Bioprozeßtechnik 1. Einführung in die Bioverfahrenstechnik

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1 Bioprozeßtechnik 1 Einführung in die Bioverfahrenstechnik Herausgegeben von Horst Chmiel Unter Mitwirkung von Michael Howaldt, Manfred Karl Otto, Harald Schnepple, Bernhard Sonnleitner, Werner Sternad und Eckehard Walitza 221 zum Teil farbige Abbildungen und 14 Tabellen Gustav Fischer Verlag Stuttgart

2 Inhalt Einleitung 1 1 Einführung in die Zellbiologie 5 (H. Chmiel) 1.1 Die Replikation von Biomolekülen Die Entstehung der ersten Zelle Die unterschiedlichen Evolutionsstrategien Prokaryonten '. ' Eukaryonten Die Organellen des Eucyten Die Zellfunktionen und Zellteilungen beim Eucyten Die sexuelle Fortpflanzung Klassifizierung einzelliger Eukaryonten Vom Einzeller zum Vielzeller 32 Literatur 33 2 Einführung in die Biochemie 34 (M.-K. Otto) 2.1 Bausteine der Zelle Größenverhältnisse Vom Grundbaustein zur Zellstruktur Biokatalysatoren Aufbau der Proteine Enzymkatalyse Coenzyme Zusammenhang zwischen Proteinstruktur und Funktion ph-abhängigkeit. ' Temperaturabhängigkeit Stoffwechsel Energieskala biologisch relevanter Energien Energietransport in der Zelle Kataboler Stoffwechsel Glykolyse Zellatmung Gärungen Regulation zellulärer Vorgänge Biologische Zeitkonstanten Grundmechanismen der Regulation Regelung auf der Ebene der Nucleinsäuren 67

3 X Inhalt Regelung auf der Ebene der Proteine Molekulare Schalter Feedback-Regulation Komplexe zelluläre Regelkreise Transientes Wachstumsverhalten Das Lactose-Operon Hormone, Wachstumsfaktoren Regulation der Glykose Gentechnologische Synthese von Biokatalysatoren Restriktionsenzyme DNA-Ligasen Vektoren Polymerase chain reaction Antisense DNA/RNA Klonierung eines Gens 83 Literatur 85 3 Enzymkinetik 86 (M. Howaldt, H. Chmiel) 3.1 Reaktionsmechanismen enzymatischer Ein-Substrat- Reaktionen Historische Entwicklung der Enzymkinetik Mathematische Herleitung der Michaelis-Menten- Gleichung Reversible Enzymreaktionen Bestimmung der kinetischen Konstanten Die Geschwindigkeitskonstanten der Elementarreaktionen Experimentelle Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit Bestimmung der K m - und v max -Werte über graphische Methoden Effektorkinetik Inhibitoren Aktivatoren Allosterie und Kooperativität Die Hill-Gleichung Ein einfaches allosterisches Modell Die MWC- und KNF-Modelle Einfluß der Umgebungsbedingungen Temperatureinfluß ph-wert und Ionenstärke 122

4 Inhalt XI Einfluß extremer Bedingungen Enzymreaktionen mit zwei Substraten Bestimmung der kinetischen Konstanten bei Mehr-Substrat-Reaktionen Lineare und nichtlineare Regression Stabilität der Enzyme Mechanismen der Proteindenaturierung Enzyminaktivierung durch mechanische Kräfte Enzyminaktivierung durch Temperaturerhöhung, ph-änderung oder Erhöhung der Ionenstärke Modellvorstellung für die Inaktivierung Enzym-Stabilisierung Immobilisierung des Proteins an oder innerhalb einer festen Matrix Zugabe stabilisierender Verbindungen Chemische Modifizierung des löslichen Proteins 138 Literatur Wachstum: Kinetik und Modelle 139 (H. Chmiel, B. Sonnleitner) 4.1 Ideale Prozesse zur Messung der Kinetik ,.1 Geschlossene Systeme Völlig offene Systeme Teiloffene Systeme Bioprozeßmodelle Das Monod-Modell Lösung des Prozeßmodells für den Satzbetrieb (batch) 154 Lösung des Prozeßmodells für kontinuierlichen Betrieb.159 Lösung des Prozeßmödelles für Zulaufverfahren (fed-batch) Verfahren mit Zellrückhaltung Erweiterungen und Modifikationen des Monod-Modells Produktbildung Erhaltungsstoffwechsel Alternative Formulierungen ,4 Inhibition ,5 Effekte von Temperatur und ph Wachstum filamentöser Organismen Methoden der Medienentwicklung Medienentwicklung - ein Analogieschluß Medienentwicklung im Satzbetrieb (Integralmethodik) 178

