Biotechnologie mit 71 Tabellen
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| Format: | Buch |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Jena
Fischer
1991
|
| Ausgabe: | 2., überarb. Aufl. |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1. Einführung (H.Weide)................... 15
2. Technisch genutzte Mikroorganismen (H. Weide)........... 18
2.1. Definition des Begriffs Mikroorganismen ............. 18
2.2. Morphologie. Zytologie................... 19
2.2.1. Die Bakterienzelie..................... 19
2.2.2. Archaebakterien..................... 29
2.2.3. Die Pikzelle....................... 31
2.2.4. Produktbildner verschiedener Gattungen und Arten.......... 38
2.3. Nährmedien, Substrate................... 40
2.4. Kulturbedingungen .................... 43
2.5. Wachstum und Vermehrung.................. 46
2.5.1. Zelluläre Prozesse..................... 46
2.5.2. Das Wachstum von Populationen................ 47
2.5.2.1. Diskontinuierliche Kultur (Batch-Kultur) ............. 47
2.5.2.2. Kontinuierliche Kultur ................... 49
2.5.2.3. Wachstum myzelbiidender Mikroorganismen............ 51
2.5.2.4. Wachstum von Kolonien................... 53
3. Kulturen pflanzlicher und tierischer Zellen (H.-P. Schmauder)....... 54
3.1. Einführung....................... 54
3.2. Pflanzliche~ZeHkuttur.................... 54
3.2.1. Anlage der Zellkultur.................... 54
3.2.2. Nährstoffe ....................... 55
3.2.3. Anwendung....................... 57
3.2.3.1. Meristemkulturen..................... 57
3.2.3.2. Technotogische Aspekte der Massenkultivierang........... 57
3.2.3.3. Probleme der Stammhaltung.................. 61
3.2.3.4. Ökonomische Aspekte ................... 62
3.3. Kulturen tierischer und menschlicher Zellen............. 63
3.3.1. Nährstoffe ....................... 63
3.3.2. Anlage und Haltung der Zellkulturen............... 64
3.3.3. Anwendung tierischer und menschlicher Zellkulturen ......... 65
3.3.3.1. Herstellung von Impfstoffen.................. 65
3.3.3.2. Hormone, Enzyme und Interferone aus Zellkulturen.......... 66
3.3.3.3. Monokionale Antikörper................... 67
3.3.3.4. Tumorspezifische Antigene und tierische Zellen als biotechnologische Produkte . 67
3.3.3.5. Ökonomische Aspekte ................... 67
4. Biochemische Grundlagen der Biotechnologie (H.-P. Kleber) ....... 69
4.1. Einführung....................... 69
4.2. Ernährungstypen..................... 69
4.3. Stoffaufnahme durch die Zelle................. 7t
4.3.1. Freie Diffusion...................... 71
4.3.2. Erleichterte Diffusion.................... 71
4.3.3. Aktiver Transport..................... 73
4.3.3.1. Aktiver Transport ohne chemische Veränderung........... 74
4.3.3.2. Gruppentranslokation (aktiver Transport mit gleichzeitiger chemischer
Veränderung)...................... 74
Inhaltsverzeichnis 9
4.4. Charakteristika des Stoffwechsels................ 75
4.5. Enzyme........................ 77
4.5.1. Enzymkatalyse...................... 78
4.5.1.1. Aktivierungsenergie.................... 78
4.5.1.2. Enzym-Substrat-Komplex und Ursachen der katalytisehen Aktivität von Enzymen . 78
4.5.1.3. Spezifität der Enzymwirkung ................. 79
4.5.1.4. Coenzyme und Milieubedingungen ............... 80
4.5.2. Enzynikinetik..... ................. 87
4.5.3. Enzymhemmung..................... 89
4.5.4. Allosterische Enzyme.................... 90
4.5.5. Meßgrößen und Einheiten.................. 91
4.5.6. Enzymklassifizierung.................... 91
4.5.7. Enzymlokalisation - Multienzymkomplexe - multiple Enzymformen..... 94
4.5.7.1. Intra-und extrazelluläre Enzyme................ 94
4.5.7.2. Membrangebundene Enzyme................. 94
4.5.7.3. Multienzyme und multifunktionelle Proteine ............ 95
4.5.7.4. Multiple Enzymformen/Isoenzyme................ 96
4.5.8. Bedeutung und Verwendung von Enzymen {Enzymtechnologie)...... 96
4.6. Grundprinzipien der Stoffwechselprozesse............. 98
4.6.1. Katabolismus der Kohlenstoff- und Energiequelle........... 98
4.6.2. Mechanismen der ATP-Bildung ................ 99
4.6.3. Anaplerotische Reaktionen.................. 101
4.6.4. Anabole Stoffwechselwege.................. 101
4.6.5. Ausscheidungsprodukte des Stoffwechsels............. 103
