Industielle Biotechnologie Flashcards
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Welche drei Verfahrenstypen zur Steuerung von Fermentationen werden unterschieden?
Diskontinuierliche, kontinuierliche und semi-kontinuierliche Verfahren.
Was ist charakteristisch für das diskontinuierliche Verfahren bei Fermentationen?
Es erfolgt in Zyklen mit Füllung des Kessels, biotechnologischer Umsetzung und anschließender Leerung und Trennung des Produkts.
Was versteht man unter industrieller Biotechnologie nach der Definition der OECD?
Die Anwendung von Wissenschaft und Technik auf lebende Organismen, Teile von ihnen, ihre Produkte oder Modelle von ihnen, um lebende oder nicht lebende Materie zu verändern.
Warum ist das kontinuierliche Verfahren besonders für Großproduktionen geeignet?
Wegen der ständigen Zuführung der Austauschstoffe und Entnahme des Gemischs, was eine gute Abstimmung und ein Fließgleichgewicht ermöglicht.
Wie funktioniert das semi-kontinuierliche Verfahren und für welche Dauer bleiben Mikroben typischerweise im Reaktor?
Es ist eine Kombination der anderen Verfahren, wobei Mikroben über mehrere Tage (90) im Reaktor verbleiben und täglich das Medium gewechselt wird.
Welche interdisziplinären Ansätze werden in der industriellen Biotechnologie verfolgt?
Erkenntnisse aus Biologie, Chemie, Physik, Informatik, Medizin und Verfahrenstechniken.
Welche ökonomischen Gesichtspunkte sind bei der Entwicklung von Fermentationsprozessen relevant?
Die Wahl des Verfahrens erfolgt meist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten.
Nenne die fünf Teilbereiche der Biotechnologie.
Rote, grüne, weiße, graue und blaue Biotechnologie.
Was ist notwendig, um Bioreaktoren effektiv zu betreiben?
Ein gutes Wissen über die Bedingungen für die Mikroorganismen und Steuermöglichkeiten.
Wie wird die Modellierung zur Optimierung von Fermentationsprozessen eingesetzt?
Durch systematische Prozess-Optimierung im Labormaßstab und schrittweise Mengenvergrößerung mit Anpassung der Kulturbedingungen und Verfahrenstyp.
Was ist der Zweck der Gentechnik innerhalb der Biotechnologie?
Die gezielte DNA-Änderung der verwendeten Organismen.
Welche Methoden werden zur Aufbereitung von intrazellulären Produkten verwendet?
Zell-Abtrennung durch Zentrifugation und Zellzerstörung durch Ultraschall (Labormaßstab) oder Druck-Verfahren (Produktionsmaßstab).
Welche Hauptgruppen biotechnologisch hergestellter Produkte gibt es?
Niedermolekulare Produkte, technische Enzyme, Pharmawirkstoffe und Produkte der Gentechnik.
Wie werden extrazelluläre Produkte aufbereitet?
Durch Membranfiltrations-Verfahren und Protein-Ausfällung durch Salz-Zugabe, gefolgt von Gel- oder Adsorptions-Chromatographie und Ionentauschern.
Wie werden Bakterien in der Biotechnologie hauptsächlich unterschieden?
Nach ihrer Anfärbbarkeit in Gram-negativ und Gram-positiv sowie nach ihrer Form in Kokken und Stäbchenbakterien.
Welche Phasen des Zellwachstums werden unterschieden und was ist charakteristisch für die stationäre Phase?
Anlauf-Phase, exponentielle Phase, Verzögerungs-Phase, stationäre Phase und Absterbe-Phase. In der stationären Phase ist die Produktivität am höchsten.
Welche Enzymklasse ist für die Verknüpfung der Okazaki-Fragmente während der DNA-Replikation verantwortlich?
Ligasen.
Warum sind Fermentationen vorteilhaft gegenüber chemischen Prozessen?
Sie ermöglichen gezieltere, schnellere und energiegünstigere Reaktionen mit weniger Abfall.
Welche Rolle spielen Enzyme in Waschmitteln?
Sie spalten Makromoleküle in wasserlösliche Mikromoleküle durch Hydrolyse.
Wie wird die Temperatur in der Versuchsreihe zum Nachweis von Proteasen in Waschmitteln kontrolliert?
Die Temperatur darf nicht über 60°C steigen, um eine Denaturierung der Enzyme zu vermeiden.
