Einführung, Geschichte der Biotechnologie Allgemeine ... · Aufarbeitung und Meßtechnikund...

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Themen der Vorlesung Bioprozesstechnik Chemie

Einführung, Geschichte der BiotechnologieAllgemeine Mikrobiologie (Dr. Stahl)EnzymkinetikEnzymtechnik Zellwachstum Grundlagen Zellwachstum in ReaktorenAufarbeitung und Meßtechnik und Aufarbeitung

Thomas Scheper TCITCITCI Institut fürTechnische Chemie

Seminar (3-stündig) ab 6 oder 7. Woche:Biotechnologische ProzesseChemometrie und DoEModelle

Skript unter: www.tci.uni-hannover.de

1 stündig donnerstags 12.00-13.00 Übung

Wie erreiche ich die Dozenten?

Allgemeine Dinge: Sekretariat (1.Stock) Frau AlicSonst per email: NAME@iftc.uni-hannover.de

Skripte:

unter: www.tci.uni-hannover.de

unter: www.tci.uni-hannover.deweiter zu Studium, Skripte

Praktikum:

Frau Weiß erster Stock, Altbau, Callinstr. 5

Prof. Hitzmann

Dr. Beutel

Prof. Bahnemann

Dr. Stahl PD. Kasper

Prof. Bellgardt

Prof.Scheper

“Einsatz biologischer Prozesse im Rahmen technischer

Verfahren und industrieller Produktionen“

Biotechnologie

Die Biotechnologie ist die anwendungsorientierte Wissenschaft

der Mikrobiologie, Biochemie und Molekularbiologie in enger

Verbindung mit der Technischen Chemie, den

Ingenieurwissenschaften, der Physik und der Mathematik.

Die Farben der Biotechnologie

Weisse Biotechnologie (industrielle BT)

Grüne Biotechnologie (landwirtschaftliche BT)

Blaue Biotechnologie (marine BT)

Rote Biotechnologie (medizinische BT)

“ Texitur omnis madente tabula Nili aqua: turbidus liquor vim glutinis praebet. In rectum primo supina tabulae schida adlinitur longitudine papyri quae potuit esse resegminibus utrimque amputatis, traversa

postea crates peragit.”

Plinius der Ältere 23-79 n. Chr.; Naturalis historiae, XIII,

“....Alles Papier wird mit einer mit

Nilwasser durchfeuchteten Tafel

bereitet: die trübe (modrige)

Flüssigkeit hat die Wirkung eines

Leimes. Zuerst wird eine aufrechte

Lage auf die Tafel aufgetragen.... ”

Geschichte der Biotechnologie

Empirische Biotechnologie

ca. 4000 v. Christus: Bier, alk. Getränke, Babylonien, Sumer, Ägypten

und älter: Brot (Sauerteig) Ägypten, Essiggärung aus vergorenen Säften

Käse, Yoghurt/Sauermilch

400 v. Chr.: Gezielte Essigherstellung in Ägypten

Mittelalter: Erste industrielle Techniken: Ethanolgewinnung, Ledergerberei,

technische Essigherstellung

1650 Künstliche Champignonzucht in Frankreich

Übergang zur klassischen Biotechnologie

19. Jahrhundert: Milchsäureproduktion, Abwasserreinigung, Backhefeherstellung

1875: Milchsäuregärung Pasteur

1911: Otto Röhm, älteste Patent zum Enzymeinsatz (Pankreas-Extrakt zu Lederbeize), Waschmittel

1915/16: Butanol, Aceton, Glycerin

1920: Zitronensäureherstellung

Moderne Biotechnologie

2. Weltkrieg: Antibiotikaherstellung

1953 Watson und Crick, Doppelhelix

1973 Gentechnik (Cohen und Bayer)

1982 Humaninsulinvariante von Genentech erhält FDA-Zulassung

1994 Zulassung der Flaver Saver Tomate in den USA

1997 Clonschaf Dolly wird vorgestellt

Ist die Biotechnologie

wirtschaftlich eine Größe??