4.6.5.1. Primärmetabolite..................... 103
4.6.5.2. Sekundärmetabolite.................... 104
4.7. Regulation des Stoffwechsels ................. 105
4.7.1. Regulation der Enzymmenge................. 106
4.7.1.1. Regulation der Enzymsynthese................. 106
4.7.1.2. Inaktivterung und Abbau................... 109
4.7.2. Regulation der Enzymaktivität................. 109
4.7.2.1. Feedback-Mechanismen................... 110
4.7.2.2. Modifikationsreaktionen - Interkonversion............. Ill
4.7.2.3. Limitierte Proteolyse.................... i 1 i
4.7.2.4. Stöehiometrische Regulationen................. Ill
5. Genetik in der Biotechnologie (H. Weide)............. 113
5.1. Mutationen....................... 113
5.1.1. Genmutation ...................... 114
5.1.2. Chromosomenmutation................... 114
5.1.3. Genommutation..................... 115
5.2. Genetische Rekombination und Übertragung von Erbanlagen....... 115
5.2.1. Übertragung und Rekombination von Erbanlagen bei Prokaryoten..... 115
5.2.1.1. Transduktion...................... 116
5.2.1.2. Transformation...................... 117
5.2.1.3. Konjugation....................... 117
5.2.2. Rekombination von Erbanlagen bei Pilzen............. 118
5.2.2.1. Interchromosomale Rekombination............... 118
5.2.2.2. Intrachromosomale Rekombination............... 119
5.3. Protoplastenfusion..................... 119
5.4. Gentechnik (Genteehnotogte)................. 120
6. Immobilisierte Biosysteme (V. JirkC)............... 123
6.1. Immobilisierte Enzyme.................. . 123
6.1.1. Besondere Merkmale immobilisierter Enzyme............ 123
6.1.2. Methoden zur Immobilisierung von Enzymen............ 123
6.1.3. Wirkung der Immobilisierung auf die Enzymeigenschaften ........ 124
6.1.4. Technische Anwendung immobilisierter Enzyme........... 126
6.2. Immobilisierte Mikroorganismen................ 126
10 Inhaltsverzeichnis
6.2.1. Allgemeine Grundlagen................... 126
6.2.2. Methoden zur Immobilisierung von Mikroorganismenzellen ....... 127
6.2.3. Physiologische und biochemische Merkmale immobilisierter Zellen..... 131
6.2.4. Immobilisierung von Pflanzen-und Tierzellen............ 131
6.3. Immobilisierung biologischer Photosynthesesysteme und anderer Organellen . . 132
6.4. Technische Anwendung immobilisierter Zellen............ 132
7. Bioreaktoren (J. Päca)................... 134
7.1. Einteilung von Bioreaktoren.................. 134
7.2. Reaktoren mit mechanischen Rührern .............. 135
7.2.1. Reaktor mit Turbinenrührer.................. 135
7.2.2. Umlaufreaktoren mit Propellerrührer............... 137
7.2.3. Umlaufreaktoren mit kombinierten Rührern ............ 137
7.2.4. Reaktoren ohne Luftverteiler................. 138
7.2.5. Reaktoren mit mehrfachen Rührem............... 140
7.2.6. Mehrstufige Reaktoren................... 143
7.2.7. Vibromischer ...................... 144
7.2.8. Horizontale Rohrreaktoren.................. 144
7.3. Pneumatisch rührende Reaktoren................ 145
7.3.1. Zylinder-Kegel-Reaktor................... 145
7.3.2. Gärbottich mit Strahirohrbelüftung ............... 145
7.3.3. Blasensäulen....................... 147
7.3.4. Mehrstuf ige Turmreaktoren.................. 147
7.3.5. Airliftreaktoren...................... 148
7.3.5.1. Airliftreaktoren mit innerem Umlauf............... 148
7.3.5.2. Airliftreaktoren mit äußerem Umlauf............... 150
7.4. Hydraulisch rührende Reaktoren................ 151
7.4.1. Zyklonreaktor...................... 152
7.4.2. Düsemimlaufreaktoren (Jet Loop)................ 152
7.4.3. Tauchstrahlreaktor (Deep Jet)................. 154
7.4.4. Rohrschlaufenreaktor.................... 154
7.4.5. System für sauerstoffempfindliche Kulturen............. 155
7.5. Membranreaktoren .................... 155
7.6. Wirbelbettreaktoren.................... 159
7.7. Festbettreaktoren..................... 161
7.8. Konstruktion von Bioreaktoren................. 162
7.9. Beschreibung des Reaktorverhaltens............... 163
7.9.1. Mischzeit und Mischgüte................... 163
7.9.2. Verweilzeitverteilung.................... 165
7.9.3. Sauerstofftransport..................... 166
7.10. Sterilisationstechnik.................... 168
7.10.1. Mediumsterilisation durch Dampf................ 168
