Bioverfahrenstechnik

1. Größenausschlusschromatographie: Größere Moleküle eluieren zuerst (Stationäre Phase hat Poren). 
2. Ionenaustauschchrromatographie: Trennung aufgrund der Ladung => Säule ist entweder negativ oder positiv geladen. Eluition der Probe durch Erhöhung der Salzkonzentration. 
3. Hydrophobe Chromatographie: Trennung aufgrund der Hydrophobizität des Proteins => Säule ist hydrophob. 
4. Affinitätschromatographie: Protein hat einen spezifischen Tag, durch die es die Säule bindet. Kompetitive Eluition des Proteins durch anderes Molekül mit Tag. 
5. Fließbettchromatograhpie: Trennung durch Partikelkügelchen. 

Bei gegebenem Druck und freigesetzten Enzymmenge (C) kann man die k*P^a berechnen, um an die Passagenanzahl zu kommen. 

z.B. bei N = 1 gilt k*P^a= ln\(\frac{Cm}{Cm - C}\)

wobei Cm = 1 oder 100%

dann muss man nur einfach einsetzen um die N herauszufinden, um eine z.B. 90% freigesetzte Enzymmenge zu bekommen. 

z.B. Wie hoch ist die Gesamtausbeute aus 6 Verfahrensschritten unter die Annahme, dass die Aubeute von drei Schritten jeweils 95%  und den anderen Schritten jeweils 80% ist?  

=> 0,95³ * 0,80³ = 0,439 => 43,9% 

Dabei wird die Lichtstreuung gemessen um die Biomassekonzentration festzustellen. Desto mehr Teilchen in der Lösung, desto mehr wird das Licht gestreuut, da das Licht auf mehr verschiedene Teilchen trifft. 

Messarten: 

• Streuung/Transmission entlang der Einstrahlrichtung
• Messung der Streuung im 90˚Winkel zur Einstrahlrichtung
• Messung der Streuung im 180˚Winkel zur Einstrahlrichtung 

Das Sensorsignal ist nur für geringe Zellkonzentrationen linear, es kommt bei höheren Konzentrationen zu Abweichung der Linearität. 

• Die Trübungsmessung besitzt nur einen bestimmten Messbereich, in der das Signal linear mit der Biomassenkonzentration zunimmt. Übersteigt die Biomassenkonzentration diesen Bereich, so kann das Lambert-Beersche Gesetz nicht mehr angewendet werden. Aus diesem Grund versucht man durch Messung verschiedener Streuungsarten (Transmission, 90° Streuung, 180° Streuung) einen möglichst großen Bereich abzudecken, in welchem das Signal noch linear mit zunehmender Biomassenkonzentration ansteigt und nutzt Messungen bei verschiedenen Wellenlängen.
• Sensorik wird von Zellen bewachsen => dies führt zum Ausbleiben des Messsignals (keine Streuung detektierbar!). Um zu verhindern, dass man in diesem Fall kein Messsignal detektiert, stellt man mehrere Sensoren bereit, um sich darauf vorzubereiten, dass ein Sensor ausfallen könnte, weil er bewachsen wird.
• Um den Gasblasen entgegenzuwirken, werden die Streuungssignale der Gasblasen vom Computer herausgerechnet.

Off-Line Analytik:= manuelle Probennahme und nachfolgende Analyse im Labor

On-Line Analytik : dabei wird automatisiert, direkt während dem Prozess analysiert und ein Ergebnis bekommen. 

• in situ: Sensor taucht in Bioreaktor ein und misst direkt die Daten und verarbeitet sie automatisch zu einem Ergebnis
• at-line: ist also, dass automatisch die Probe zur Sensorik geleitet wird => automatische Messung/Verarbeitung des Signals. Es wird genutzt, wenn z.B. wenn die Sensorik durch Dampfsterilisierung kaputt gehen würde. 

At-line Prozesstechnik:= Dabei wird die Probe automatisch zur Sensorik geleitet, Danach wird das Signal automatisch gemessen und verarbeitet. 

• Für die wesentlichen Prozessgrößen – Substrat- und Produktkonzentrationen – existieren bisher keine (dampf- sterilisierbaren) Messsonden. Deswegen wird at-line benötigt. 

• Es ist repräsentativ (Entnahme an geeigneter Stelle). 

• Abtrennung der Zellen (Mikrofiltration, Dialyse)

• automatisierte Probenaufbereitung (FIA; Verdünnung, Zugabe von Reagenzien)

• variable Verdünnung => unt. Signalintensitäten

• Analyse des gelösten Analyten

Die at-line Analytik benötigt eine komplett automatisirte Messung und Analytik. Ein Analysetool (Probenaufbereitung) ist dabei die Fließinjektionsanalyse (FIA) mit Biosensoren.

Dabei werden die folgende Sonden eingesetzt: zur Zellabtrennung

• Dialysesonde
• Filtrationssonde (Entnahme durch Querstrom-Mikro-Filtration)

• Die Analyten kann man feststellen weil er die Lichtemission auslöscht => kein Signal detektierbar. 
• Löschende Substanz z.B. O2
• Ohne Löschende Substanz wird Licht wie unten dargestellt emittiert. 

=> Injektion einer flüssigen Probe in einen bewegten, nichtsegmentierten Trägerstrom. Die injizierte Probe wird zum Detektor (Sensor) transportiert und dort analysiert. Aufgrund der Dispersion beim Transport wird ein Peak gemessen (Peakfläche, Peakhöhe, ...).

