Zukunft sichern durch Nachhaltigkeit? Bioverfahrenstechnik bedeutet einen wichtigen Schritt auf dem Weg dorthin. Sie ersetzt klassische chemische Syntheseverfahren durch nachhaltige biologische Verfahren und vereint unterschiedliche Gebiete aus dem naturwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Bereich.

Mit diesem Buch wird allen, die an der Entwicklung biotechnologischer Prozesse beteiligt sind, ein Werk an die Hand gegeben, das die einzelnen Aspekte der Bioverfahrensentwicklung darstellt und zu einem Gesamtbild zusammenfugt: Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie und Biochemie sowie die ingenieurtechnischen Bereiche Elektrotechnik, Informatik, Steuerungstechnik, Maschinenbau und Verfahrenstechnik - jeweils aus dem Blickwinkel der Verfahrensentwicklung betrachtet.

Mit klaren, praxisorientierten Verfahrensbeispielen werden die beschriebenen Prozesse erklart. Im Vordergrund stehen dabei Verfahren, die in der Industrie eine wichtige Rolle spielen. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, die bei der Entwicklung eines Verfahrens schon im Anfangsstadium eine entscheidende Rolle spielen, ist ein ganzes Kapitel gewidmet.

Die zweite Auflage des Erfolgstitels von 2003 ist ein Muss fur alle Studenten der Biotechnologie und Verfahrenstechnik und das ideale Nachschlagewerk fur Ingenieure der Verfahrenstechnik, Biochemiker und Pharmazeuten.

Stimmen zur 1. Auflage:
'Das Buch ist ein nutzlicher Begleiter in der taglichen Praxis und kann sowohl als Lehrbuch wie auch als Nachschlagewerk verwendet werden.'

BIO WORLD, Dr. C. Andretta
'Dieses Buch richtet sich an alle, die einen Beitrag zur Entwicklung eines biotechnologischen Prozesses leisten mochten. Es informiert sehr ausfuhrlich uber die Bioverfahrensentwicklung und ermoglicht, sich ein Gesamtbild zu verschaffen. Es ist auch als Lehrbuch fur das Gebiet Bioverfahrenstechnik gut geeignet.'
F& S (Filtrieren und Separieren)

Prof. Winfried Storhas ist Professor fur Biotechnologie an der Hochschule Mannheim. Sein Forschungsinteresse gilt u.a. dem Modellieren
und Simulieren von Reaktionen, dem Up-Scaling und der Bioreaktorentwicklung, wobei ihm seine vor dem Studium erworbene siebenjahrige
Erfahrung im Maschinenbau bei der MAN in Augsburg und der Deutschen Werft in Hamburg zu Gute kommt. Professor Storhas studierte
zunachst Maschinenbau an der Fachhochschule Augsburg, dann Verfahrenstechnik an der Technischen Universitat Berlin. Anschlie?end arbeitete er 16 Jahre lang als Verfahrensingenieur bei der BASF in Ludwigshafen, wo er fur die Planung und Entwicklung von Anlagen fur biotechnologische Produktionsprozesse sowie fur Wirtschaftlichkeitsstudien fur bioverfahrenstechnische Prozesse verantwortlich war.