Wer hat das Mikroskop erfunden?
Antoni van Leeuwenhoek
Wer hat PCR erfunden?
Kary B. Mullis
Wer hat den Genbegriff erfunden?
Wilhelm L. Johanssen
Wer hat die gen sequenzierung erfunden?
Frederic Sanger
Wer hat Penicillin erfunden?
Alexander Fleming
Wer hat die Evolutionstheorie erfunden?
Charles Darwin
Definition von Biotechnologie nach OECD
Anwendung von Wissenschaft und Technik…
…auf lebende Organismen
—Teile von ihnen (enzyme, dna, Plasmide)
…ihre Produkte
…Modelle von ihnen
…des Wissensstandes
Definition Biotechnologie FCI
Interdisziplinärer Ansatz zur Erforschung biologischer Systeme und die praktische Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse
Gentechnik nach FCI
Methoden und verfahren zur Isolierung, Veränderung und Übertragung von Erbmaterial
Weisse Biotechnologie Anwendung
Produktion, haushalt, Polymere
Rote Biotechnologie Anwendung
Therapien, Kosmetik, Diagnostik
Grüne Biotechnologie Anwendung
Nachwachsende Rohstoffe, Landwirtschaft, Lebensmittel
Graue Biotechnologie Anwendung
Umweltschutz (Abluft, Abwasser Reinigung)
Blaue Biotechnologie Anwendung
Umweltschutz, Algen-Biodiesel, Kosmetik
Rote Biotechnologie Produkt
Blutgerinnungsfaktor VII
Grüne Biotechnologie Produkt
resistenter Mais, Kartoffelstärke, Phytase
Weiße Biotechnologie Produkt
Waschmittel, Cyclodextin
Graue Biotechnologie Produkt
Schadstoddabbauende Bakterien
Blaue Biotechnologie Produkt
Schwamm Kollageb
Vorteile der Biotechnologie für die Chemieproduktion
-Spezifität und Selektivität -> besser Steuerbar
-Effizienz und Umweltverträglichkeit
Spezifität und Selektivität von Biotechnologie
Lieferung des gewünschten Endprodukts ohne Weiterverarbeitung aus einer Vorstufe
* Keine aufwändigen Trennungsverfahren
* Keine Verunreinigungen des Endprodukts
Effizienz und
Umweltverträglichkeit Biotechnologie
einfachere, umweltfreundlichere, sauberere Produktionsverfahren
Reduktion der Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen
Senken der Investitionskosten
Senkung der Energie- und Entsorgungskosten
Wettbewerbsfähigkeit steigern, neue Märkte erschließen)
Unterschied klassische und moderne Biotechnologie
Klassische Biotechnologie verwendet typische Organismen und Produkte wie Milchsäürebakterien, Hefe und Schimmelpilze
Moderne ergänzt und ersetzt herkömmliche Chemie, Prozesstechniken und Kulturen durch Hochleistungsstämme
Gruppen von moderner Biotechnologieprodukte
-Niedermolekulare Produkte
-technische Enzyme in Lebensmittelherstellung
-Pharmawirkstoffe
Niedermolekulare Moleküle Beispiele
-Cystein
-Vitamin B2
-Cyclodextrine
cystein Verwendung
-Schleimlöser
-künstliches Fleischaroma
-Zusatz für Backwaren
-Dauerwelle
Gewinnung von Cystein
früher: Extraktion aus Tierprodukten wie Haar, Hufe
heute: durch gentechnisch veränderte e.coli (effektiver, erhöhte Produktion, weniger Umweltbelastung, verhindert Verbreitung von Tierseuchen)
Vitamin B2 Anwendung
-essentielles Vitamin
-Umbau im Körper zu Co-Enzym FAD
-erhöhter bedarf im Wachstum
Herstellung von B2
Sehr effiziente Herstellung durch einen Pilz, weniger Rohstoffe, Produktionskosten und Abfallprodukte
Cyclodextrine Herstellung
Mais-/ Kartoffelstärke wird durch Enzyme zu ringförmigen Molekülen abgebaut
Enzymgewinnung mittels E.coli Hochleistungsstämme
Cyclodextrine Wirkung
Einschluss von Geruchsstoffen
selektive Extraktion von Duftstoffen
Verpackung von Wirkstoffen
Technische Enzyme Beispiele
Chymosin
Zellularen/Pektinasen
Chymosin Anwendung
Vegetarischer Käse
Chymosin Herstellung
früher: Extraktion aus Kälbermägen
heute: Gen wurde gentechnisch in Bakterien, Schimmelpilze oder Hefen übertragen