DNA-Sonden

C-C-G-G-T-A-C

Label (z.B. Fluoreszenz)

-A-A-G-G-C-C-A-T-G-T-T

- Genomabschnitt -

Einsatzgebiete der modernen Biotechnologie

− Pharmazeutica (Diagnostica, Therapeutica)

-Antibiotica (z.B. Penicillin), körpereigene Proteine, Impfstoffe

- Lebensmitteltechnik

- Hefeproduktion, Aromen, krankheitsresistente Pflanzen, Novel food (z.B. lunch-box-food)

- Umwelttechnik

- mikrobieller Schadstoffabbau

- Pflanzenschutz/Landwirtschaft

- biosynthetische Herbizide/Pestizide, nachwachsende Rohstoffe

- Rohstoffumwandlung

- Stärke-, Celluloseverzuckerung

- technische Hilfsstoffe

- Waschmittelenzyme, organische Säuren (Zitronensäure)

- Energiegewinnung

- Biogas, Biotriebstoffe

Energiefragen

Das Erdölzeitalter

0 500 1000 1500 2000 2500

Von der Petrochemie zur BiotechnologieVon der Petrochemie zur BiotechnologieWandlung zur Biobased SocietyWandlung zur Biobased Society

Gegenwärtige Wertschöpfungsketten:Gegenwärtige Wertschöpfungsketten:

Erdölbasierte Chemikalien zu EndproduktenErdölbasierte Chemikalien zu Endprodukten

Wertschöpfungsketten in der Biobased Society:Wertschöpfungsketten in der Biobased Society:

Biomasse Biomasse zu Endproduktenzu Endprodukten

Essigsäure

Chlorierung

Chloressigsäuren

Acetoxylierung

Vinylacetat

Veresterung

Acetate

Dehydrati-sierung

Essigsäure-

Sonstiges

Salze, Dünnsäuren

Erdöl Naphta

SynthesegasMethanol

Nachwachsende Rohstoffe

Fermentation

Erdgas Kohle

Vitamine, Coffein,Pharma-zeutika,Herbizide

Textilaus-rüstung,

Kunststoffe, Lebensmittelzusätze

Carboxy-methyl-cellulose

Polyvinylacetat,-acetal, -alkohol

Kunststoffe,Leime, Textilaus-rüstung, Binder, Lacke, Folien

Lösemittel,Weichmacher

Extraktionsmittel,Riechstoffe

Essigsäure-anhydrid

Diketen,Acetessig-säuren

Farbstoffe,Pharmazeutika,

Insektizide, Sorbin-säure

Dünnsäuren

TH-Produkte,Polyesterroh-stoffe, Kon-servierungs-,Beizmittel

Erdöl3600 Mrd. Liter/a

Nutzung des Erdöls

Energetische Nutzung

Stoffliche Nutzung

5-7%93-95%

Biomasse Mobilität („flüssige Energie“)

Schiff

Flugzeug

Die Sonneneinstrahlung auf die Erde liefert 3,9·1024 J

pro Jahr. Bei einem Primärenergieverbrauch von

4,45·1020 J weltweit also ca. 8500 mal mehr als

verbraucht wird.

- Einstrahlung

- Nur ein Teil des Spektrums wird genutzt

- Reflektion an Pflanzenblättern

- Wärme- und Absorptionsverluste

1000 kJ

470 kJ

420 kJ

350 kJ

- “Biochemische“ Energieverluste

- Verluste durch Zellatmung

60-90 kJ

30-60 kJ

Biomasse(4,5% theoretisch, 1% realistisch)

Fazit:

Über die Photosynthese

werden nur maximal 1%

der einfallenden Licht-

energie in Biomasse

gespeichert!

In Deutschland fallen pro Jahr im Mittel 3,6·109 J

Sonnenenergie pro m2 ein, davon können 1% in Biomasse

Landfläche Erde: 1500·107 haLandfläche Deutschland: 3,6·107 haAckerfläche Erde: 150·107 haAckerfläche Deutschland: 1,5·107 ha

Sonnenenergie pro m2 ein, davon können 1% in Biomasse

gespeichert werden.

Auf der gesamten Landfläche ließen sich dann 13·1018 J

speichern. Das sind 88% des Primärenergiebedarfs (nur

Ackerfläche 37%).

Solarzellen

Eine gute Solarzelle setzt ca. 15% der

einfallenden Lichtenergie in Strom um!

Photovoltaik Biomasse

Um 3,6·109 J zu erhalten, benötigt man folgende

Fläche:

Photovoltaik: 7,5 m2

Biomasse: 257 m2

Also ca. 40% des Weltprimärenergieverbrauchs.

Weltweit gibt es 1,5 Milliarden Hektar Ackerfläche.