7.10.2. KesseisteriUsation..................... 168
7.10.3. Sterilisation durch Filtration.................. 169
8. Mikrobiologische und biochemische Arbeits- und Analysenmethoden
(H.H., Kralel und H.-P. Kleber) ..... .......... 171
8.1. Methoden der Keimzahlreduzierung und Sterilisation
H. Kralel)....... ............... 171
8.2. Herstellung des Impfmaterials (H. H. Krauel)............ 176
8.3. Messung von Vermehrung und Wachstum (H. H. Kralel)........ 179
8.4. Mikrobiologische Kontrolle von Fermentationsprozessen
{H. H. Kr.wel)...................... 184
8.5. EnzymatischeTestmethoden (H.-P. Kleber)............ 187
8.5.1. Einführung....................... 187
8.5.2. Der optische Test..................... 188
8.5.3. Bestimmung der Enzymaktivität................ 190
8.5.4. Enzymatische Substratbestimmung ............... 191
8.5.5. Biosensoren....................... 191
Inhaltsverzeichnis 11
9. Bioreaktionstechnik (H. Voss)................. 195
9.1. Einführung....................... 195
9.2. Anforderungen an Bioreaktoren................ 195
9.3. Reaktorauswahl...................... 198
9.4. Modellierung von Fermentationsprozessen............. 200
9.4.1. Grundlagen....................... 200
9.4.2. Bilanzgleichungen..................... 200
9.4.3. Batch-Reaktoren..................... 202
9.4.4. Kontinuierlich betriebene Reaktoren............... 203
9.4.5. Kontinuierliche Reaktoren mit Zellrückführung........... 205
9.4.6. Reaktorverschaltungen und -kaskaden.............. 206
9.4.7. Halbkontinuierliche Kulturen................. 207
9.5. Durchmischen und Belüften.................. 208
9.6. Maßstabsübertragung von Bioreaktoren.............. 210
10. Modellierung und Optimierung biotechnologischer Prozesse
(R. Outhke und W. A. Knorre) ................ 214
10.1. Aufgabenstellung für die Optimierung .............. 214
10.2. Analyse und Modellierung mikrobiologischer Prozesse......... 217
10.2.1. Mathematische Modelle in der Mikrobiologie............ 217
10.2.2. Grundprinzipien der chemischen Reaktionskinetik .......... 221
10.2.3. Grundprinzipien der Enzymkinetik ............... 226
10.2.4. Analyse und Modellierung des diskontinuierlichen Wachstums....... 231
10.2.5. Analyse und Modellierung der kontinuierlichen Kultivierung....... 236
10.3. Optimierung der mikrobiellen Produktbildung............ 241
10.3.1. Steuergrößen und Dekomposition................ 241
10.3.2. Genotypische Optimierung.................. 242
10.3.3. Batch-Fermentation: Optimierung der Nährmedien.......... 243
10.3.4. Chemostat: Optimierung der Limitationsbedingungen......... 244
10.3.5. Fed-batch-Fermentation; dynamische Optimierung.......... 249
10.3.6. Zyklische Fermentation................... 255
10.4. Computeranwendung für die Optimierung biotechnologischer
Prozesse........................ 260
10.4.1. Überblick und Trends.................... 260
10.4.2. Datenanalyse ...................... 263
10.4.3. FERMOPT-einTrainingsprogramm zur Optimierung
von Batch-Fermentationen.................. 266
10.4.4. Computergekoppelte Fermentation............... 269
10.4.5. On-line-Optimierung.................... 273
10.4.6. Experten-und Beratungssysteme................ 275
10.5. Optimierung einer Antibiotikumfermentation im Labor- und
Pilotmaßstab....................... 280
11. Aufarbeitung von Produkten (W. Grau).............. 284
11-1. Einleitung ....................... 284
11.2. Abtrennung von Feststoffen.................. 286
11.2.1. Flockung ........................ 286
11.2.2. Zentrifugation...................... 287
11.2.3. Filtration......................• • 289
H.2.4. Weitere Methoden..................... 290
H.3. ZellaufschluB ...................... 292
11.4. Anreicherung........•............. -^
11.4.1. Verdampfuni................•..... 294
ü.4.2. Extraktion....................... 294
11.4.3. Membranprozesse..................... 2%
11.4.4. Fäilungsverfahren..................... 300
11.5. Reinigung ....................... 30i
H.6. Trocküng........................ 3!)3
12 Inhaltsverzeichnis
12. Spezielle Bioprozesse und Anwendungsgebiete
(D. Gröoer, W. A. Knorre, H. H. Krauel, Ute Krauel, D. Riesenberg,
H. Ruttloff. H.-P. Schmauder und R. Wondraczek).......... 306
12.1. Herstellung von rDNS-Produkten mit Mikroorganismen