Dank für besondere Unterstützung bei der Neuauflage und bei der ersten Auflage V

Vorwort zur ersten Auflage XIX

Vorwort zur zweiten Auflage XXII

Formelzeichenerklärung XXIII

Indexerklärung XXIX

Abkürzungsverzeichnis XXXIII

1 Leistungsfähigkeit der Bioverfahrenstechnik 1

1.1 Allgemeine Betrachtungen 1

1.2 Einsatzfelder und Produktgruppen 2

1.2.1 Leistungsdarstellung der Bioverfahrensentwicklung 3

1.2.2 Bioverfahrensentwicklung in der Nahrungsmittelindustrie 5

1.2.2.1 Vorrangige Vorteile der Bioverfahrensentwicklung 5

1.2.2.2 Zunehmende Bedeutung der Bioverfahrensentwicklung 6

1.2.2.3 Einsatzgebiete 6

1.2.2.4 Einsatz von genetisch veränderten Mikroorganismen in der Nahrungsmittelindustrie 8

1.2.3 Gentechnologie 18

1.3 Voraussetzungen für den Einsatz der Bioverfahrenstechnik 18

1.3.1 Aufgaben der Forschung und Entwicklung 18

1.3.2 Optimierung der Verfahrensoperationen 19

1.3.3 Harmonisierung der Arbeitsgruppen 21

1.3.4 Integrierter Umweltschutz agierender Umweltschutz 22

1.4 Märkte und Marktanteile biotechnologischer Produkte 22

2 Arbeitsgebiete der Bioverfahrenstechnik 25

2.1 Einführende Betrachtungen 25

2.2 Stellung und Aufgaben der Mikrobiologie 26

2.2.1 Beschaffung und Auswahl eines potenziellen Produktionsstammes 27

2.2.1.1 Anreicherung und Isolierung 29

2.2.1.2 Screening 32

2.2.2 Stammentwicklung bzw. Stammverbesserung 34

2.2.3 Überproduktion von Metaboliten Stammentwicklung durch Metabolic Engineering 38

