Bioverfahrensentwicklung E-Book

Winfried Storhas

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 1055

Veröffentlichungsjahr: 2013

Beschreibung

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)

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

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

Vorwort zur ersten Auflage

Vorwort zur zweiten Auflage

Formelzeichenerklärung

Indexerklärung

Abkürzungsverzeichnis

1 Leistungsfähigkeit der Bioverfahrenstechnik

1.1 Allgemeine Betrachtungen

1.2 Einsatzfelder und Produktgruppen

1.3 Voraussetzungen für den Einsatz der Bioverfahrenstechnik

1.4 Märkte und Marktanteile biotechnologischer Produkte

2 Arbeitsgebiete der Bioverfahrenstechnik

2.1 Einführende Betrachtungen

2.2 Stellung und Aufgaben der Mikrobiologie

2.3 Stellung und Aufgaben der Molekularbiologie

2.4 Stellung und Aufgaben der Zellkulturtechnik

2.5 Stellung und Aufgaben der Biochemie

2.6 Informatik – Messen, Regeln und Steuern von Prozessen

2.7 Stellung und Aufgaben der Verfahrenstechnik

3 Mosaik der Bioverfahrensentwicklung

3.1 Verknüpfung aller Aufgabengebiete

3.2 Logistik

3.3 Einfluss auf die Ökologie

3.4 Ringschlüssel

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

4 Bioreaktionstechnik in Laborgefäßen

4.1 Allgemeine Betrachtungen

4.2 Beschreibung des kleinsten Bioreaktors

4.3 Leistungseintrag in Kolbenreaktoren

4.4 Sauerstofftransferraten (OTR) in Kolbenreaktoren

5 Upstream-Processing

5.1 Lagerung und Logistik

5.2 Anmaischprozesse

5.3 Konditionierungsprozesse

5.4 Reinigungsprozesse (CIP, cleaning in place)

5.5 Sterilisationsprozesse (SIP, sterilization in place)

5.6 Virusinaktivierung bei Pharmazeutika

6 Stoffumwandlung

6.1 Bildung der Biokatalysatoren (Zellwachstum)

6.2 Beschreibung der Produktbildung

6.3 Enzymkatalysierte biotechnologische Reaktionen

6.4 Sauerstoffversorgung eines Mycel-Pellets

6.5 Modellierung und Simulation

7 Downstream-Processing

7.1 Mechanische Trennung

7.2 Zerteilung von Stoffen

7.3 Vereinigung von Stoffen

7.4 Wärmeübertragung

7.5 Thermische Trennung – Destillation, Rektifikation

7.6 Absorption

7.7 Adsorption

7.8 Extraktion

7.9 Kristallisation

7.10 Trocknung

7.11 In-vitro-Refolding

7.12 Proteinaufreinigung und Chromatographie

8 Integrierte Prozesse und Verfahrensentwicklung

8.1 Aufbau und Darstellung eines Prozesses

8.2 Vorgehensweise bei der Verfahrensentwicklung

8.3 Sicherheitsaspekte bei der Verfahrensentwicklung

8.4 Prozessintegrierter Umweltschutz

9 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

9.1 Methoden zur Kostenanalyse eines Verfahrens

9.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mittels Short-cut-Methoden

10 Verfahrensbeispiele

10.1 Einleitung

10.2 Allgemeine Prozessschemata

10.3 Auslegungsbeispiel: β-Galactosidase

Stichwortverzeichnis

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Autor

Prof. Dipl.-Ing. W. Storhas

Hochschule Mannheim

Bioverfahrenstechnik

Paul-Wittsack-Straße 10

68163 Mannheim

2. vollst. überarb. u. aktualis. Auflage 2013

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Satz Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld

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Print ISBN: 978-3-527-32899-4

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ePub ISBN: 978-3-527-67385-8

Mobi ISBN: 978-3-527-67384-1

oBook ISBN: 978-3-527-67383-4

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

Das Thema dieses Buches erforderte ein sehr interdisziplinäres Zusammenspiel vieler Fachgebiete, die ein einziger Autor allein nicht abdecken kann. Deshalb sei an dieser Stelle mein besonderer Dank ausgesprochen an

Dr. Ulrich Behrendt Billrothstrasse 3A 81369 München

[email protected]

für die komplette Neubearbeitung von

Kapitel 1 „Leistungsfähigkeit der Bioverfahrenstechnik“

Prof. Dr. rer. nat. Philipp Wiedemann Hochschule Mannheim Institut für Molekular- und Zellbiologie Paul-Wittsack-Straße 10 D-68163 Mannheim

[email protected]

für die komplette Neubearbeitung von

Abschnitt 2.4 „Stellung und Aufgaben der Zellkulturtechnik“ insbesondere aber auch für die Organisation der Neuauflage

