Biotechnologische Produktionsverfahren

• Batch
• Kontinuierlich
• Fed Batch

• Geschlossenes System

  • Konstantes Arbeitsvolumen

  • Ernte bei max. Zellzahl oder Produktekonzentration

• Vorteile

  • Einfach und flexibel

• Nachteil

  • Geringe Raum-Zeit-Ausbeute

  • Probleme bei Prozessen mit Substrat- oder Produkteinhibierung

    • Inhibierung: wegen zu viel Substrat wachsen MO nicht mehr (Zucker in Konfi)

    • Grund für geringe Raum-Zeit-Ausbeute

• Konstantes Arbeitsvolumen

• Prozess beginnt als Batch bis gewünschte Zellkonzentration erreicht

• Danach Umstellung auf kontinuierliche Medienzulauf und kontinuierliche Entnahme von Material

• Verfahren ohne Zellrückhaltung **

• Verfahren mit Zellrückhaltung **

• Vorteile

  • Hohe Raum-Zeit-Ausbeute

  • Kleinere Bioreaktoren und tiefere Investitionskosten bei Verfahren mit Zellrückhaltung **

  • Gleicht negative Aspekte von Batch aus

• Nachteile im Vergleich zu Batch

  • Teurer

    • Höherer apparativer Aufwand

    • Höherer Naehrmedienverbrauch

    • Höhere Aufarbeitungskosten (Produkte-Konz. Ist nicht sehr hoch)

  • Moeglicher Auswascheffekt oder Naehrstofflimitation bei zu hoher oder zu tiefer Verduennungsrate

  • Schwierigere Zulassung

• Häufig in Industrie

• Höhere Lebendzelldichte und Produkteausbeute als Batch

• Varianten

  • Arbeitsvolumen vergrössert (Feeding)

  • Arbeitsvolumen konstant (Feeding und Austausch)

  • Repeated Fed batch **

    • Nach fed batch-Phase wird Zellsuspension teilweise geerntet und Reaktor mit frischem Medium aufgefüllt

  • Vorteile

    • Regulation Wachstumsrate

    • Produziert hoehere Endkonzentrationen an Biomasse verglichen zu Batch

    • Verhinderung Substratinhibierung durch niedrige Substragtkonz.

    • Weniger teuer als Kontinuierliche Methode

    • Vereinigt Vorteile des kontinuierlichen Betriebs mit der Batch-Methode

    • Nachteil

      • um Eduktkonzentration konstant zu halten, sind zusaetzliche Amaturen erforderlich

• Biokatalysator

  • Katalysieren Substrat und stellen so ein Produkt her

    • MO

    • Enzyme

    • Pflanzliche, animale und humane Zellen

  • Substrat

    • Einfache Substrate

      • Glucose, Sacsharose

      • Mischsubstrate und komplexe Substrate **

        • Blut

        • Inhalt von Mischsubstrate nicht genau bekannt

  • Produkt

    • Von Biokatalysator umgesetztes Substrat

      • Biomasse

      • Primär-/ Sekundärmetabolite

• API-Herstellung (API = Aktive pharmazeutische Wirkstoffe)

  • Upstream (vorbereitenden Maßnahmen für die Fermentation)

    • Medienherstellung

    • Inokulumproduktion (= Menge an Zellen mit der Fermenter angeimpft wird)

      • Fermentation

  • Downstream (=Abtrennung von Fermentationsprodukten aus einer Fermentationsbrühe)

    • Zellseperation

    • Pufferherstellung

      • Isolation / Aufkonzentrierung

      • Reinigung

  • Drug Substance

• Pharmazeutische Herstellung **

  • Endformulierung und Abfüllung

    • Formulierung **

    • Dosierung

  • Kennzeichnung und Verpackung

    • Kennzeichnung

    • Verpackung

  • Drug Product

• Emersverfahren

  • Züchtung von Biokatalysatoren auf der Oberfläche

  • Festes Medium

    • Petrischalen mit Festmedium

    • Essigproduktion

• Submersverfahren

  • Züchtung von Biokatalysatoren im Nährmedium

  • Flüssiges Medium

    • Schüttelkolben mit Flüssigmedium

    • Penicillin, EPO-Produktion

  • Vorteile

    • Verwendung grösserer Produktionsvolumina

    • Bessere Mechanisierung und Automatisierung des Prozessablaufes möglich

    • Möglichkeit der Realisierung kontinuierlicher Verfahren garantiert

• Reinigen

  • Sieben, Filtrieren

• Mischen

  • Lösen, Rühren, Homogenisieren, Dispergieren, Suspendieren

• Sterilisieren

  • Thermisch, mechanisch, chemisch

• Übertragung der Produktion von einem kleinen aud einen grossen BR

• Es braucht Zwischenschritte vom Klein- zum Gross-Reaktor, da es sonst sehr lange dauern würde bis etwas wächst resp. bei tierischen Zellen gar nichts wachsen würde