2.2.4 Haltung und Führung von Produktionsstämmen 43

2.2.4.1 Gefriertrocknung (Lyophilisation) 43

2.2.4.2 Tiefkühllagerung und Gefrierkonservierung 44

2.3 Stellung und Aufgaben der Molekularbiologie 46

2.3.1 Gentechnischer Zugriff auf Stoffwechselwege 46

2.3.2 Gentechnische Übertragung von Synthesepotenzialen 49

2.3.3 Expressionssysteme 51

2.3.3.1 Transkriptionsbestimmende Elemente 54

2.3.4 Produktionssysteme für rekombinante Proteine 56

2.3.5 Vor- und Nachteile gängiger Expressionssysteme 66

2.4 Stellung und Aufgaben der Zellkulturtechnik 69

2.4.1 Grundlagen der Zellbiologie 71

2.4.1.1 Cytologie 71

2.4.1.2 Zellorganellen 74

2.4.1.3 Extrazelluläre Matrix 78

2.4.2 Zellkulturen und Zelllinien 79

2.4.2.1 Primärkultur und primäre (adhärente) Zelllinien 79

2.4.2.2 Kontinuierliche Zelllinien 80

2.4.2.3 Organkulturen 82

2.4.2.4 Adhärente Zellkulturen: Microcarrier 82

2.4.2.5 Adhärente Zellkulturen: Roller Bottles 84

2.4.2.6 Suspensionskulturen 84

2.4.3 Rekombinante Proteinexpression in Säugerzellen 85

2.4.3.1 Expressionsvektoren 86

2.4.3.2 Episomale Vektoren 91

2.4.3.3 Stabile Transfektion und Amplifikation 92

2.4.3.4 Klonierung 94

2.4.3.5 Kryokonservierung und Zellbänke 98

2.4.3.6 Transiente Transfektion 98

2.4.4 Grundlegende Labortechnik 99

2.4.4.1 Subkultivierung von Zellen 99

2.4.4.2 Kontamination 102

2.4.5 Monitoring von Zellkulturen 104

2.4.5.1 Zellzahl und Vitalität 106

2.4.6 Medien für die Zellkulturtechnik 108

2.4.6.1 Entwicklung der Säugerzellmedien 109

2.4.6.2 Serumhaltige Medien 111

2.4.6.3 Seren 111

2.4.6.4 Serumfreie Medien 112

2.4.6.5 Puffersysteme: Natriumhydrogencarbonat 114

2.4.6.6 Puffersysteme: 4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinethansulfonsäure (HEPES) 115

2.4.6.7 Monitoring von Mediumsbestandteilen und Metaboliten 115

2.5 Stellung und Aufgaben der Biochemie 117

2.5.1 Merkmale von Stoffklassen und deren Eigenschaften 117

2.5.1.1 Aminosäuren 117

2.5.1.2 Proteine 119

2.5.1.3 Lipide 125

2.5.1.4 Kohlenhydrate 128

2.5.1.5 Nucleinsäuren 132

2.5.1.6 Vitamine/Coenzyme 134

2.5.2 Katabolische und anabolische Stoffwechselvorgänge 136

2.5.2.1 Enzymatische Katalyse 136

2.5.2.2 Regulation der Stoffwechselvorgänge 136

2.5.2.3 Untersuchung von Stoffwechselvorgängen 139

2.5.2.4 Stoffwechsel von Lipiden 140

2.5.2.5 Stoffwechsel von Proteinen und Aminosäuren 141

2.5.2.6 Stoffwechsel von Kohlenhydraten 144

2.5.3 Grundmechanismen der Energiegewinnung 148

2.5.3.1 Zentrale Rolle des Acetyl-CoA im Stoffwechsel 148

2.5.3.2 Tricarbonsäurecyclus und Oxidative Phosphorylierung 149

2.5.4 Stoffanalytik Hilfe für das Downstream-Processing 151

2.5.4.1 Analytische Methoden der Biochemie 151

2.6 Informatik Messen, Regeln und Steuern von Prozessen 153

2.6.1 Messgrößen Einflussgrößen Zielgrößen Monitoring 155

2.6.1.1 Primärparameter 156

2.6.1.2 Sekundärparameter 158

2.6.1.3 Zuordnung der wichtigsten Prozessgrößen 166

2.6.1.4 Monitoring 167

2.6.1.5 Offline-Monitoring 174

2.6.1.6 Berechenbare Größen 176

2.6.2 Regelalgorithmen und Automatisierung 181

2.6.2.1 Regelkonzepte Fuzzy-Logik, Prädikation, Neuronale Netze 181

2.6.2.2 Automatisierung und Automatisierungsgrad 184

2.6.3 Das Prozessleitsystem (PLS) 187

2.6.3.1 Anforderungen an das Prozessleitsystem 187

2.6.3.2 Beschreibung eines Prozessleitsystems 190

2.6.3.3 Aufbau von Steuerprogrammen 191

2.6.3.4 Menüanwahl/Programmablauf 192

2.6.4 Einführung in die Bioinformatik 195

2.6.4.1 Zum Begriff der Bioinformatik 195

2.6.4.2 Entwicklung der Bioinformatik 196

2.7 Stellung und Aufgaben der Verfahrenstechnik 197

2.7.1 Bedarf und Abbau von Mediumsbestandteilen 200

