Einführung in Biotechnologie - ftp.tugraz.at Einfuehrung... · Biotechnologie Produkte mit...
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Einführung in Biotechnologie
Literatur:
Antranikian: Angewandte Mikrobiologie, Springer 2006
Renneberg: Biotechnologie für Einsteiger, Elsevier Spektrum, 2006
Thieman, Paladino: Biotechnologie, Pearson Studium, 2007
Brock: Mikrobiologie, Pearson Studium, 2007
Unterlagen:
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BiotechnologieProdukte mit lebenden Organismen
oder Teilen davon herstellen
Enge Definition Industrielle Produktion in Bioreaktoren - Mikroorganismen, Zellkulturen Enzymtechnik und Biokatalyse - Enzyme
Breitere Definition Spezifisch modifizierte Pflanzen und Tiere als Produzenten (Transgene Organismen) Direkte medizinische Applikationen (z.B. Gentherapie) Bio-Nanostrukturen
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Molekulare BiotechnologieEngineering von Biosystemen
Zell-EngineeringStoffwechsel-Engineering
Protein-Engineering
BioprozesstechnikEngineering von Produktionsverfahren
ProzessentwicklungReaktionstechnik
Aufarbeitungstechnik
BIOTECHNOLOGIE
Integrierte Vernetzung
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Biowissenschaften
Biochemie(Mikro)biologieMoleklarbiologie
(Molekular)GenetikGentechnik
Ingenieurwissenschaften
BiopozesstechnikBioverfahrenstechnikAnlagenbau
Naturwiss. Grundlagen
MathematikPhysik
Chemie
Informationswissenschaften
BioinformatikDatenmanagement
ModellierungWirtschftswissenschaftenÖkonomie
UmweltwissenschaftenÖkologie
Biotechnologie – Interdisziplinäre Wissenschaft
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Bio-
techno-
logie
Gentechnik
Zellkultur- & Zellfusionstechnik
Biosensorik
StrukturbiologieMol. Modeling
Gen-Prote- omicsMetabol-
Bioprozesstechnik
Elektronik
Software
Neue Materialien
Nanotechnologie
InnovationsfelderModerner Technologien
Biotechnologie - Frontfelder
Zell-Protein- Engineering
Systems Biotechnology
SyntheticBiotechnology
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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)
– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]
•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]
•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]
•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]
•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]
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Klassische Biotechnologie
EmpirieGefühlErfahrung
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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)
– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]
•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]
•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]
•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]
•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]
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Luis Pasteur1884 Mikroorganismen
sind für Gärvorgänge verantwortlich
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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)
– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]
•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]
•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]
•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]
•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]
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Gregor MendelUm 1860 Gene bestimmen
Eigenschaftenvon Lebewesen
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Geschichte der Biotechnologie•Prä-Pasteur-Ära(vor 1865)
– unbewusste Nutzung v. Mikroorganismen bei der Nahrungsmittelherstellung [Gärungen –Wein, Bier, Essig, Käse, Sauerteig, Joghurt]
•Pasteur-Ära(1865 –1940)– Verfahren ohne absoluten Ausschluss von Fremdkeimen [Fermentation (Butanol,Aceton, Ethanol), Oberflächenkultur (Citronensäure), Biomasse (Bäckerhefe, Futterhefe)]
•Antibiotika-Ära(1940 –1960)– Steriltechnik und selektionierte Stämme [Submers-Verfahren (Penicillin), tier. Zellkultur [Virus-Impfstoffe], Biotransformationen [Cortison, Vitamin B12, Ovulationshemmer)]
•Post-Antibiotika-Ära(1960 –1975)– Bioprozesstechnik (Reaktorform, Immobilisierung, Steuerung, etc) [SCP, Enzyme (Waschmittel), Polysaccharide (Xanthan), Fructosesirup, Biogas, Industrie-Alkohol]
•Neue Biotechnologie(1975 -) – Gezielte Optimierung von Biosystemen [Hybridoma-Technik (MAK); rekombinante Proteine (Insulin, Impfstoffe), etc.]
