µmax

• Sauerstoff kann als limitierendes Substrat auftreten

Sauerstoff ist in wässrigen Medien nur

schlecht löslich. Wie kann der

Mikroorganismus totzdem ausreichend

mit Sauerstoff versorgt werden, um das

Wachstum optimal zu unterstützen?

Begasung mit Luft oder reinem

Sauerstoff ist nötig.

YXO2 = rX / rO2


Sauerstofftransportrate OTR = kLa (O2* - O2)

kL ist der Massentransportkoeffizient der Flüssigphase (ms-1); a

ist die Gas-Flüssig Austauschfläche pro Volumseinheit (m2 m-3);

O2* ist die Gleichgewichtskonzentration von Sauerstoff, und O2

ist die aktuelle Konzentration.

OTR kann verbessert werden durch: Erhöhung von O2* (Reinsauerstoff statt Luft; Druckerhöhung)

Erhöhung des kLa Wertes (Bioreaktortechnologie; 0.02 - 0.2 s-1)

Größe und Verweilzeit der Gasblasen (Art der Begasungseinheit; Rührer und

Rührspitzengeschwindigkeit)

Leistungseintrag (Art und Geometrie des Rührers; Rührerdrehzahl bzw.

Rührspitzengeschwindigkeit)

Turbulenz (Rührer; Strombrecher)

Begasungsrate


Wechselwirkung zwischen biologischen und prozesstechnischen Faktoren

Einflussfaktoren• des Mediums

pH, T, mehr als 1 limitierendes Substrat, chemische Reaktionen, rheologische Eigen-schaften, Grenzflächen, Inhomogenitäten)

• der ZellenOperative Rahmenbe-dingungen für den Betrieb eines Bioreak-tors


Mess- und Regeltechnik in Bioreaktoren

Abbildung. Messparameter in Bioreaktoren. Kontrolliert werden zumeist physikalische und chemische Parameter. Biologische Parameter wie die Biomassekonzentration lassen sich im Regelfall nur indirekt kontrollieren, wofür eine quantitative Korrelation zwischen physikalischen / chemischen Parametern und der biologischen Größe hergestellt werden muss. Es kann sich dabei um ein mathematisches Modell handeln (z.B. Monod Kinetik) oder empirische Korrelationen.


Aufarbeitung Sedimentation, Flockulierung, Flotation oder

Zentrifugation von Zellen (Abb. A1)

Filtration von Zellen oder Enzymen (Abb. A2)

Mechanischer Zellaufschluss (Abb. A3)

Weitere Reinigungsverfahren (bis zu 90% der Produktionskosten) hochentwickelte Methoden auf Basis von biologischer

Affinität verfügbar Kosten meist prohibitiv (klassische Chromatographie)

Kontinuierliche Aufarbeitung im Prozessmaßstab (Abb. A4)


Abbildung A1: Darstellung von 3 technologisch genutzten Typen von Zentrifugen. Ein künstlich verstärktes Schwerefeld (≥ 5000 x g) ist bei vielen Zellen nötig, um brauchbare Absetzgeschwindigkeiten (im Vergleich zur Sedimentation) zu erzielen. Im Idealfall wird ein pastöses Produkt erzeugt. Wesentlich ist neben der Dichte der Zellen, deren Radius (bei Annahme von Kugelform).

Zentrifugenbauarten• Röhren (links)• Teller (mitte)• Mehrkammer (rechts)


Flockulation Bildung von Zellaggregaten durch Zusatz von

Flockulationsmitteln (geladene Polymere wie Polyethylenimin oder Acrylamid / Acrylat, mehrwertige Kationen, quarternäre Ammoniumverbindungen, ...)

Neutralisation der negativ geladenen Gruppen an der Zelloberfläche von Mikroorganismen

Gute Sedimentation der Flocken ist wichtig

Flotation Anhaftung der Zellen an Gasblasen Zugabe von Oberflächen aktiven Substanzen

(“Schäumer”) wie kurzkettige Polyethylenglykole oder langkettige Alkohole


Filtration von Zellen Abtrennung von festen Teilchen mit einem Filterhilfsmittel Kuchen- oder Oberflächenfiltration Sieb- oder Membranfiltration (Größenausschluss) Tiefen- oder Bettfiltration (adsorptive Wechselwirkungen)

Oberflächenfiltration• Träger, der von Filtertuch bedeckt ist• Während der Filtration bildet sich der Filterkuchen allmählich, und der Flusswiderstand steigt damit stetig.• Bleibt der angelegte Druck konstant, sinkt die Durchflussrate.• Zellen stellen einen kompressiblen Filterkuchen dar, und es muss ein Kompromiss zwischen Durchlässigkeit (geringer Druck) und Kuchenentwässerung gefunden werden (hoher Druck).