• Feststoff-Flüssigtrennung

  • Filtrieren, Sedimentation, Zentrifugation

• Zellaufschluss

  • Intrazelluläre Produkte

  • Braucht viel Energie (Wärme) und ist meist schädlich für Produkte

• Anreichern

  • Extrahieren, (Verdampfen)

• Reinigen

  • Chromatographie, Dialyse (Filtrationsmethode)

• Trocknen

• Aufarbeitungskosten

• Absolute Sterilität (Mikrobio)

  • Frei von vermehrungsfähigen Keimen

• Praktische Sterilität (LM)

  • Reduzierung der Keimzahl bei Ausschluss sämtlicher pathogenen Keime

• Sterilisieragens / Sterilisiermittel

  • Reagens des Sterilgutes

    • Dampf => Schmelzgefahr bei Plastik

    • Strahlen

    • Filtermedien

    • Hochdruck

• Sterilgut

  • Zu sterilisierende Substanz oder Anlage

• Sterilisationsgrad

  • Endkeimgehalt nach ausgefuehrter Sterilisation

==> in der BT wird ein wirtschaftlich vertretbaren Sterilisationsgrad genutzt

• Sterilisation mit feuchter und trockener Hitze

• Sterilfiltration

• Strahlensterilisation

• Mikrowellensterilisation

  • Für Glasbehältnisse um Pharmabereich

• VHP-Sterilisation

  • Gasförmiges Wasserstoffperoxid

  • Für Glasbehältnisse um Pharma- und Medizinbereich

• Pascalieren

  • Bei LM

  • Denaturierung von Proteinen bei Schonung von Vitaminen und Aromastoffen

• Dampf => feuchte Hitze

  • Denaturierung von Proteinen

• 121 Grad, 15 bis 20 min

• z.B. Autoklav, in situ Sterilisation

• am haeufigsten in BT

• Nachteil

  • Hoher Energieverbrauch

  • Alterung

  • Vitaminzerstörung

  • Farbveränderung

  • Batch

• High Temp. Short Time

• Dampf

• 140-160 Grad, Milisekunden bis 180s

• Wärmetauscherdurchlaufsterilisator

  • Vorwärmer, Hocherhitzer, Heisshalter und Kühler

• Vorteile

  • Schonend

  • Kontinuierlich für wasserähnliche Substanzen und Flüssigkeiten

• Filter bzw. Filterschichten als Sterilagens

  • Filter mit unterschiedlicher Porengrösse => je nach Porengrösse können Stoffe oder MO abgetrennt werden

  • Art des Filters (Material und Porengrösse) ist von Sterilisiergut abhängig

  • Vorteile

    • Kürzer

    • Schonender

    • Kontinuierlich

    • Schonend

    • Für wasserähnliche Substanzen und Flüssigkeiten geeignet

    • Batch und kontinuierlich realisierbar

• Direk

  • Lebendzellzahl bestimmen

  • Keimidentifikation und Infektionsgrad bestimmen

  • Standartmethode

    • Plattenkulturverfahren

    • Membranfiltartion

    • MPN-Verfahren

    • MPN-Verfahren (most probable number => Statistisches Vefahren)
• Indirekt

  • Schnelltestmethode

    • Trübung

    • Geruch

    • pH

    • Leitfähigkeit

    • ATP-Gehalt

  • Kontaminationsgrad über Infektionsindikator bestimmt

    • Zugabe Indikatormedium

• Konventionell

  • Kein Universalmedium

  • Optimale Inkubationszeit unbekannt

  • Optimale Inkubationstemperatur unbekannt

  • Es wird geprueft, ob innerhalb von 48h etwas wächst => wenn nicht, kann von Sterilität ausgegangen werden

• Mit Bioindikator

  • Einsatz von Sporen bildender, thermoresistenter Organismen

  • Geobacillus stearothermophilus

  • Optimale Kultivierungsbedingungen bekannt

  • Keim wird bewusst zuerst zugegeben und dann geschaut, ob es abgetötet werden konnte mit Sterilisationsverfahren

  • Wird nur am Anfang bei Einführung einer neuen Anlage gemacht

  • Bioindikator meist Sporenbildner, welcher bei korrekter Sterilisation abgetötet wird

• Produktionsverfahren
  • Monokulturen von MO oder Zellkulturen
  • sterile Bedingungen
  • Semikontinuierlich
• Entsorgungsverfahren
  • Mischkulturen
  • Unsteril
  • Kontinuierlich