(W.A. Knorre, D. Riesenberg und R. Wondraczek) ......... 306
12.1.1. Anwendung der rDNS-Technologie in der Biotechnologie........ 306
12.1.2. Optimierung der Synthese rekombinanter Proteine.......... 310
12.1.2.1. Wahl des Wirtsorganismus.................. 310
12.1.2.2. Steuerung der Expression von rDNS............... 312
12.1.2.3. Co-und posttransiationale Prozesse............... 320
12.1.2.4. Wahl des Reaktors und des Fermentationsregimes........... 323
12.1.3. Maßstabsvergrößerung zum Pilot- und Produktionsfermenter....... 327
12.1.4. Produktisolierung..................... 329
12.1.4.1. Ziele und Probleme der Aufarbeitung und Reinigung rekombinanter Proteine . . 329
12.1.4.2. Methoden der Proteinreinigung................. 329
12.1.4.3. Strategien bei der Entwicklung von Verfahren zur Produkisolierung..... 335
12.1.5. Validierung der Produktion und Qualitätssicherung gentechnologisch hergestellter
Arzneimittel....................... 336
12.2. Pharmazeutische Industrie (D. Gröger).............. 337
12.2.1. Einführung....................... 337
12.2.2. Antibiotika....................... 338
12.2.2.1. Allgemeines....................... 338
12.2.2.2. ß-Lactam-Antibiotika.................... 339
12.2.2.3. Aminoslycosid-Antibiotika.................. 342
»2.2.2.4. Tetracydine..... .................. 344
12.2.2.5. Anthracydine...................... 345
12.2.2.6. Griseofulvin....................... 346
12.2.2.7. Verschiedene Antibiotika .................. 348
12.2.2.8. Anwendung von Antibiotika.................. 348
12.2.3. Mutterkornalkaloide.................... 349
12.2.4. Vitamine........................ 350
12.2.5. Immunmodulatoren.................... 352
12.2.6. Enzyminhibitoren..................... 354
12.2.7. Mikrobielle Umwandlung von Naturstoffen............. 355
12.2.7.1. Allgemeines . . . . ................... 355
12.2.7.2. Erste pharmazeutisch wichtige Biotransformationen.......... 357
12.2.7.3. Steroide........................ 358
12.2.7.4. Weitere Biotransformationen................. 360
12.2.8. Impfstoffe, Seren und Interferone................ 361
12.2.8.1. Allgemeines....................... 361
12.2.8.2. Impfstoffe (Vakzinen).................... 362
12.2.8.3. Gewinnung von Seren.................... 363
12.2.8.4. Interferone....................... 363
12.3. Lebensmiitelproduktion (H. Ruttloff).............. 364
12.3.1. Einführung....................... 364
12.3.2. Rohstoffe ........................ 365
12.3.3. Emzeiierprotem (single cell protein. SCP)............. 366
12.3.4. Lösliche Enzyme............. ....... 37t)
12.3.5. Immobilisierte Systeme ... ............... 376
12.3.6. Mikrobielle Poly saccharide.................. 380
12.3.7. Organische Genußsäuren................... 381
12.3.8. Aminosäuren............ ........, 383
12.3.9. Aromen........................ 385
12.4. Landwirtschaft (Ute Krauel)................ . 387
12.4.1. Mikroorganismen als Produzenten von Wachstumsregulatoren....... 387
{2.4.2. Mikroorganismen zur Anwendung im Pflanzenschutz.......... 389
Inhaltsverzeichnis 13
12.4.3. Stickstoff-Fixierung durch Mikroorganismen............ 394
12A.A. Mikrobielle Verwertung landwirtschaftlicher Abprodukte........ 399
12.5. Chemische Industrie, Metallgewinnung (H. H. Krauel und Ute Krauel) . . . 403
12.5.1. Ethanol........................ 403
12.5.2. Butanol, Aceton ..................... 408
12.5.3. Biotenside ....................... 410
12.5.4. Mikrobielle Erzlaugung (Leaching), Metallrückgewinnung........ 412
12.5.4.1. Mikroorganismen und Umweltbedingungen, Metallbindung....... 412
12.5.4.2. Mikrobielle Laugungsverfahren................. 413
12.6. Umweltbiotechnologie (H.-P. Schmauder)............. 417
12.6.1. Isolation und Selektion von Kulturen............... 418
12.6.2. Abwasserreinigung..................... 419
12.6.2.1. Anaerobe Abwasserreinigung................. 419
12.6.2.2. Aerobe Abwasserreinigung.................. 420
12.6.3. Luftreinigung...................... 421
12.6.4. Kohle-und Erdölentschwefelung................ 422
12.6.5. Ökonomische Aspekte ................... 423
Literatur .......................... 424
Glossarium .......................... 438
Zeittafel........................... 443
Sachregister........................... 450
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