Part 2 Flashcards
Rote Biotechnologie:
- Medizinische Diagnostik
- Entwicklung von Arzneimitteln (Herstellung selbst ist weiße Biotechnologie! (Massenproduktion))
- Gentherapie
- Regenerationsmedizin
- Z.B. Nachweis von Infektionserkrankungen, Pharmakogenomik – personalisierte Medizin, Pränatale Diagnostik, Forensik, Populationsgenetik
Grüne Biotechnologie
- Verbesserung von Nutzpflanzen (mit Hilfe von Gentechnik)
- Gewinnung pflanzlicher Inhaltsstoffe
- Industrielle Nutzung pflanzlicher Wirkprinzipien (Bionik)
- Phytosanierung (Altlasten: Altmetalle, unerwünschte Stoffe werden aus dem Boden geholt)
Weiße Biotechnologie
Weiße Biotechnologie: (industrielle Biotechnologie)
- Ersetzen chemischer Prozesse durch biotechnologische Verfahren (Glutamat Produktion –> Corynebacterium glutamicum; Vitamin C –>Aspergilus niger(Pilz); E.Coli; Sacchermyces cerevisiae(Hefe))
- Substitution fossiler Energieträger (Arbeit mit nachwaschenden Rohstoffen) zb. Biokunststoffe
- Herstellung von Nahrungsmittelzusätzen
- Herstellung von Pharmazeutika (Massenproduktion)
Graue Biotechnologie:
Graue Biotechnologie: (Umwelt biotechnologie)
- Aufbereitung von Trinkwasser
- Reinigung von Abwasser; Abluft‐ bzw. Abgasreinigung
• Sanierung kontaminierter Böden (Altlastensanierung: Nicht aufgearbeitet Stoffe im Boden;
In sito= am Standort;
Ex sito= außerhalb vom Standort)
Ökotoxikolgie = Bestimmung der Giftigkeit von Chemikalien Bioindikation= Verseuchung von Pflanzen Walder--> Auswirkung vom Gift
• Müllrecycling
• Energie aus
nachwachsenden Rohstoffen
Blau Biotechnologie:
Blau Biotechnologie: (Alles aus dem Meer)
• Gewinnung von Mikroorganismen und damit neuer Medikamente aus dem Meer (200 bioactive Stoffe zb. Antibiotika, antiviral)
Weise Biotechnologie
Fermentation
Fermentation = technische Bioreaktion –> Synthese von gewünschten Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen in Fermentoren (= Bioreaktoren)
Mikroorganismen im Labor
- Anreicherung von der Natur
- eigene Stammhaltung (tiefgefroren, gefriergetrocknet Leben Kulturen)
- bestellen (bei Deutsche Sammelungv. Zellkulturen)
- von anderen Forschungsgruppen (Austausch)
Anreicherung z.B. aus dem Boden
• Erdprobe einwiegen –> Zugabe von 0,9% NaCl (steril)–>Verdünnungsreihe mit 0,9% NaCl (steril) bis etwa 10‐3 –> 100μl auf Vollmedium Agarplatten (Spatel verfahren), Bebrüten bei 25‐30°C –> Kolonien und KBE/ g Erde berechnen (Spezifische Anreicherung(bestimmtes Medium begünstigt Wachstum)
Anreichungskulur und fraktionierter Ausstrich
Anreicherung Mikroorganismen im Labor
Anreicherung z.B. aus dem Boden
•(Erdprobe einwiegen –> Zugabe von 0,9% NaCl (steril)–>Verdünnungsreihe mit 0,9% NaCl (steril) bis etwa 10‐3 –> 100μl auf Vollmedium Agarplatten (Spatel verfahren), Bebrüten bei 25‐30°C –> Kolonien und KBE/ g Erde berechnen (Spezifische Anreicherung(bestimmtes Medium begünstigt Wachstum)
Anreichungskulur und fraktionierter Ausstrich
Identifikation von MO
- Morphologie –> makroskopisch –> Kolonieform, Geruch, Farbe etc.