Cellulasen Anwendung
Pressrückstand von Säften verwerten
In Waschmittel gegen Vergrauungseffekt
Vorteile gentechnisch hergestellter Medikamente
-höhere Produktionsmengen
-höhere Reinheit
-bessere Wirksamkeit
-kein Risiko durch Verunreinigung von Krankheitserregern
Wie wird Bioinformatik für Pharmawirkstoffe verwendet
-Verbesserung von Wirkgruppen
-Passgenauigkeit für Patienten
-gezielte Entwicklung von Wirkstoffen
Pharmawirkstoffe Beispiele
Plasminogen Aktivator
Impfstoffe
Plasminogen Aktivator Wirkung
Schnelles Auflösen eines Gerinnsels durch gewährleisten der Herzmuskel-Durchblutung
Plasminogen Aktivator Modifikation durch gentechnik
Unnötige Genabschnitte wurden entfernt -> dadurch wirkt er schneller
weniger nebenwirkungen
Analysen von Krankheitserregern Methodik
Schnelle Analyse mittels PCR und Auftrennen mittels gelelektrophorese
Herstellung von Vakzinen durch Biotechnologie
gentechnisch veränderte harmlose Viren, welche in Mäusen vermehrt werden
mRNA Impfung
mRNA Impfung Herstellung
Zellen nehmen mRNA auf
Proteine wird von Zellen selber hergestellt und Antikörper vom Immunsystem produziert
mRNA Impfung Vorteile
mRNA Aufnahme über Mundschleimhaut möglich
temperaturstabile Moleküle
kostengünstiger
Biotechnologie in der Pflanzenentwicklung
-Proteine für die Human- und Tiermedizin in Pflanzen „Molecular Pharming“
-Verbesserte Eigenschaften von Pflanzen für den Abbau von Umweltschadstoffen in belasteten Böden
-Verbesserte Inhaltsstoffe in Nahrungspflanzen
-Verbesserte Inhaltsstoffe in Futterpflanzen
-Optimierte Nutz pflanzen für die industrielle Stoffproduktion
Anwendung der marinen Biotechnologie
-Antibiotika
-Krebsmedikamente
-Zusatzstoffe
für Kosmetika
-Virostatika
-Lebensmittel zusatzstoffe
-Robuste
Industrie-Enzyme
Oxidoreduktasen
Redoxreaktionen katalysieren
Transferasen
funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes übertragen
Hydrolasen
die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten
Lyasen
die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) oder eines anderen Nukleosidtriphosphats (NTP).
Isomerasen
die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen
Ligasen oder Synthetasen
Additionsreaktionen mithilfe von ATP (oder eines anderen NTP) katalysieren.[12] Eine Umkehrreaktion (Spaltung) ist meist energetisch ungünstig und findet nicht statt
Translokasen
den Transport von Stoffen an oder durch Zellmembranen katalysieren
Wann spricht man von Fermentation?
Wenn organische Stoffe mithilfe von Bakterien, Pilz- oder Zellkulturen sowie durch den Zusatz von Enzymen (Fermenten) umgewandelt werden
Was entsteht bei der Fermentation?
Gase, Alkohol und Säuren
Fermentation und Gärung Unterschied
Gärung bei anaeroben Prozessen
Fermentation kann aerob oder anaerob sein
Erste Phase Fermentation
Animpfung des Wachstumsmediums
Zweite Phase Fermentation
Verzögerungsphase oder Inkubationsphase
Mikroorganismen passen sich an die neue Umgebung an, Zellwachstum noch langsam
Dritte Phase Fermentation
Exponentielle Phase -> stetiger Anstieg der Wachstumsrate
Vierte Phase Fermentation
Verlangsamungsphase -> die Wachstumsrate verlangsamt sich aufgrund der sinkenden Nährstoffkonzentration
Fünfte Phase Fermentation
Stationäre Phase, Biomasse bleibt konstant
Sechste Phase Fermentation
Absterbephase
Anwendungsbereiche der Fermentation
-Arzneimittelherstellung (Insulin, Impfstoffe, Antibiotika)
-Nahrungsmittel
-Biotreibstoffe
-Chemikalien (Waschmittel)
-Aminosäuren
-Biologische Abwasserreinigung
Für was werden Bioreaktoren für eine Fermentation benutzt?