2.7.1.1 Bestandteile von Fermentationsmedien 200

2.7.1.2 Allgemeine Substratansprüche der Mikroorganismen 201

2.7.1.3 Substrate zur technischen Mikroorganismenzucht 203

2.7.1.4 Kohlenstoffquellen 203

2.7.1.5 Stickstoffquellen 204

2.7.1.6 Abbau und Verwertung der Substrate 205

2.7.1.7 Abbau von Proteinen und Nucleinsäuren 205

2.7.1.8 Abbau von Kohlenhydraten 207

2.7.1.9 Antibiotika und Induktoren 207

2.7.2 Versuchsplanung 208

2.7.2.1 Faktorielle Versuchsplanung 209

2.7.2.2 Statistische Versuchsplanung 211

2.7.2.3 Genetischer Algorithmus 216

2.7.3 Maßstabsübertragungsregeln 219

2.7.3.1 Grundsätzliches zur Ähnlichkeitstheorie 223

2.7.3.2 Modellgesetze 225

2.7.3.3 Verfahrenstechnische Primäraufgaben 227

2.7.3.4 Leistungsberechnung 230

2.7.3.5 Maßstabsvergrößerung von Rührwerkbioreaktoren 236

2.7.3.6 Synchronisierte Parallelfermentation 239

2.7.4 Bilanzierung und Transportmechanismen 243

2.7.4.1 Bilanzgleichungen 243

2.7.4.2 Transportvorgänge 245

2.7.4.3 Wärmeleitung 251

2.7.4.4 Stoff-, Wärme- und Impulstransport an Phasengrenzen 253

2.7.4.5 Wandlungsgeschwindigkeiten 255

2.7.4.6 Design von verfahrenstechnischen Apparaten 256

2.7.4.7 Umsatz, Ausbeute, Selektivität 266

2.7.5 Zufall und Statistik in der Verfahrenstechnik 267

2.7.6 Dimensionsanalyse 269

3 Mosaik der Bioverfahrensentwicklung 287

3.1 Verknüpfung aller Aufgabengebiete 289

3.2 Logistik 293

3.3 Einfluss auf die Ökologie 294

3.3.1 Bakterieller Aspekt 294

3.3.2 Stoffaspekte 298

3.4 Ringschlüssel 300

3.5 Behördenengineering: GMP-Richtlinien, Genehmigungsgrundlagen, Gesetze und Verordnungen 301

3.5.1 Allgemeine Informationen zu GMP 301

3.5.2 Planung, Ausrüstung und Layouten eines Wirkstoffbetriebes unter Maßgabe der Anforderungskataloge 302

3.5.3 Empfehlungen und Hilfestellungen zur Validierung 304

3.5.3.1 Begriffsdefinition und Zielsetzung 304

3.5.3.2 Qualifizierung 304

3.5.3.3 Durchführung 304

3.5.4 Gesetze zur Regelung der Planung und des Betriebs von bioverfahrenstechnischen Anlagen 306

3.5.4.1 Das Gentechnik-Gesetz und die Verwaltungsvorschriften (GentG, GenTSV) 307

3.5.4.2 Bau und Ausrüstung gem. Anh. IIIV GenTSV zu den Sicherheitsstufen 14 310

3.5.4.3 Anhang IV und V 325

3.5.5 Wichtige Internetadressen 325

4 Bioreaktionstechnik in Laborgefäßen 327

4.1 Allgemeine Betrachtungen 327

4.2 Beschreibung des kleinsten Bioreaktors 330

4.2.1 Geometrische Zusammenhänge 330

4.2.2 Unterscheidung von Kolbenreaktoren hinsichtlich des Energieeintrags 333

4.3 Leistungseintrag in Kolbenreaktoren 334

4.3.1 Untersuchungen zum Schüttelkolben (SK) 334

4.3.2 Korrelationsgleichungen zur Berechnung der Leistungsdichte 338

4.3.3 Leistungseintrag in ein Becherglas 343

4.4 Sauerstofftransferraten (OTR) in Kolbenreaktoren 346

4.4.1 Sauerstoffeintrag in den Schüttelkolben 347

4.4.1.1 Korrelationsgleichungen zur Berechnung des Sauerstoffeintrages 347

4.4.1.2 Untersuchungen zum Sauerstoffeintrag in Schüttelkolben 349

4.4.1.3 Ähnlichkeitstheorie beim Schüttelkolben 351

4.4.2 Sauerstofftransfer im Magnetfischkolben (Glasflasche) 353

4.4.3 Ähnlichkeitstheorie beim gerührten System (Glasflasche) 355

5 Upstream-Processing 357

5.1 Lagerung und Logistik 357

5.2 Anmaischprozesse 362

5.3 Konditionierungsprozesse 363

5.4 Reinigungsprozesse (CIP, cleaning in place) 368

5.5 Sterilisationsprozesse (SIP, sterilization in place) 376

5.5.1 Allgemeines 376

5.5.2 Sterilfiltration 377

5.5.3 Chemische und enzymatische Sterilisation 377

5.5.4 Inaktivierung durch Strahleneinwirkung 379

5.5.5 Hitzesterilisation 379

5.5.5.1 Ermittlung der Inaktivierungskinetik 380

5.5.5.2 Modell für eine Mischkulturkinetik 383

5.5.5.3 Mediumskriterium 388