- Mikroskopisch:
Zellwand (Gram-Färbung), Zellform, Kapsel, Geißel, Sporen, Reservestoffe - Wachstum auf Selektivnährböden –>
Aerobes oder anaerobes Wachstum? Antibiotikaresistenz? - Färbemethoden
- Agrardiffusionstest
- Stoffwechseleigenschaften (meist der letzte Schritt)
Substratverwertung,
Stoffwechselprodukte, Enzyme - Konventionelle Analyse setzt Kultivierbarkeit voraus –> Reinkultur
Genetische Tests aber nicht: PCR, DNA Arrays, DNA Sequenzierung
Stammzüchtung
- Selektion natürlicher Varianten
- Ungerichtete genetische Veränderung durch Mutation („Evolution in der Petrischale“) –> Strahlung, ev. Enzym. Aktivierung und anschließende Selektion
- (Gezielte) Genmanipulation - Gentechnik
Produktion von rekombinanten Proteinen
• Unterschiedliche Herstellung bioaktiver Moleküle –>
Hefe, Bakterien, transgenen Tieren, Insektenzellen, Säugerzellen
Kolonie auf Agarplatte –> Stammkultur Schrägagar –> Schüttelkultur –> Rührkultur -> Vorfermentor –> Produktionsfermentor
Prozessgrößen in der Fermentation:
• Stellgrößen: (einstellen)
Zuluft Menge, Durchfluss, Kühltemperatur, etc.
• Zustandsgrößen: (messen)
pH, Druck, Temperatur, Viskosität
•Zielgrößen: (erreichen)
Substratverbrauch, Produktausbeute
Stellgrößen
Stellgrößen: (einstellen)
Zuluft Menge, Durchfluss, Kühltemperatur, etc.
Zustandsgrößen
Zustandsgrößen: (messen)
pH, Druck, Temperatur, Viskosität
Zielgrößen
Zielgrößen: (erreichen)
Substratverbrauch, Produktausbeute
Prozessschritte vor und nach der Fermentation
Upstream : alles vor der Fermentation
- vor Bereitstellen der Substrate
- Sterilisieren
Bioreaktor
Downstream: alles nach Fermentation
- Trennung von Biomasse/ überstand
- Zellaufschluss
- Aufarbeitung
Medien:
Stärke, Melasse, Maisquellwasser, Molke, Cellulose Reste
Downstream
Nach Fermentation
Phasentrennung
- Biomasse
a) Konditionierung –> Kulturkonzentrat
b) Zellaufschluss –> Produktgewinnung –> Konditionierung –> intrazelluläres Produkt - Kulturflüssigkeit –> produktgewinnung –> Konditionierung –> extrazelluläres Produkt
Prozessverläufe in Fermentoren
1) kontinuierlich –> laufende Substratzugabe und Produktentnahme (nach erstem Anwachsen wird Nährmedium zugefügt –> gleich viel wird abgepumpt wie dazu gepumpt)
Vorteil: Keine Alkoholbildung (keine Abtötung)
Nachteil: Probleme können nicht eingegrenzt werden
2) Batch‐Verfahren (Chargenbetrieb), (Keine Zugabe oder Produktentnahme)
3) Fed‐Batch‐Verfahren, laufende Substratzugabe (Zugabe von Medium bis Reaktor voll ist keine), Produktentnahme nur am Ende
Fed‐Batch‐Verfahren
laufende Substratzugabe (Zugabe von Medium bis Reaktor voll ist keine), Produktentnahme nur am Ende
Batch‐Verfahren
Batch‐Verfahren (Chargenbetrieb), (Keine Zugabe oder Produktentnahme)
kontinuierlich verfahren
kontinuierlich –> laufende Substratzugabe und Produktentnahme (nach erstem Anwachsen wird Nährmedium zugefügt –> gleich viel wird abgepumpt wie dazu gepumpt)
Vorteil: Keine Alkoholbildung (keine Abtötung)
Nachteil: Probleme können nicht eingegrenzt werden
Vorteile der Biotechnologie
1) Spezifität und Selektivität:
a) Lieferung des gewünschten Endprodukts ohne Weiterverarbeitung aus einer Vorstufe
b) Stereoselektive Synthese chiraler („händische“) Substanzen (zum Beispiel D‐ und L‐Aminosäuren):
Keine Racemate
Keine aufwändigen Trennungsverfahren
Keine Verunreinigungen des Endprodukts
2) Effizienz und Umweltverträglichkeit:
a) benötigt werden nur kostengünstige Ausgangsstoffe wie Wasser, Zucker, Salze, Sauerstoff und Kohlendioxid
b) Biotechnologische Produktionsprozesse finden überwiegend bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck statt. Dadurch…
kann Energie gespart werden.