1. Probe wird auf ein Injektionsventil geladen.
2. Trägerstrom und Probe werden durch Umschalten in der Reaktionsstrecke miteinander gemischt. 
3. In der Reaktionsstrecke vermischen sich Analyt und Reagenz. 
4. An dem Detektor findet eine Reaktion statt. 

=> ist eine Methode, bei der sowohl Reagenz als auch Probe durch Öffnung von Injektionsventilen vermischt werden. 

Am Mischpunkt vermischen sich beide und findet eine Reaktion zur Detektion statt. Da man ganz kurz Reagenz zuführt, verbraucht man weniger Substrat. 

Eine Methode um Verdünnungsreihe zu erstellen ist zone sampling. 

Mischungszelle wird mit Probe beladen => es fließt Trägerstrom in die Mischungszelle und der Analyt wird immer weiter verdünnt. In regelmäßigen Zeitintervalln wird in die Reaktionsstrecke injiziert. Dadurch vermisst man die Probe bei zunehmenden Verdünnungen und erhält andere Signalintensitäten. 

Qualität der Messergebnisse:

• totzeitbehaftet (min)

Im Gegensatz zu in situ Analytik wird die Probe nicht sofort vermessen, d.h. es gibt eine Zeit zw. Entnahme und Messung.

• diskret (Abtastzeit: min – h)

Es wird nur in bestimmten Abständen Probe entnommen, sodass man nicht kontunierlich Messwerte bekommt. 

• stochastisch fehlende Messungen (automatische Kalibrierung)

Das Gerät erkennt automatisch, wann es sich neu kalibrieren muss, d.h. sich so einstellen muss, dass die Messwerte wieder korrekt sind. 

Die Aufgaben der Industriellen Biotechnologie (IBT) sind es Mikroorganismen und Enzyme für die industrielle Stoffproduktion zu gestalten. Zusätzlich dazu beschäftigt sich die IBT mit der Erzielung von Stoffänderungen, auf einem technisch machbaren, wirtschaftlichen und industriell auswertbaren Weg, unter dem Einsatz von biologischen Komponennten (Bioverfahrenstechnik). Dabei werden insgesamt Techniken wie Enzyme Engineering, Metabolic Engineering, Bioprocess Engineering, Bioseperation Engineering verwendet.

• Rohstoffvorbereitung
• Apparatebau und Prozessdesign (Steriltechnik)
• Analyse und Modellierung biologischer Reaktionen
• Auslegung von Bioreaktoren
• Prozessführung (Mess- und Regelungstechnik)
• Produktisolierung
• Verfahrensintegration

Ein Fließgleichgewicht oder dynamisches Gleichgewicht ist ein stationärer Vorgang, bei dem fortgesetzt Substanzen, Teilchen oder Energie in ein System einströmen und in gleichem Maße wieder ausströmen.

Thermodynamisches Gleichgewicht bedeutet, dass kein Netto Stoff- und/oder Energieaustausch des Systems mit der Umgebung stattfindet. 

= die Molzahl der zur vollständigen Oxidation verfügbaren Elektronen pro Mol Kohlenstoff der jeweiligen Komponente.

• Elementbilanz
• Elektronenbilanz: Da bioch. Reaktionen in LM Wasser stattfinden, sind O2- und H2-Bilanzen messtechnisch nicht möglich. Hierfür wird Elektronenbilanz verwendet. 
• Energiebilanzen: Es müssen alle ein- und austretenden Energieströme erfasst werden. 

Wärmemenge, die von einem System bei einer Zustandsänderung unter konstantem Druck mit der Umgebung ausgetauscht wird.

H = U + p.V

*U... innere Energie

Enthalpieaenderungen: 

• Temperaturaenderung: Energie wegnehmen oder zuführen
• Phasenaenderung: Aenderung der Energie, die in intermolekularen WW gespeichert ist 
• Lösen oder Mischen: Freisetzung von Energie durch LM-Hülle
• Reaktion (exotherm oder endotherm)

Prozessgröße, die unabhängig vom Weg ist (Temperatur, Druck, Dichte, Enthalpie ...).

Arbeit ist dagegen keine Zustandsgröße, da die geleistete Arbeit davon abhängt, wie der aktuelle Systemzustand erreicht wurde.

Intensiv: unabhängig von der Masse im System (Temperatur, Dichte, ...)

Extensiv: abhängig von der Masse im System (Volumen, Energie, ...); diese sind damit als spezifische Größen darstellbar, bspw.: spezifische Enthalpie h, [h] = J g-1

=> Aenderung der Volumenstrom pro Zeiteinheit 

dV/dt = Vein'

V = Vein' * t + V0

M(C)=12,01 g/mol

M(N)=14,007 g/mol

M(O)=15,999 g/mol

M(H)=1,008 g/mol

M(C₆H₁₂O₆)=24,6 g/mol

M(CH_1.8O_0.5N_0.2) = 180 g/mol

Schubspannung:= Verhältnis von Schubkraft F zur Fläche A des Fluids, an der die Krat angreift (Schub: Itme)

Reibungsgesetz:= Zusammenhang zw. Schubspannung \(\tau\) und Geschwindigkeitsgradient

Newton`sche Fluid:= ein Fluid mit linearem Reibungsgesetz (linearer Zusammenhang zw. Schubspannung \(\tau\) und Geschwindigkeitsgradient du/dy) => seine Viskosität bleibt konstant bei zunehmenden Schergeschwindigkeiten (ergibt sich deshalb eine Gerade). 

Dynamische Viskosität (\(\eta\)):= Maß für die innere Reibung von realen Flüssigkeiten (Reibung zw. Flüssigkeitschichten)