Bei einem mittleren Ertrag von 130 GJ pro ha (Biogas) ergibt

sich ein weltweites Potential zur Bioenergiegewinnung von 1,9 ·1020 J.

Wie weit kommen wir mit Energie aus Biomasse ?

Zur Ernährung der wachsenden

Weltbevölkerung müssen bis 2020

weltweit etwa 35% mehr Lebens-

mittel produziert werden. Eine

Expansion der Ackerfläche ist nur

begrenzt möglich.

Umweltbiotechnologie

Bulk Produkte

Nahrungsmittel

- Grundnahrungsmittel- Aromen

- Aromen-Functional food (nutraceuticals, lunch Box food)

- Grüne Biotechnologie

Medizinische Biotechnologie

Tissue Engineering

Lebensmittelwissenschafteninklusive

Zell-, Molekular-, Entwicklungsbiologiemolekulare Genetik, Biochemie

Immunologie

Tissue Engineering

ZellkulturtechnikMaterialwissenschaftenBioverfahrenstechnik

Klinische Disziplinenmedizinische Grundlagenfächer

experimentelle Chirurgie

• Ziel: in vitro Generation von vitalem autologenGewebe zur Rekonstruktion geschädigtem Gewebes,zur Erhaltung oder Verbesserung der Funktiongeschädigter oder erkrankter Organe

Methodik Tissue Engineering

• in vitro Kultivierung von autologen Zellenauf organischen, natürlichen odersynthetischen Matrices

• in vitro Kultivierung von autologen

• Gewebezüchtung ausembryonalen Stammzellen

• in vitro Kultivierung von autologenZellen auf xenogenen Matrices

Strategien

• Zellinjektion (Zelltherapie)

• geschlossenes extracorporales System

• offenes System - biodegradables Polymergerüst

Zellinjektion

• Hautzellen werden mit einer Art „Gewebekleber“ (Fibrin) direkt in die Wunde gegeben (Haut aus der Tube)

• Autologe Chondrocyten Transplantation ACT Direkte Transplantation von Knorpelzellen z.B. bei Bandscheiben-oder Meniskusschäden

Extracorporales System

Leberzellen aus Schwein oder Schaf übernehmen in dem System die

„Künstliche Leber“

dem System die „Entgiftungsfunktion“

Offene Systeme

• Knochen, Knorpel, Sehnen

• Herzklappen

• Venenklappen

• Harnröhren,Harnblasen

• Luftröhren

• Blutgefäße

• Nervenfasern

Knorpel

Knorpelzellen auf Kollagenmatrices

Rekonstruktion einer Ohrmuschel

Herzklappe(Gerüst von Rind oder Schwein)

Blutgefäße

Prinzip des Tissue Engineering

Neuronen

HornhautEndothelgewebe/Blutgefäße

Herzklappen

MilzLeber

Knochenmark

Zellen * Matrix** “In-vitro”Kultivierung

*** Patient

Muskeln

Knochen

Knorpel

Bauchspeicheldrüse

*Gewebezellen, Stammzellen oder embryonale Stammzellen (autolog oder allogen)

**Natürlich, synthetisch oder xenogenisch

***statisch, unter Rühren oder dynamische Fliessbedingungen

Probleme

• Kontrollierte Differenzierung der Zellen

• Optimierung von Medium und Zusatzstoffen (z.B.Wachstumsfaktoren, Serumersatz)

• 3 D Strukturausbildung und Blutversorgung derGewebe/Organkonstrukte

• Physiologische Konditionierung

Spende ausBeckenknochen

Bone MarrowStroma Cell

Knochen(Osteoblasten)

Knorpel(Chondrozyten)

Fett(Adipocyten)

Sehnen(Fibroblasten)

BMSC (Fibroblasten)

Muskel(Myoblasten)

Differenzierungsfaktoren (Wachstumsfaktoren, Hormone, etc.)

phänotypische Differenzierung ↔↔↔↔ physiologische „Differenzierung“

Pharma Product Development

pipeline

phases

discovery preclinical reviewI II III

>5 1,5 2 3,5 1,5

300-500MioUS$

150MioUS$

50MioUS$

The overall costs for a drug from research to marketare in the range of 700 Mio to 1.000 Mio €

investigationalnew drugapplicationwith FDA

new drugapplicationwith FDA

approval

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Einführung, Geschichte der Biotechnologie Allgemeine ... · Aufarbeitung und Meßtechnikund...

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