5.5.5.4 Sterilisationsarbeitsdiagramm und Scale-up 392

5.5.5.5 Kontinuierliche Sterilisation (Durchlaufsterilisation) 395

5.6 Virusinaktivierung bei Pharmazeutika 401

6 Stoffumwandlung 405

6.1 Bildung der Biokatalysatoren (Zellwachstum) 405

6.1.1 Vermehrungsmechanismen 405

6.1.2 Phasen der Biokatalysatorbildung (Zellwachstum) 409

6.1.3 Modelle zur Beschreibung des Wachstums 412

6.1.3.1 Nicht strukturierte, verteilte Modelle 413

6.2 Beschreibung der Produktbildung 420

6.2.1 Allgemeines 420

6.2.2 Produktbildungsraten 424

6.3 Enzymkatalysierte biotechnologische Reaktionen 425

6.3.1 Inhibierung von Enzymen (Enzymhemmung) 427

6.3.1.1 Kompetitive Inhibierung 427

6.3.1.2 Unkompetitive Inhibierung 427

6.3.1.3 Nichtkompetitive Hemmung 428

6.3.1.4 Substratinhibierung 428

6.3.1.5 Allosterische Inhibierung (Hemmung) 428

6.3.2 Homogene Enzymkatalyse 428

6.3.2.1 Auslegung einer Enzymreaktion: Bestimmung der Enzymanfangsmenge 429

6.3.3 Heterogene Enzymkatalyse 431

6.3.3.1 Zylindrische Einzelpore 432

6.4 Sauerstoffversorgung eines Mycel-Pellets 437

6.5 Modellierung und Simulation 439

6.5.1 Voraussetzungen 439

6.5.2 Experimentalmethoden und Simulation auf einem PC/MAC 441

6.5.2.1 Batch-Fermentation 441

6.5.2.2 Fed-Batch-Fermentation 442

6.5.3 Stabilitätsprüfung von Gleichgewichtspunkten 444

6.5.3.1 Berechnung der Eigenwerte 446

6.5.3.2 Dynamisches Modell 449

7 Downstream-Processing 453

7.1 Mechanische Trennung 453

7.1.1 Filtration Mikrofiltration 454

7.1.1.1 Aufgaben- und Funktionsprinzipien 454

7.1.1.2 Verfahrens- und Betriebsweisen 455

7.1.1.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 458

7.1.1.4 Bauarten der einzelnen Typen 477

7.1.1.5 Auswahlkriterien, Einsatzbeispiele, Auslegungsbeispiele 480

7.1.2 Sedimentation 480

7.1.2.1 Aufgaben- und Funktionsprinzipien 480

7.1.2.2 Verfahrens- und Betriebsweisen 480

7.1.2.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 480

7.1.2.4 Bauarten von Sedimentationsanlagen 482

7.1.3 Flotationsprinzip 483

7.1.4 Zentrifugation 486

7.1.4.1 Aufgaben und Funktionsprinzipien 486

7.1.4.2 Verfahrens- und Betriebsweisen 486

7.1.4.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 487

7.1.4.4 Bauarten der einzelnen Typen 488

7.1.5 Ultraschallseparation 489

7.2 Zerteilung von Stoffen 493

7.2.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 493

7.2.1.1 Aufgabe der Desintegration 495

7.2.1.2 an den Zellaufschluss 496

7.2.2 Verfahren und Betriebsweisen 496

7.2.2.1 Aufschlussmethoden 497

7.2.2.2 Desintegration mittels Druckentspannung im Hochdruckhomogenisator (HDH) 497

7.2.2.3 Desintegration durch Prall-Druck-Zerkleinerung in einer Rührwerkskugelmühle (RKM) 498

7.2.2.4 Prinzip der Prall-Druck-Zerkleinerung 498

7.2.2.5 Einflussgrößen auf die Desintegration in der Rührwerkskugelmühle 499

7.2.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 500

7.2.3.1 Allgemeine Betrachtungen 500

7.2.3.2 Aufschlussgrad bei der Desintegration 501

7.2.3.3 Homogenisationsdruckdifferenz Dp 501

7.2.3.4 Zulaufkonzentration 502

7.2.3.5 Temperatur 503

7.2.3.6 Auslegung des Hochdruckhomogenisators 503

7.2.3.7 Rührelementeumfangsgeschwindigkeit 504

7.2.3.8 Größe der Mahlkörper 506

7.2.3.9 Dichte der Mahlkörper rMK 507

7.2.3.10 Mahlkörperfüllgrad 507

7.2.3.11 Design von Rührwerk und Mahlraum 508

7.2.3.12 Volumenstrom 508

7.2.3.13 Zulaufkonzentration und Temperatur 509

7.2.3.14 Auslegung der Rührwerkskugelmühle 509

7.2.4 Bauarten von Zerkleinerern 510

7.2.4.1 Hochdruckhomogenisatoren 510

7.2.4.2 Bauprinzip 512

7.2.5 Auswahlkriterien, Beispiele 512

7.2.5.1 Allgemeiner Überblick über Zerkleinerungstechniken 512

