Einführung in die Biotechnologie

Sterilität

1. Mechanisch angetriebene Bioreaktoren:

Gerührte, klassische Bioreaktoren (Labor Pilot Fermenter LP351 wird zu 90% in der Biotechnologie eigesetzt) Es gibt aber auch mechanisch angetriebene Schlaufenreaktoren.

System: mechanisch angetrieben, je nach Biomasse kann der Antrieb, sowie das Rührgerät angepasst werden. Sie sind geeignet für emerse (an der Oberfläche) Kulturen.

2. Hydraulisch angetriebene Reaktoren:

Tauchstrahlreaktor und Umlaufdrüsenreaktor

System: Sie werden mit Düsen und Pumpen angetrieben.

3. Pneumatisch angetriebene Bioreaktoren:

Blasensäule und Airliftreaktor

System: Durch Lufteinschleusungen entstehen Umwälzungen. Gas (Gasbläschen reissen die Masse mit sich und wälzt sie um)

4. Bett-Bioreaktoren:

Füllkörperreaktor und Wirbelbettreaktor

System: Zellen wachsen auf den Füllkörpern. Ersterer besprüht die Zellen von oben mit Nährlösung und wirbelt sie im Kreis. Zweiterer Speisst die Zellen durch Schüttung (aufschüttung des eingeschleusten Gases) des Nährmediums.

5. Membranbioreaktoren:

Hohlfaserreaktor und Flachmembranreaktor

System: Ein Membranreaktor ist eine Anlage, die eine membranbasierte Trennstufe als integralen Bestandteil beinhaltet.Über eine selektiv permeable Membran werden Stoffe (Inhaltsstoffe, Zellen) zurückgehalten bzw. abgetrennt. Membranen können eingesetzt werden, um gezielt Stoffe zugegeben und um den Stoffaustausch zu intensivieren.

Zum Beispiel nach Zeitverhalten, nach Betriebsweisen, Emerse oder Submerse Systeme, Art der Belüftung, Art des Energieeintrags, Form und Fixierung des Biokatalysators oder nach der Bauform.

Der Begriff „Einweg” (disposable, single use) bezieht sich auf die Anzahl der Nutzungen der Kultivierungseinheit. Der Klassische wird immer wieder gebraucht.

In der Pharmazie und Medizin werden am häufigsten Rührreaktoren eingesetzt. Zum Beispiel zur Herstellung von Insulin.

Sehr hoher Reinheitsstandard wird vorausgesetzt. Alle Betriebsparameter des Reaktors müssen in engen Grenzen gehalten werden.

Slides Bioreaktoren Seite 22.

sterile klassische und Single-Use, aerobe und anaerobe Rührreaktoren, Fest-, Wirbelbett-, Membran- und Enzymreaktoren. Es gibt sie in sehr vielen verschiedenen Grössen, sie sind gut kontrollierbar. Werden auch eigesetzt zur Kultivierung von z.B. Hautstammzellen oder Hirnzellen.

Produktionsverfahren: -  Monokulturen (MO/ Zellkulturen), - unter sterilen Bedinnungen, - Semikontinuierlich

Entsorgungsverfahren: - Mischkulturen, -unsteril, -kontinuierlich (konstantes Arbeitsvolumen, auch im offenen System)

Züchtung von Biokatalysatoren (MO) auf Substratoberfläche (z.B. Essigproduktion)

Züchtung von Biokatalysatoren im Nährmedium (bsp. Penicillin)

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Man braucht nur eine geringe Biomasse am anfang. Eventuell anfallende toxische Stoffwechselprodukte können auf einem niedrigen Niveau gehalten werden.

Feeding (Arbeitsvolumen vergrössert), Feeding und Austausch (Arbeitsvolumen konstant), Repeated Fed Batch ( Nach Fed Batch Phase wird die Zellsuspension teilweise geerntet und der Reaktor mit frischem Medium aufgefüllt)

Reaktionspartner + Biokatalysator = Produkt

Upstream: Medienherstellung aus den Ausgangsstoffen, Fermentation (Stoffe werden umgesetzt)

Downstream: Zellseparation, Isolation und Reinigung, Downstream Aufarbeitung

Endformulierung und Abfüllung: Formulierung und Dosierung

Kennzeichnung und Verpackung

Pathogene aber auch andere MO dürfen sich in der Biomasse nicht unkontrolliert vermehren, jenachdem was hergestellt wird muss ein bestimmter Sterilitätsgrad eingehalten werden.

Sterilisation mit feuchter oder trockener Hitze

Sterifiltration

Strahlensterilisation

Mikrowellensterilisation

VHP- Sterilisaion

Pascalieren

Hitze, Dampf, Druck, Filtration, Strahlen, VHP = gasförmiges Wasserstoffperoxid

Beide Verfahren verlaufen mittels Dampf. Das Standard- und Overkillerverfahren dauert länger und hat viele Nachteile wie zum Beispiel die Abtötung von Vitaminen, hoher Energieverlust, Farbveränderung etc. Wird aber noch ab häufigsten angewendet.

