History and Basics

Question 1

Was sind Beispiele für Bioprozesse?

Answer 1

• Bier durch Saccharomyces
  cerevisiae
• Käse durch Streptococcus spp.,
  Lactobacillus spp.
• Entfernung P/N in Wasser durch verschieden Arten
• Vitamin durch Bacillus subtilis
• Omega Fettsäuren durch C. chonii, S. limacinum
• Aceton durch Clostridium spp.

Question 2

Was war das erste Erscheinen von Bioprozessen?

Answer 2

in 4000 v.Chr. wurde Fladenbrot gebacken, wahrscheinlich mit Hefe und Bier und Wein auch

Question 3

Wann wurden Hefe und Bakterien zuerst entdeckt und beschrieben und von wem?

Answer 3

Um die 1680 von Von Leeuwenhoek

Question 4

Was sind 3 weitere Meilensteine in der Geschichte?

Answer 4

• 1870: Koch develops methods for cultivating microorganisms and establishes the field of medical microbiology.
• 1900 Municipal sewage treatment plants are established in larger cities.
• 1939-41: Penicillin is isolated and purified

Question 5

Was ist Biotechnologie?

Answer 5

Die Produktion und Transformation von Substraten durch Nutzung von Mikroorganismen, Zellen oder Zellkomponenten (seit 1980; entstanden aus dem chemical process engineering).
Das Spektrum inkludiert: basic und fine chemicals, Nahrung, Pharma, Agrar,..,

Question 6

Was sind Bulk Chemicals?

Answer 6

(auch commodity chemicals)
- in large scale produziert für den globalen Markt zu niedrigen Kosten um maximalen Profit zu machen
- z.B. Aceton, Biodiesel, Alkohol, Glycerine
- sie sind produziert in kontinuierlichen Princess chemical plants (NICHT Batch)

Question 7

Was sind fine chemicals?

Answer 7

• werden nur in kleinen, limitierten Quantitäten produziert und sind mit hohen Produktionskosten verbunden
• Produziert in plants by batch or biotechnological manufacturing processes
• Prozess besteht aus vielen kleinen komplizierten Schritten
• Die Produkte müssen meistens mit anderen Chemikalien kombiniert werden
  z.B. Pharmazeutika, Geruchsstoffe, Pigmente, Additive

Question 8

Was ist ein Batch? (BP management)

Answer 8

• Substrate sind zu beginn bereitgestellt durch das Start-Medium
• Inokulation nach Setzen der Anfangskonditionen (pH, T, l/min)
• pH Kontrolle und Belüftungsrate, aber kein extra Substrat
• hoch flexibel (niedriger technischer Aufwand)
  z.B. Brauerei, Shake-Flask (Schüttelkolben)

Question 9

Was ist ein Fed-Batch? (BP management)

Answer 9

• Substrate werden hinzugefügt
• komplexe Feeding-System (Limitierung für sekundäre Produkte) (C oder N limitiert)
• sind limitiert durch Aeration (Belüftung teuer, weil energieaufwändig, weil O2 schwer löslich)
• Hohe Reinheit der Produkte
• Hoher technischer Aufwand
  z.B.: Hohe Zelldichte-Kultivierung, Fettsäureproduktion

Question 10

Was ist Continuous? (BP management)

Answer 10

• offenes System mit Zufluss und Abfluss
• steady State (Fließgleichgewicht)
• mu = D (formation = washout)
• Hohe Produktion (keine Vorbereitungsschritte)
• Hoher Downstream-Aufand (niedrige Dichte) –> nicht geeignet für jeden Strain
  z.B.: Lactic acid-production, Wastewater treatment

Question 11

SUMMARY Bioprocess management

Answer 11

Tabelle Folie 22 VL1

Question 12

Was ist das Prinzip des Scale-ups?

Answer 12

Seed-train:
Master Cell Bank&raquo_space; Working Cell Bank&raquo_space; Shake Flask&raquo_space; pre-seed bioreactor (im Labor und klein) >1:10> seed-bioreactor >1:10> Produktions Bioreaktor (mit Gradienten, Schaum und Pufferpotential)

Question 13

Welche 3 Problem-Faktoren kommen beim Scale-Up vor?

Answer 13

• Biologische Faktoren
• Chemische Faktoren
• Physikalische Faktoren

Question 14

Was sind Biologische Faktoren, die beim Scale-Up Probleme verursachen können?

Answer 14

• Master Cell Bank und Working Cell Bank sind die Startpunkte (anders als nen Reaktor nh)
• Weniger generation number at lab-scale (verschiedene Produktionsvolumina)
• Zellen der Produktionsanlage müssen genetisch stabil sein über mehrere Generationen
• Kulturkonditionen für seed train variieren stark (regulatorische Mechanismen können sich anders verhalten)

Question 15

Was sind chemische Faktoren, die den Scale-Up Prozess behindern können?