Herstellung von Pharmazeutika, Medikamenten, Antikörpern, Impfstoffen
Wo werden Fermenter für eine Fermentation benutzt?
Nahrungsmittelproduktion, Milchsäure und Ethanol
Welcher Prozess steckt hinter der Sauerteiggärung?
Spontangärung
Was ist ein Fermenter technisch gesehen?
Ein geschlossenes Gefäß in dem gerührt wird
Ein Mikroorganismus stellt aus einem flüssigen Medium (organische Substanzen, Nährstoffe, Spurenelementen) Energie her
Die Organismen nutzen diese Energie zu ihrer Vermehrung und der Produktion der Zielmoleküle
Welche Wertstoffe können in einem Fermenter hergestellt werden?
Enzyme, Proteine oder kleine Moleküle die in industriellen Prozessen eingesetzt werden können
Wie plant man eine Fermentation in einem Fermenter?
Art und Konzentration der Nährstoffe
Temperatur
PH-Wert
Sauerstoffgehalt
Wie wird eine Fed Batch Fermentation geplant?
Eine feeding Strategie wird festgelegt
Prozessbedingungen: temperatur, Rührerdrehzahl, Begasungsrate, Dauer des Fermentationsprozesses
Unterschied Labor und Industriefermenter
Labor: bessere Durchmischung durch schnellere Drehungen, Glasbehältnisse, Autoclavieren möglich
Industrie: Nur maximal 200 Umdrehungen pro Minute -> weniger Sauerstoff im Medium, anspruchsvolleres und teueres Kühlen, Edelstahlbehältnisse, Dampf und chemische Sterilisierung
Batchfermentation
So lange kultiviert bis die Nährstoffquelle erschöpft ist, Fermentation wird dann beendet
Vorteile Batch-Fermentation
-Flexibel einsetzbar
-geringe Investitionskosten
-Kurze kultivierungszeiten -> geringere Infektionsgefahr
-KAum Mutationseinfluss
Nachteile Batch-Fermentation
Füllen, Sterilisieren, ernten und säubern sind nichtproduktive Totzeiten
Hoher Materialverschleiß
Für jeden Ansatz braucht man Inokulum
Produktqualität schwankt
Fed-Batch Fermentation
Während dem Fermentationsprozess werden Substrate hinzugefügt
Wenn das kontinuierliche Verfahren nicht wirtschaftlich ist und das Batchverfahren nicht produktiv genug ist
Vorteile Fed-Batch Verfahren
Große Flexibilität
Hohe Umsatzraten durch definierte Kultivierungszeit
Optimale Führungsbedingungg
Quasistationäre Betriebsweise
Nachteile Fed-Batch Verfahren
Aufwendige Prozesssteuerung
Hohe Materialbelastung
Unproduktive Totzeiten
Kontinuierliche Fermentation
Dem Bioreaktor werden ständig Substrate zugeführt und Endprodukt entnommen
Sauerteigproduktion oder Abwasserreinigung
Kontinuierliche Fermentation Vorteile
Automatisierte, sehr wirtschaftliche Prozesse
Gleichbleibende Qualität
Geringe Personalkosten
Geringe Infektionsgefahr
Kontinuierliche Fermentation Nachteile
Geringe Fertigungsflexibilität
Gleichbleibende Rohstoffqualität notwendig
Hohe Kosten durch Automatisierung und sterile Führung
Hohe Mutationsgefahr
Kontaminationsgefahr
Was muss man beachten wenn man ein Futtersilo ansetzt?
-Silo rechtzeitig vorbereiten
-Verschmutzung vermeiden
-Erntezeitpunkt
-Nicht zu stark anwelken
-Siliermittel
-Verdichten
-abdecken
Silo rechtzeitig vorbereiten
Silo reinigen
Abdichten von undichten Stellen
Seitenwände mit Siloplane abgedichtet werden
Zufahrten so gestalten, dass kein Dreck durch Traktorreifen eingetragen wird
Verschmutzung durch Silo vermeiden
Schmutz kann zu Fehlgärungen führen
Abschleppung der ernte bei trockenem Boden