7.2.5.2 Praktische Beispiele zum Zellaufschluss 513

7.3 Vereinigung von Stoffen 513

7.3.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 513

7.3.2 Verfahren und Betriebsweisen 518

7.3.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 518

7.3.4 Bauarten von Mischsystemen 523

7.3.5 Auswahlkriterien, Beispiele 524

7.4 Wärmeübertragung 526

7.4.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 526

7.4.2 Verfahren und Betriebsweisen 528

7.4.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 528

7.4.4 Bauarten von Wärmeaustauschern 535

7.4.5 Auswahlkriterien, Beispiele 537

7.5 Thermische Trennung Destillation, Rektifikation 538

7.5.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 538

7.5.2 Verfahren und Betriebsweisen 539

7.5.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 543

7.5.4 Bauarten von Destillations- und Rektifikationsapparaten 548

7.5.5 Auswahlkriterien, Beispiele 550

7.6 Absorption 552

7.6.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 552

7.6.2 Verfahren und Betriebsweisen 553

7.6.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 555

7.6.4 Bauarten von Absorbern 561

7.6.5 Auswahlkriterien, Beispiele 562

7.7 Adsorption 563

7.7.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 563

7.7.2 Verfahren und Betriebsweisen 565

7.7.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 567

7.7.4 Bauarten von Adsorbern 569

7.7.5 Auswahlkriterien, Beispiele 570

7.8 Extraktion 571

7.8.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 571

7.8.2 Verfahren und Betriebsweisen 572

7.8.2.1 Wässriges Zweiphasensystem 576

7.8.2.2 Hochdruck-Mehrphasengleichgewichte 577

7.8.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 578

7.8.4 Bauarten von Extraktoren 582

7.8.5 Auswahlkriterien, Beispiele 583

7.9 Kristallisation 584

7.9.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 584

7.9.2 Verfahren und Betriebsweisen 585

7.9.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 588

7.9.4 Bauarten von Kristallisatoren 591

7.9.5 Auswahlkriterien 593

7.10 Trocknung 593

7.10.1 Aufgaben- und Funktionsprinzipien 593

7.10.1.1 Einführung 593

7.10.1.2 Funktionsprinzipien 594

7.10.1.3 Allgemeine Literaturhinweise zur Trocknungstechnik 596

7.10.2 Verfahrens- und Betriebsweisen 596

7.10.2.1 Konvektionstrocknung 596

7.10.2.2 Kontakttrocknung 597

7.10.2.3 Gefriertrocknung 597

7.10.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 597

7.10.3.1 Grundlagen 597

7.10.3.2 Vakuumkontakttrocknung 598

7.10.3.3 Konvektive Trocknung 599

7.10.3.4 Scale-up-Methoden und Produkteigenschaften 600

7.10.4 Bauarten von Trocknern 601

7.10.4.1 Einleitende Bemerkungen 601

7.10.4.2 Konvektive Trockner 601

7.10.4.3 Kontakttrockner 605

7.10.5 Auswahlkriterien, Vorgehen und Auslegung 607

7.10.5.1 Auswahlkriterien 607

7.10.5.2 Vorgehen bei der Verfahrensentwicklung 607

7.10.5.3 Scale-up über charakteristische Größen 608

7.11 In-vitro-Refolding 609

7.11.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 609

7.11.1.1 Gründe für Refolding 612

7.11.2 Verfahren und Betriebsweisen 614

7.11.2.1 Der Verlauf einer In-vitro-Renaturierung 614

7.11.3 Berechnungs- und Auslegungsdaten 616

7.11.3.1 Kinetische Konkurrenz zwischen Faltung und Aggregation 616

7.11.3.2 Molekulare Chaperone 616

7.11.3.3 Synthetische Faltungshilfsmittel 618

7.11.3.4 Konformationsspezifische Liganden 619

7.11.3.5 Lösungsmittelzusätze (Cosolvents) 620

7.11.3.6 In-vitro-Protein-(Rück-)faltung 621

7.11.4 Bauarten von Refolding-Operationen 623

7.11.5 Einige Aspekte aus kommerziellen Verfahren 624

7.12 Proteinaufreinigung und Chromatographie 625

7.12.1 Aufgaben und Funktionsbeschreibung 626