Dipl.-Ing. Hendrik Rubbeling ifu Hamburg GmbH Max-Brauer-Allee 50 22765 Hamburg

[email protected]

für einen Beitrag zur

„Ökologischen Nachhaltigkeit“, Abschnitt 3.3

Prof. Dr. rer.nat. Günter Claus Hochschule Mannheim Technische Mikrobiologie Windeckstraße 110 D-68163 Mannheim

[email protected]

für die Bearbeitung von

Abschnitt 2.2 „Mikrobiologie“

Prof. Dr. rer.nat. Matthias Mack Hochschule Mannheim Technische Mikrobiologie Windeckstraße 110 D-68163 Mannheim

[email protected]

für die Unterstützung zu

Abschnitt 2.3 und 2.4 „Molekularbiologie und Zellkulturtechnologie“

Prof. Dr. rer.nat. Heinz Trasch Hochschule Mannheim Biochemie Windeckstraße 110 D-68163 Mannheim

[email protected]

für die Bearbeitung von

Abschnitt 2.5 „Biochemie“

Prof. Dipl.-Ing. Michael H. Kopf BASF SE – The Chemical Company GCP/PH – A 015 67056 Ludwigshafen

[email protected]

für die Unterstützung zu

Abschnitt 2.6, 7.2, 7.11, 7.12 und 10.3.3 „Mechanische Flüssigtrennung, Zentrifugentechnologie, Querstromfiltration, Down-Stream-Processing“

Prof. Dr.-Ing. Werner Liedy Fachhochschule Frankfurt am Main Fachbereich 2 Informatik und Ingenieurwissenschaften Nibelungenplatz 1 D-60318 Frankfurt am Main

[email protected]

für die Bearbeitung von

Abschnitt 7.10 „Trocknung“

Vorwort zur ersten Auflage

Die Bioverfahrensentwicklung greift als interdisziplinäres Arbeitsgebiet auf mehrere in ihrem Wesen sehr unterschiedliche Wissensgebiete zurück. Naturwissenschaftliche Wissensgebiete wie die Mikrobiologie, die Molekularbiologie, die Zellbiologie, die Biochemie und auch die Chemie müssen zusammen mit ingenieurtechnischem Fachwissen aus den Bereichen der Elektrotechnik, der Informatik, der Steuerungstechnik, des Maschinenbaus (Werkstoffkunde) und der Verfahrenstechnik mit all den Varianten (Reaktion, Aufarbeitung, Energietechnik, Sicherheitstechnik, Behördenengineering) kooperieren, um der Prozeßentwicklung zum Erfolg zu verhelfen. Nennen wir diese Wissensgebiete „Kulturen“, so ist eine Symbiose im Projektteam erforderlich.

In der Praxis tun sich die „Mischkulturen“ erfahrungsgemäß dann doch sehr schwer, diese Symbiose zu erreichen. Das liegt in der nahezu berührungslosen und strikt kulturbezogenen Ausbildung. Im höchsten Fall sind in der ein oder anderen Ausbildungsrichtung Schnittstellen, sogenannte Übergabestellen, definiert.

Es lag also nahe, ein Werk zu planen, das Symbiosewirkung ausüben kann, indem es tief in die „Kulturen“ hinein auch Inhalte anderer „Kulturen“ treibt, um Impulse auszulösen. So ist es das Anliegen dieses Buchprojektes, sowohl den naturwissenschaftlich ausgerichteten als auch den ingenieurwissenschaftlichen „Kulturen“ ein Werk zur Hand zu geben, das die Chance bietet, sich mit den Blickrichtung der jeweils anderen zu beschäftigen und die eigene Position im Gesamtverbund einer Prozeßentwicklung optimal einzubringen.

Nach dem einleitenden Kapitel, das auf die Potentiale von Bioverfahren hinweist, stellen sich im umfangreichen zweiten Kapitel die einzelnen Wissensgebiete („Kulturen“) wie einzelne Mosaiksteinchen vor, wobei der Blickwinkel auf die Verfahrensentwicklung gerichtet ist. Im folgenden Kapitel soll dann dieser zunächst lose Verbund durch verbindende Elemente vereint (verfugt) werden. Schließlich wird in den letzten Kapiteln noch dem Aspekt Rechnung getragen, daß bereits während der Stammentwicklung die Fragen nach dem möglichen und erforderlichen späteren Maßstab (Reaktor- und Anlagengröße), nach der Sensitivität der Wirtschaftlichkeitsfaktoren und nach den Aufarbeitungswegen, -verfahren und -operationen gestellt werden, weil danach wesentliche Entwicklungsziele (-forderungen) auszurichten sind.