Das HTST- Verfahren dauert sehr kurz und ist zudem auch sehr schonend. Es läuft kontinuierlich ab und ist geeignet für Wasserähnliche Substanzen und allgemein Flüssigkeiten.

Sterilisation von Geräten (Glas, Plastik, Metall, Kultivierungsbeutel etc.) Glasbehältnisse im Pharma und Medizinbereich, Denaturierung von Proteinen.

Direkt: Man nimmt eine Probe aus dem Reaktor und testet sie.

Indirekt: Man gibt ein Medium in den Reaktor zur Biomasse hinzu und sieht was passiert. (Veränderungen)

Man gibt ein sehr hitzeresistentes MO hinzu, wenn dieses abstirbt, sind sicher auch alle anderen gestorben. Prinzip mit Hitze oder geht auch beim Filtrieren (Teilchengrösse). Dieses Verfahren dauert nicht so lang wie das konventionelle Verfahren.

Biokatalysatoren sind polymere Biomoleküle, die biochemische Reaktionen beschleunigen oder verlangsamen, indem sie die Aktivierungsenergie herab oder herauf setzen. Sie gehen selbst unverändert hervor und können somit mehrere Reaktionszyklen hintereinander katalysieren.

In situ: Probe wird unter den Bedinnungen gemessen, unter welchen sie auch sterilisiert wurde. Bsp. Noch unter Druck.

Ex situ: Messung ausserhalb des ursprünglichen Ortes.

- Technische Nutzbarmachungvon biologischen Vorgänge;

- Anwendung von Wissenschaft und Technik auf lebende Organismen

Klassische Biotechnologie: traditionelle Biotechnologie; Gebrauch von nativen (natürlich, unverändert) Biokatalysatoren zur Produktion von Stoffen; z.B. Bier Herstellung

In der Biotechnologie kommen Bereiche der Chemie, Biologie und der Ingenieurwissenschaft.

Chemieindustrie; Biotechnologiebranche, Anlagen- und Apparatbau; Pharmaindustrie; Umwelttechnikbranche (Klassische Biotechnologie, Pharma/Medizin), Landwirtschaft, Chemie)

- Biokatalysatoren sin Moleküle, die biochemische Reaktionen in einem Körper ermöglichen, z.B. Enzyme, Mikroorganismen.

- Lassen sich in humane, tierische oder pflanzen Zellen kategorisieren.

gVO = genetisch veränderter Organismus

Genetisches Material wird neu zusammengestellt (rekombiniert) sodass etwas neues produziert wird.

Rote BT: Medizinisch-Pharmazeutisch; Impfstoffe -> Hepatitis B; Transplantationsmedizin -> Stammzellen

Grüne BT: AgroBT; Krankheits-&herbisidresistente Pflanzen -> Bt-Mais; Functional Food -> pro-& prebiotisches Joghurt

Blaue BT: Meer (maritime); natürliche Wirkstoffe aus marinen Organismen -> Nahrungergänzung; Kosmetik -> Beta-carotin

Weisse BT: Industrielle BT inkl. UmweltBT; Herstellung von grossen Mengen

1.Phase: Unbewusste Nutzung von Mikroorganismen -> Essigherstellung (8000 v.Chr.), Käseherstellung (3000 v.Chr.)

2.Phase: Fermentation, Klassifizierung neuer MO, Stoffwechselvorgänge aufgelärt, Start der Mikrogenetik -> Backhefeherstellung (1880), Milchsäure (1881), Glycerin (1914-1918), 1. Penicillineinsatz (1941)

3.Phase: wissenschaftliche Grundlagen für biotechnologische Apparate- & Verfahrenstechniken -> Sterilfermentation (1942-1946); Modellherstellung der DNS (1953), Entschlüsselung des genetischen Codes bei akterien & Viren (1960)

4.Phase: Gezielter Einsatz der genetischen Manipulation von Zellen, rekombinante Methoden und morderner Technik -> Biotherapeutika, Impfstoffe, Genfood, Algenbiotechnologie

Aller Anfang begann mit Lebensmitteln. Zuerst den Essig, dann der Käse und Sauermilchprodukte. In der zweiten Phase kamen die Backhefe und die Milchsäure.

monoklonale Antikörper

Rote BT: Pharmazeutische BT: Galenik, Phytopharmazie, Qualitäts- & Stabilitäts Prüfung von Arzneimittlen, Steril- & Reinraumtechnik

Grüne BT:

Blaue BT:

Weisse BT: Prozesse & Verfahren: Verfahrenstechnik, Prozesse- & Anlagenentwicklung, Sensortechnik & Prozessanalytik, Umweltbiotechnologie, Kultivierung von Mikroorganismen