7.12.2 Verfahren und Betriebsweisen 627

7.12.2.1 Adsorptionschromatographie 629

7.12.2.2 Ionenaustauschchromatographie 630

7.12.2.3 Gelchromatographie (Gelfiltration) 632

7.12.2.4 Affinitätschromatographie 634

7.12.2.5 Verteilungschromatographie 635

7.12.2.6 Reverse-Phase-Chromatographie (RPC) 636

7.12.2.7 Elutionsvolumen 639

7.12.3 Betrieb von Chromatographieanlagen 639

7.12.4 Berechnungs- und Auslegungsdaten 640

7.12.5 Bauarten von Chromatographieanlagen 643

7.12.6 Auswahlkriterien, Beispiele 650

8 Integrierte Prozesse und Verfahrensentwicklung 653

8.1 Aufbau und Darstellung eines Prozesses 653

8.2 Vorgehensweise bei der Verfahrensentwicklung 660

8.2.1 Phasen der Bioverfahrensentwicklung 660

8.2.2 Miniplant-Technologie 662

8.2.3 Auswahl der Prozessführung 667

8.3 Sicherheitsaspekte bei der Verfahrensentwicklung 673

8.3.1 Nutzen und Gefahren der Gentechnologie 673

8.3.2 Sicherheitsbetrachtung 675

8.3.2.1 Konzept einer Sicherheitsbetrachtung 676

8.3.2.2 Sicherheitsbetrachtung in Form von Störfallszenarien 681

8.4 Prozessintegrierter Umweltschutz 684

8.4.1 Definition des Prozessintegrierten Umweltschutzes 684

8.4.2 Wärmeverbund als Integrationselement 685

8.4.3 Prozesstechnische Integrationselemente 689

8.4.3.1 Recycling als Umweltschutzmaßnahme 689

8.4.3.2 Abwasserentsorgung 690

8.4.3.3 Abgasbehandlung 691

9 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 695

9.1 Methoden zur Kostenanalyse eines Verfahrens 695

9.1.1 Strukturen von Kostenschätzungsmethoden 695

9.1.2 Produktionskostenschätzung 699

9.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mittels Short-cut-Methoden 707

9.2.1 Möglicher Aufbau einer Short-cut-Methode 707

9.2.2 Ermittlung der Ausgangssubstanzmengen 710

9.2.3 Entsorgungsbilanz 711

9.2.4 Abschätzung des Energiebedarfes 711

9.2.4.1 Abschätzung des Dampfbedarfes 711

9.2.4.2 Abschätzung des Strombedarfes 712

9.2.4.3 Abschätzung des Kühlwasserbedarfes 713

9.2.5 Personalplanung 714

9.2.6 Short-cut-Apparateauslegung zur Apparatekostenschätzung 715

10 Verfahrensbeispiele 721

10.1 Einleitung 721

10.2 Allgemeine Prozessschemata 724

10.2.1 Upstream- und Reaktionsmodule 724

10.2.2 Produktion eines gelösten, extrazellulär exprimierten Produktes 728

10.2.3 Produktion eines gelösten, intrazellulär exprimierten Produktes 731

10.2.4 Produktion eines ungelösten, intrazellulär exprimierten Produktes 732

10.2.5 Produktion eines ungelösten, extrazellulär exprimierten Produktes 736

10.3 Auslegungsbeispiel: b-Galactosidase 737

10.3.1 Fermentative Herstellung von b-Galactosidase 738

10.3.1.1 Prozessbegleitendes Monitoring 744

10.3.1.2 Sauerstoffaufnahmerate (OUR), CO2-Bildungsrate (CPR) und Respirationskoeffizient (RQ) über Fermentationszeit 750

10.3.1.3 Bestimmung der maximalen spezifischen Wachstumsrate max 752

10.3.1.4 Berechnung der Ertragskoeffizienten 752

10.3.1.5 Berechnung des kL·a-Wertes 753

10.3.1.6 Diskussion der Ergebnisse und Fehlerdiskussion 754

10.3.2 Aufarbeitung der fermentativ gewonnenen b-Galactosidase 755

10.3.2.1 Ernte und Abtrennung der Biomasse 756

10.3.2.2 Zellaufschluss 757

10.3.2.3 Extraktion 759

10.3.2.4 Aufkonzentrierung 761

10.3.2.5 Gelchromatographie 762

10.3.2.6 Ermittlung der Gesamtausbeute 763

10.3.3 Wirtschaftlichkeit 763

10.3.3.1 Apparate- und Maschinenauslegung 765

10.3.3.2 Energiebetrachtungen 785

10.3.3.3 Strom 786

10.3.3.4 Ermittlung des Kühlwasserbedarfs 789

10.3.3.5 Ermittlung der Stoffströme 791

10.3.3.6 Ermittlung der Abwasserstoffströme 791

10.3.3.7 Apparateliste mit Ermittlung der Investitionen 791

10.3.3.8 Ergebnisdarstellung 795

10.3.3.9 Diskussion 795

Stichwortverzeichnis 809