können Kosten gesenkt werden.
können weniger Nebenprodukte und Abfallstoffe entstehen
Vorteile von Fermentative Herstellung B2:
Deutlich gesteigerte Produktionsmenge,
40 % weniger Produktionskosten
30 % weniger CO2‐Ausstoß
60 % weniger Rohstoffverbrauch
95 % weniger Abfallprodukte
Herstellung Zitronensäure (E330)
• Früher aus Zitronen, heute biotechnologisch mit Hilfe des Schimmelpilzes (Aspergillus Niger)
Für:
- Lebensmittelindustrie (65 % als Konservierungs- und Säuerungsmittel),
- Pharma‐Industrie (10 % verhindert Blutgerinnung)
- Chemische Industrie (25 %)
Mikroorganismen:
- Aspergillus niger,
- Candida Lipolyica
Ausgangsmaterial:
- Zuckerrohr‐ oder Zuckerrübenmelasse
- Zuckerlösungen
• Ausbeute:
ca. 80 % der theoretischen Ausbeute
Fermentation:
- Reaktoren: Rührkessel, Airliftreaktoren (bis 220m³) Temperatur: ca.30- 40 C°
pH-Wert: sinkt auf 1 ‐ 2 Dauer: ca. 8 Tage
Herstellung Milchsäure & Milchsäurebakterien
- Mit kultureller Entwicklung des Menschen eng verbunden (Fermentierte Lebensmittel von Milch, Gemüse, Getreide, Fleisch)
- Früher wichtig zur Verlängerung der Haltbarkeit von Lebensmitteln
- Sehr lange Verwendung – Pasteur der Erste, der Milchsäurebakterien und Milchsäurefermentation genauer untersuchte
- Meist Gram‐positiv, anaerob, säuretolerant, unbeweglich, bilden keine Sporen, benötigen Aminosäuren, Vitamine und Kohlenhydrate
- 2 Arten : mesophile 28‐45°C und thermophile 45‐62°C
Fermentative Herstellung von Enzyme
- Enzyme sind: chemisch gesehen Proteine, natürliche Katalysatoren
- Sie benötigen keine erhöhten Temperaturen bzw. hohe Drücke
- Sie wirken sehr spezifisch („Schlüssel‐ Schloß Prinzip“)
Fermentative Herstellung von Enzyme
Beispiele
1) Proteasen:
Spaltung von Proteinen
Gegen Ei-, Blut-, Milch- und Spinatflecken
2) Lipasen:
Spaltung von Fetten
Gegen Verschmutzungen durch Salatöl, Bratenfett, Kragenfett (Talg) und Kosmetika
3) Cellulasen:
Spaltung des pflanzlichen Polysaccharids Zellulose,
Anwendung beim „Biostoning“ von „stonewashed“ Jeans, Entfernung von Baumwollfusseln, Konservierung der Glätte und Farbe von Textilien
4) Amylasen:
Spaltung des pflanzlichen Polysaccharids Stärke
Gegen Flecken von Kartoffelbrei, Schokolade oder Pudding
Anwendungsbereiche von Enzymen
: Waschmittel, Käsereifung, Mehl und Backwaren, Früchteverwertung und Wein
Produkte der weißen Biotechnologie
- Vitamine (B2, B12, C)
- Antibiotika (Penicillin)
- Enzyme (Amylase, Protease)
- Proteine (Lysin, Arginin, Valin, Phenylalanin)
- Kohlenhydrate (Xylitol
Vorteil bei Einsatz von Enzymen
Co2 Einsparung durch Einsatz von Enzymen
- Waschwirkung verbessert durch Enzyme durch Spaltung von Schmutzpartikel (insbesondere eiweißhaltige) durch waschaktives Enzym bereits bei 40 C statt 60 C
- Sparen Wasser durch effizienteres Waschen