Zellaufschluss Chemische Methoden (Alkalibehandlung; Detergenzien wie

SDS oder Cetyl (C16) Trimethylammoniumbromid; Enzyme wie Lysozym; Lyse durch Phagen oder Antibiotika wie Penicillin oder CephalosporinC)

Osmotischer Schock (Einfrieren, Auftauen) und Trocknung (Gefrier-, Sprüh-, Lösungsmittel)

Mechanische Verfahren Scherkräfte in Lösung (Ultraschall, Rotor-Stator-Mischer -

mechanische Rührung; Hochdruckhomogenisator - Druck; 1000 - 2000 bar)

Scherkräfte in Festsubstanz (Kugelmühle - Vermahlen; Mörser und Pistill - Vermahlen; X-Press - Druck)

Für größeren Maßstab sind der Hochdruckhomogenisator und die Kugelmühle gut geeignet.

Kombinationen der Aufschlussmethoden sind möglich und sinnvoll.


Zellaufschluss Eine technische Version des Hochdruckhomogenisators ist der Manton-Gaulin Homogenisator. Die Menge an freigesetztem intrazellulären Produkt ist proportional• dem angelegten Druck• der Anzahl der Passagen durch den Homogenisator• und ist temperaturabhängig.

Kugelmühlen unterscheiden sich in den Geometrien der Rührscheiben und vor allem in den verwendeten Mahlkugeln (meist aus Glas):• für Hefe (0,75 - 1,0 mm) • für Bacillus sp. (0,50 - 0,75 mm)• für Brevibact. sp. (0,25 - 0,50 mm)


Abbildung: Die Prokaryonten (Eubakterien, Archebakterien) unterscheiden sich hinsichtlich des Aufbaus und der Stabilität ihrer Zellwände. a) Archaea; b) Gram-positive und c) Gram-negative Eubakterien.


Kontinuierliche Aufarbeitung

Weitere Aufarbeitungsschritte für technische Enzyme beinhalten vor allem: • Fällung und Membranfiltration• Einfache chromatographische Verfahren• Extraktion und eventuell Trocknung


CAPTUREprecipitationextractionionexchange, HIC

INTERMEDIATEvarious chromato-praphic proc.

POLISHINGAffinity methodsHigh-resolution chromatography

Resolution increases

Capacity increases

Allgemeines Schema für die Proteinaufarbeitung

Technische Enzyme und Proteine

Therapeutische Enzyme und Proteine


Technische Enzyme

Einsatzbereiche in der Technologie

Hauptsächlich Hydrolasen (Enzymklasse 3) Spaltung von Kohlenhydraten,

Proteinen, Fetten einfache und technisch wichtige

Reaktionen keine Kofaktoren stabil

“Other”: Analytik und Sensoren, Medizin, Biokatalyse und Feinchemikalien

Keine “Reinproteine”


Industrielles Beispiel Resolution von Aminosäureracematen (Gemisch der

D,L-Form nach chemischer Synthese) durch Acylierung (der Aminogruppe) und anschließende selektive enzymatische Deacylierung mit dem Enzym L-Aminosäureacylase

Anwendungen für Lebens- und Futtermittel bzw. für medizinische und kosmetische Zwecke.

Abbildung: Konzept der enzymatischen Resolution.


Industrielles Beispiel

Abbildung: Prozesstechnische Realisierung der Resolution von racemischen Acylaminosäuren. Kernelement ist der immobilisierte Enzymreaktor, im Design eines Festbettes.



Abbildung: Darstellung verschiedener Methoden der Enzymimmobilisierung (Rückhaltung). Transport zum und vom Enzym kann durch Diffusion (Konzentrationsgradient) oder Konvektion (Druckdifferenz) erfolgen.



Abbildung: Reaktorkonfigurationen für enzymkatalysierte Prozesse. Die gezeichneten Membranen in Bild (b), (e) und (f) besitzen Poren, die für Proteine impermeabel sind (Ultrafiltrationsmembranen). Bilder (c) und (d) zeigen Festbett- und Wirbelschichtreaktoren.

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