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Biotechnologie in Österreich
Intercell > 100 Gentechnische Impfstoffe
Sandoz
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GENOM
METABOLOM
PROTEOM
ORGANISMEN
Moderne Biotechnologie Knowledge based
TRANSKRIPOM
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Die Zellfabrik
ProteineEnzyme
DNA
Steuerzentrale
Produktionsstätte
Moderne Biotechnologie Knowledge based
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Substrate(Futter z.B. Zucker)
Gene
Produkt(z.B. Penicillin)
Enzyme
S CBA D
G
F
Zelle - Funktion
E1
E7
E5
E2 E3
E6
E8
E4
P
MetaboliteProteine
E
Umwelt
Zellbauteile
Zellbau-teile+/-
+/-
Moderne Biotechnologie Knowledge based
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Natur
Breite Biodiversität
1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen ProzessesSuche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur
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1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen ProzessesSuche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur
Genutzte Biosysteme in der Biotechnologie
Mikroorganismen
BakterienMilchsäurebakterienCorynebakterienStreptomycetenBacilliEscherichia coli
PilzeHefen(S. cerevisiae, P.pastoris)Filamentöse Pilze(Aspergillus sp., Penicillium chrysogenum)
Algen
Pflanzen
Zellkulturen KalluskulturenTransgene Pflanzen
Tiere
Zellkulturen Insektenzellen Säugerzellen (CHO)
Transgene Tiere
Enzyme Enzymtechnik & Biokatalyse
Isolierte Enzyme
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1. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen ProzessesSuche nach geeigneten Organismen in der Biodiversität der Natur
Definierte Biologie = Reinkulturen
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2. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses
Entwicklung des biologischen Systems
Aus der Natur isolierte Stämme sind zwar fähig, gewünschtes Produkt herzustellen aber meist sind viele Parameter nicht zufriedenstellend
z.B.:WachstumsverhaltenProduktbildungVerwertung von NährstoffenBildung von NebenproduktenGenerelle Prozesseigenschaften
Physiologische Bedingungen Genetische Optimierung
Laborverfahren
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3. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses
Prozessentwicklung
Upstream ProzesseMedienaufbereitungSterilisationImpfgutherstellung
Downstream ProzesseZellabtrennungZellaufschlussProduktisolierungProduktreinigungKonfektionierung
Bioreaktor
Bioprozess
Scale – up
Laborverfahren Pilot Plant Produktionsanlage
NebenprozesseKühlsystemeLuftversorgungLagerhaltung
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Abfolge eines BioprozessesKulturführung
Upstream ProzesseMedienaufbereitungSterilisationImpfgutherstellung
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3. Schritt zur Etablierung eines Biotechnologischen Prozesses
Prozessentwicklung
Upstream ProzesseMedienaufbereitungSterilisationImpfgutherstellung
Downstream ProzesseZellabtrennungZellaufschlussProduktisolierungProduktreinigungKonfektionierung
Bioreaktor
Bioprozess
Scale – up
Laborverfahren Pilot Plant Produktionsanlage
NebenprozesseKühlsystemeLuftversorgungLagerhaltung
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Bioreaktor – System zur kontrollierten Züchtung von Mikroorganismen und Zellkulturen
Down-stream
Upstream
Aus : Renneberg, Biotechnologie für Einsteiger
Nährstoffe, Impfgut
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Downstream ProzesseZellabtrennungZellaufschlussProduktisolierungProduktreinigungKonfektionierung
Zellabtrennung
FiltrationZentrifugation
ZellaufschlussHochdruckhomogenisatoren
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Wachstum von Mikroorganismen Produktion der Biomasse
Biomasse Produkt Biomasse biokatalytische Kapazität
Produktbildung
Für den Bioprozess wichtige Phasen im Biosystem
Metabolische FähigkeitenGenexpression
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Wachstum von Mikroorganismen
Einzellig- symmetrisch- asymmetrisch- Kettenwachstum
Hyphenwachstum- mehrkernig- septiert
Flockenbildung
Pelletbildung
Biofilme
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Wachstum von Mikroorganismen
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Exponentielles Wachstum Substrat-limitiertes Wachstum
Wachstum von Mikroorganismen
Monod
X = Biomasse N = Zellzahlµ = spez. Wachstums-
rate
dN dt = µ N
dX dt = µ X
dX dt = µX
1*
Integration
X X0
= µ . t ln X X0 . e=µ . t
Verdoppelungszeit
2 X0
X0
= µ . τln ln 2 µ
= τ
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[X] [X]
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Zuwachs - Absterben
= spez. Absterberate
Wachstum –Temperaturabhängigkeit
dX dt = µ X X-
ln µ
1/ T
µ = A . e RT
Ea
= A* . e RT
Ea*
Absterben Wachstum
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Wachstum von Mikroorganismen
Experimentelle Bestimmung
Zellzahl (nur einzellige Organismen)Thoma Zählkammer (mikroskopisch)Cell Counter CFU (colony forming units)
Biomasse (direkte Verfahren)ZTM (Zelltrockenmasse) ZFM (Zellfeuchtmasse)Frischvolumen (Zentrifugation)
Probleme: Feststoffe in Medium
Biomasse (indirekte Verfahren)Optische Dichte (Trübungsmessung)Stoffwechselparameter (z.B. dO2/dt, dCO2/dt, dpH/dt etc.)Zellinhaltstoffe (z.B. DNA, RNA, ATP, N-Gehalt, Proteingehalt etc.)
Probleme: Abhängigkeit von physiolg. Zustand der Biomasse
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Produktbildung
Wachstumsassoziiert
dP dt =
µ X
YP/S
Nicht assoziiert