VL 1 History & Basics

Question 1

Was waren die wichtigsten Entwicklungen der Biotechnologie vor dem 19. Jhd.?

Answer 1

4000 v. Chr. und 4000-2000 v. Chr.
erste Fermentationen für Hefeteig, Bier- und Weinproduktion
1300
Salpeterproduktion in Europa etabliert
1680
Van Leeuwenhoek beschreibt erstmals Bakterien und Pilze

Question 2

Was waren die wichtigsten Entwicklungen der Biotechnologie im 19. Jhd.?

Answer 2

• Hefen klar als veranwortlich für alkoholische Gärung
• Pasteur beschreibt alkoholische Gärung sowie Milch- und Buttersäureprozesse
• Koch kultiviert Mikroorganismen
• Milchsäureproduktion durch Lactobacillus

Question 3

Was waren die wichtigsten Entwicklungen der Biotechnologie im 20. Jhd.?

Answer 3

• Azeton- und Butanolproduktion mit Clostridia
• Zitronensäureproduktion mit A. niger verbreitet
• Penizillinproduktion mit P. Chrysogenum
• Weitere Antibiotika, Aminosäuren, Vitamine, Organische Säuren etc. in Prozessen mit Bakterien und Pilzen produziert
• Mikrobielle Enzyme für Detergenzien; Lab für Käse
• Insulin aus E. Coli als erste rekombinante Arznei
• Rekombinante Proteine werden in der Industrie eingesetzt
• Rekombinante Mikroorganismen produzieren Aminosäuren, Vitamine und andere Chemikalien

Question 4

Was ist die Definition von bulk chemicals?

Answer 4

Chemikalien, die in großem Maßstab produziert werden; meist in kontinuierlichen Prozessen und nicht im Batch-Prozess; Hauptziel ist, durch Skaleneffekte des großen Maßstabs die Kosten gering zu halten; Beispiele: Aceton, Acrylsäure, Biodiesel

Question 5

Was ist die Definition von fine chemicals?

Answer 5

Chemikalien, die nur in kleinen Mengen hergestellt werden können; hauptsächlich durch Batch-Prozesse; viele, komplizierte Schritte zur vollständigen Synthese notwendig; Beispiele: Pharmazeutika, Pigmente, Duftstoffe, Biozide

Question 6

Was sind die Eigenschaften eines Batch-Prozesses?

Answer 6

• Substrat liegt zu Beginn im Medium vor
• Inokulation nach Festlegen der Bedingungen: pH, Temperatur, L/min
• pH und Begasungsrate werden kontrolliert, aber kein Substrat zugesetzt
• Hohe Flexibilität, kein großer technischer Aufwand

Question 7

Was sind die Eigenschaften eines Fed-Batch-Prozesses?

Answer 7

• Substrat wird zugesetzt
• Auswahl der Kohlenstoffquelle bzw. komplexere Substratsysteme möglich (Auswirkung auf Sekundärmetabolite)
• Limitationen ergeben sich durch Füllstand und Begasungsrate
• Hohes Maß an Reinheit möglich (durch kontrollierte Fütterungssysteme und minimale Sekundärmetabolite)
• Hoher technischer Aufwand (aufwendige Controlling-Systeme nötig)

Question 8

Was sind die Eigenschaften eins kontinuierlichen Prozesses?

Answer 8

• Offenes System mit kontinuierlichem Zu- und Abfluss
• Stationärer Zustand (Prozessvariablen ändern sich kaum)
• µ = D (Wachstumsrate der Bakterien = Durchflussrate)
• Hohe Produktivität, kaum Vorbereitungsschritte
• Hoher Aufwand in der Downstream-Aufarbeitung, da Produkt im Abfluss niedrig konzentriert vorliegt
• Nicht alle Stämme von MOs eignen sich

Question 9

Welche Schritte gibt es im Ablauf eines Scale-Ups?

Answer 9

Master Cell Bank -> Working Cell Bank -> Shake Flask -> Pre-Seed bioreactor (laboratory bioreactor) -> seed bioreactor -> production bioreactor

Question 10

Welche Faktoren müssen beim Scale-Up berücksichtigt werden?

Answer 10

• MCB und WCB als Ausgangspunkt bzw Lab Scale
• Geringere Generationenzahl auf Lab Scale da geringeres Produktionsvolumen
• Anforderung für Produktionsmaßstab: Zellen über mehrere Generationen stabil

Question 11

Welche chemischen Faktoren müssen beim Scale-Up berücksichtigt werden?

Answer 11

• Reinheit des Mediums für Labormaßstab höher als für Produktionsmaßstab -> im Labor testen
• Titrationschemikalien aus dem Labor oft unzureichend für Großmaßstab (zB keine Salze; Ammonium statt NaOH)
• Schaumbildung im Labormaßstab kein Problem, schwieriger im Großen

Question 12

Welche physikalischen Faktoren müssen beim Scale-Up berücksichtigt werden?

Answer 12

• Vertikale und Horizontale Gradienten bilden sich aus (Glukoseverteilung, Sauerstoffnutzung, kL_A Maximum)
• Durchmischungszeit im Sekundenbereich versus Minuten (klein -> groß)
• aus ökonomischen Gründen häufig Designs von Großreaktoren, die stark von Labordesign abweichen

Question 13

Welche Kriterien müssen beim Scale-Up berücksichtigt werden?

Answer 13

• Geometrische Ähnlichkeit (Höhe zu Durchmesser; ideal bei 2)
• Leistungseintrag P/V; 3-6 W/L im Laborreaktor
• Sauerstoffeintrag/ kL_A;
• Belüftung/ Begasungsrate vvm
• Rührgeschwindigkeit Vpeak
• Durchmischzeit/ 90%

Question 14

Welche ökonomischen Faktoren müssen beim Prozess berücksichtigt werden?

Answer 14

Produkt/Substrat bzw. Ertrag; Senkung der Substratkosten fällt besonders bei billigen bulk chemicals stark ins Gewicht

Produktreinheit; reduziert Aufwand für Processing (fällt besonders bei Feinchemikalien und Pharmazeutika ins Gewicht)

Produktivität: q_p bezogen auf zelluläre; Q_p bezogen auf das Volumen; bezieht auch Phänomene wie Schaumbildung oder Aufbauzeit mit ein, um Rentabilität zu bewerten

Energie; variable Kosten durch Kühlung und Begasung (Prozesse mit geringeren Biomasseanforderungen -> weniger Begasung -> geringere Kosten)

Investment und Abschreibung;
Rechnung über net present value NPV; Bewertung, ob der Prozess rentabel ist