5 XII Inhalt Medienentwicklung im. Chemostat (Differential- und Integralmethodik) Transientexperimente und praxisrelevante Aussagen Populationsdynamik in Konkurrenzsituationen Umsatz in autokatalytischen Reaktionen 188 Literatur ' Rheologie von Biosuspensionen 191 (H. Chmiel, E. Walitza) 5.1 Die parallele Schichtenströmung Viskosimeterströmungen inkompressibler viskoelastischer Flüssigkeiten Die stationäre Rohrströmung Die Couette-Strömung 200 '5.2.3 Die Kegel-Platte-Strömung Mathematische Modellierung der stationär ermittelten Fließkurve Potenzansatz Polynomansätze Der Ansatz nach Casson Repräsentative Viskosität Das Rührer-Rheometer Die instationäre Scherströmung viskoelastischer Fluide Das sinusförmig oszillierende Scherexperiment Oszillierendes Scherexperiment in Rotationsviskosimetern Die oszillierende Rohrströmung Dehnströmungen Das Fließverhalten von Fermentationsbrühen Rheologisch relevante Parameter Stationäres Fließen ' Lineare Viskoelastizität Fließverhalten im Verlauf einer Fermentation 227 Literatur Transportvorgänge in Biosuspensionen 230 (H. Chmiel, E. Walitza) 6.1 Zur Maßstabsübertragung Leistungseintrag beim Rühren von Flüssigkeiten Leistungseintrag beim Rühren begaster und unbegaster Newtonscher Flüssigkeiten ' 239

6 Inhalt XIII Leistungseintrag beim Rühren begaster viskoelastischer Flüssigkeiten Zum Stofftransport in Biosuspensionen Sauerstoffeintrag in Fermentationsbrühen Sauerstoffeintrag in viskoelastische Biosuspensionen Einfluß des metabolischen Sauerstoffverbrauchs auf den Sauerstofftränsport Die Bestimmung des Sauerstoff-Transportkoeffizienten k,a' Bestimmung von kia' mittels der Sulfit-Methode Stoffübergang an einzelnen Blasen und.. Blasenschwärmen.. : : Zum Wärmeübergang im Bioreaktor Einfluß der Begasung auf den Wärmeübergang Viskoelastütät und Wärmeübergang 261 Literatur Bioreaktoren 268 (W. Sternad, H. Chmiel) 7.1 Allgemeines, Reaktortypen Rührkesselreaktoren Mischzeit Leistungseintrag Gasdispergierung im Rührkesselreaktor Stoffübertragung in STR Schlaufenreaktoren (SR) Prinzip des SR Ausführungsformen von SR Begasungseinrichtungen ' Auslegung von SR Möglichkeiten der Verbesserung des Stoffeintrags und des Betriebsverhaltens von SR Wirbelschichtreaktoren Vergleich von Bioreaktoren Schaumprobleme 307 Literatur Sterilisation und Steriltechnik 314 (H. Schnepple) 8.1 Die thermische Resistenz von Mikroorganismen Das Verhalten einer Population unter Hitzeeinwirkung 315

7 XIV Inhalt 8.3 Die Quantifizierung des Sterilisationsgrades Die Auslegung des Sterilitätskriteriums für einen Sterilisationsablauf Kontinuierliche Sterilisationsverfahren Sterilisation durch Dampfinjektion Sterilisation durch Wärmetauscher Die Sterilisation durch Filter Die Steriltechnik Der Aufbau von gerührten Laborreaktoren Die Funktion von Autoklaven (Dampfsterilisatoren) Der Aufbau von «in situ» sterilisierbaren Reaktoren Stutzen für Meßwertgeber Die Abtrennung des Reaktorinhaltes'von peripheren Leitungsbereichen Die Sterilisation der Zuluftstrecke Die Rührwellenabdichtung 334 Literatur Meß- und Regeltechnik an Bioreaktoren 343 (H. Schnepple) 9.1 Die Betriebsarten Sterilisation und Fermentation Messung und Regelung von Zustandsgrößen im Reaktor Aufbau einer ph-elektrode Die Messung des CO,-Partialdrucks im Medium Die ph-regelung Der Aufbau von Sauerstoffelektroden Die Regelung des Sauerstoffpartialdrucks Enzym-Sensoren Bestimmung der Zellmasse Die Messung der Fluoreszenz Analytik außerhalb des sterilen Bereichs Die Hochleistungs-Flüssigchromatographie Messungen in der Gasstrecke des Bioreaktors Die Bestimmung des Gasdurchsatzes Die paramagnetische Sauerstoffmessung Die Kohlendioxidmessung im Abgasstrom Massenspektrometrie 374 Literatur 377 Liste der Symbole 379 Sachregister 383