Answer 15

• Medium für die Produktion hat vermutlich nicht die selbe Reinheit wie das im Labor
• typische Medienkomponenten müssen on lab scale getestet werden (Metalle, Salze)
• Maßlösungen (Titrants), welche im Labor genutzt worden sind können in der Produktion zu Problemen führen durch den Salzgehalt. In der Produktion sind salzfreie Lösungen bevorzugt (z.B. Ammoniumwasser)
• Schaumbildung ist typisch beim Scale-Up, Antischaummittel können in großen Volumen Produktionen zu Problemen führen

Question 16

Was sind Physikalische Faktoren, die Probleme beim Scale-up verursachen können?

Answer 16

• vertikale und horizontale Gradienten entstehen (O2 bei Rührblättern, Glucose beim Feed-In
• A reflection of these gradients in large volume processes is the mixing time. Θ90 indicates time
  required at constant operating conditions to reach 90 % of an expected steady-state final signal (e.g.
  conductivity tests after salt has been added to a
  reactor)
• Mixing Times in der Produktion sind deutlich länger als im Labor
• Conflict between economic constraints and technical
  feasibility: internals (or reactor designs) are often
  realized that have significantly different mass
  transfer characteristics than laboratory reactors

Question 17

SCALE-UP Design Criteria

Answer 17

Tabelle Seite 27 in VL1

Question 18

Scale-down-study ist..

Answer 18

.. nur üblich in der BT. Die Gradienten werden mimicked in single- und multi-Kompartment Bioreaktoren Set-Ups (für aufgelösten Sauerstoff z.B die langen Rohre)

Question 19

Downstream - Überblick

Answer 19

Seite 29 und 30 in VL1

Question 20

Welche ökonomischen considerations/Rücksichtnahmen gibt es?

Answer 20

• Product/Substrate Yield
• Product purity
• Productivity
• Energy and auxiliaries
• Capital expenditures and depreciation/amortization

Question 21

Was ist der Product/Substrate Yield im ökonomischen Sinne?

Answer 21

Für low-price products (1-10 EUR/Kilo) ist der Anteil der Substratkosten relativ hoch (10-30%). Wenn dieser gesenkt wird, werden due Produktionskosten gesenkt

Question 22

Was sagt die ökonomische Rücksichtnahme “Product purity” aus?

Answer 22

Verhältnis des Zielproduktes zu der Quantität aller Haupt- und Nebenprodukte.

(High product purities simplify the processing to the required final quality as a marketable, approved
product. The cost share of product reprocessing for bulk chemicals can often be 30 to 50 % of manufacturing costs,
for fine chemicals over 50 %, and for pharmaceutical products over 80 %. Reductions in the by-product spectrum
leads to simplified product processing and reductions in costs (for example, if investments for individual
reprocessing steps are eliminated altogether))

Question 23

Was sagt die ökonomische Rücksichtnahme “Productivity” aus?

Answer 23

Es hat verschieden Bedeutungen.
- q_p = the cellular ability to form products
- Im Prozess: volumetrische Produktivität relevanter (Q_P in g/L/h)
- In der Wirtschaft: the product quantities per reactor and its operating time are of interest.

The controlling view
evaluates whether the production of an alternative product in the same reactor would have yielded a better return. Da zählt auch die Aufbauzeit des Reaktors mit rein.

Question 24

Was sagt die ökonomische Rücksichtnahme “Energy and auxiliaries (Hilfsmittel)” aus?

Answer 24

• Kühlen von heroben Prozessen und O2 Zufuhr sind energielastig und werden höher beim z.B Scale-up und höheren Zelldichten
• ökonomisches Optimum ≠ Technische Durchführbarkeit
• kleinere Biomassen&raquo_space; weniger Kühlung&raquo_space; weniger Energiekosten&raquo_space; Ökonomisch attraktiver

Question 25

Was sagt die ökonomische Rücksichtnahme “Investitionsausgabenund Abschreibung/Am ortization” aus?
(Capital expenditures and depreciation/amortization)
Abschreibung = Wertminderung
Amortization = Startkosten gedeckt durch Gewinn

Answer 25

Considering the realization of a new bioprocess, it must be evaluated in terms of its economic attractiveness.

This is done based on the net present value calculation (NPV). Expected revenues from the sale of the product (e.g.
in the next ten years) are compared with the necessary investments. The present value represents the money that would have to be invested at the time of the analysis using a key interest rate in order to obtain the expected
income from the sale of the products over the next ten years → investing in the new process is financially moreattractive than investing the same amount of money at the prime interest rate. If the NPV is positive, the investment is supported, otherwise, it is not.

Once an investment is made, a company depreciates it over time. In the case of straight-line depreciation, the
capital expenditure is thus incurred each year as additional costs that increase the cost of goods sold. If a process is designed to be technically simple, the share of costs is reduced.