Dieses Buch richtet sich somit an alle, die an irgend einer Stelle einen Beitrag zur Entwicklung eines biotechnologischen Prozesses leisten möchten. Das beginnt an den Hochschulen, wo in allen Fächern der berühmte Blick über den Tellerrand hinaus gewagt und so manche Frage zur eignen Entwicklung gestellt werden kann, und setzt sich in der Industrie in allen Bereichen der Bioverfahrensentwicklung fort.

Zielsetzung diese Buches ist es, allen beteiligten Arbeitsgruppen, die an der Entwicklung eines biotechnologischen Prozesses beteiligt sind, und allen, die sich über die Bioverfahrensentwicklung informieren wollen, die Gelegenheit zu geben, sich ein Gesamtbild zu verschaffen und sich dabei auch in „fremde“ Wissensgebiete ein wenig einlesen zu können. Besondere Anregungen sollen dabei die Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit der Prozesse vermitteln. Weiterführende Literaturhinweise helfen zur Vertiefung in das jeweilige Wissensgebiet.

Für die Unterstützung in vielen Details möchte ich mich bei Herrn Peter Kalinic, Herrn Dr. Bryan Cooper, Herrn Dipl.-Ing. Ralf Gengenbach, Herrn Dipl.-Ing. (FH) Michael Reuter und Herrn Dipl.-Ing. (FH) Dirk Hoffmann bedanken. Die WILEY-VCH Verlag GmbH sorgte in vorzüglicher Weise für alle mögliche Unterstützung, wofür ich dem Team, allen voran Frau Dr. Barbara Böck und Herrn Peter Biel, danken möchte. Nicht zuletzt bedanke ich mich noch bei meiner Frau Anna für ihr Verständnis und ihre unendliche Geduld während der gesamten Projektphase.

Winfried Storhas

Vorwort zur zweiten Auflage

Acht Jahre nach der Entstehung des Buches „Bioverfahrensentwicklung“ erscheint nun die zweite Auflage. Das spricht für eine gewisse Akzeptanz. Offenbar ist es diesem Lehrbuch gelungen eine Lücke zu schließen, indem es die Theorie mit Praxisnähe verknüpft.

Die Biotechnologie hat ihren Trend, nachhaltig zu wirken, beibehalten, und man wird auch zukünftig verstärkt auf sie setzen. Allerdings muss dahin gehend gestrebt werden, die wirtschaftliche Situation zu stärken. Deshalb ist in dieser Ausgabe speziell Kapitel 9 „Wirtschaftlichkeit“ zu beachten.

Für die Zellkulturtechnik hat sich Prof. Dr. Philipp Wiedemann bereit erklärt, den Teil 2.4 komplett neu zu gestalten und auf den aktuellen Stand zu bringen. Das ist für das relativ kurzlebige Fachgebiet sehr gut gelungen, denn die neuen Erkenntnisse galt es zu verarbeiten.

Bedanken möchte ich mich in erster Linie für die Geduld bei Frau Dr. Nöthe vom Wiley-VCH-Verlag, weil es doch nicht so zügig wie geplant voran ging. Des Weiteren möchte ich mich bei allen nicht namentlich erwähnten Helfern bedanken, die zum Gelingen dieses Werkes beitrugen.

Winfried Storhas

Formelzeichenerklärung

Indexerklärung

Abkürzungsverzeichnis

1

Leistungsfähigkeit der Bioverfahrenstechnik

1.1 Allgemeine Betrachtungen

Die Biotechnologie wird seit Jahrzehnten, auch aus Sicht der Verfahrensentwicklung, als die Technologie der Zukunft gehandelt. Ursprünglich glaubte man, sie als Ergänzung oder sogar als Ersatz zur Chemie etablieren zu können, doch frühere Euphorien wichen schnell zugunsten realistischer, wirtschaftlicher Einschätzungen.

Der Begriff „Biotechnologie“ hat inzwischen einen sehr breiten Definitionsrahmen erreicht und muss deshalb im Zuge der folgenden Betrachtungen eingeengt werden. Da „Biotechnologie“ sowohl Aktivitäten im Bereich der Genomforschung, der medizinischen Forschung, des Wirkstoffscreenings, der Entwicklung künstlicher Organe, der Entwicklung von Tierersatzmodellen, der Entwicklung neuer Pflanzenarten als auch der Verfahrenstechnik umfasst, soll im Folgenden nur die Verfügbarkeit für die Verfahrens- und damit die Produktentwicklung verstanden werden. Gemeint sind also nur die vielen Möglichkeiten, mithilfe der Biotechnologie vorhandene Produkte oder Produktgruppen effektiver, reiner und umweltschonender herzustellen oder ganz neue Produkte oder Produktgruppen zu entwickeln, auch oder gerade mit Unterstützung der modernen Mittel der Gentechnologie.

Damit erfolgt eine Abgrenzung zur Definition der OECD. Nach der Definition der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) ist Biotechnologie