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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
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Seminar (3-stündig) ab 6 oder 7. Woche:Biotechnologische ProzesseChemometrie und DoEModelle
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1 stündig donnerstags 12.00-13.00 Übung
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Wie erreiche ich die Dozenten?
Allgemeine Dinge: Sekretariat (1.Stock) Frau AlicSonst per email: [email protected]
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Prof. Hitzmann
Dr. Beutel
Prof. Bahnemann
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Dr. Stahl PD. Kasper
Prof. Bellgardt
Prof.Scheper
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“Einsatz biologischer Prozesse im Rahmen technischer
Verfahren und industrieller Produktionen“
Biotechnologie
Die Biotechnologie ist die anwendungsorientierte Wissenschaft
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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.
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Die Farben der Biotechnologie
Weisse Biotechnologie (industrielle BT)
Grüne Biotechnologie (landwirtschaftliche BT)
Blaue Biotechnologie (marine BT)
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Blaue Biotechnologie (marine BT)
Rote Biotechnologie (medizinische BT)
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“ 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,
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“....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.... ”
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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
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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
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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
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Ist die Biotechnologie
wirtschaftlich eine Größe??
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DNA-Sonden
C-C-G-G-T-A-C
L L
Label (z.B. Fluoreszenz)
Sonde
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-A-A-G-G-C-C-A-T-G-T-T
- Genomabschnitt -
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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
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- Pflanzenschutz/Landwirtschaft
- biosynthetische Herbizide/Pestizide, nachwachsende Rohstoffe
- Rohstoffumwandlung
- Stärke-, Celluloseverzuckerung
- technische Hilfsstoffe
- Waschmittelenzyme, organische Säuren (Zitronensäure)
- Energiegewinnung
- Biogas, Biotriebstoffe
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Energiefragen
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Das Erdölzeitalter
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0 500 1000 1500 2000 2500
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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
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Essigsäure
Chlorierung
Chloressigsäuren
Acetoxylierung
Vinylacetat
Veresterung
Acetate
Dehydrati-sierung
Keten
Essigsäure-
Sonstiges
Salze, Dünnsäuren
Erdöl Naphta
SynthesegasMethanol
Nachwachsende Rohstoffe
Fermentation
Erdgas Kohle
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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
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Erdöl3600 Mrd. Liter/a
Nutzung des Erdöls
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Energetische Nutzung
Stoffliche Nutzung
5-7%93-95%
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Biomasse Mobilität („flüssige Energie“)
Auto
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Schiff
Flugzeug
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Sonne
Die Sonneneinstrahlung auf die Erde liefert 3,9·1024 J
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pro Jahr. Bei einem Primärenergieverbrauch von
4,45·1020 J weltweit also ca. 8500 mal mehr als
verbraucht wird.
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- Einstrahlung
- Nur ein Teil des Spektrums wird genutzt
- Reflektion an Pflanzenblättern
- Wärme- und Absorptionsverluste
Sonne
1000 kJ
470 kJ
420 kJ
350 kJ
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- “Biochemische“ Energieverluste
- Verluste durch Zellatmung
60-90 kJ
30-60 kJ
Biomasse(4,5% theoretisch, 1% realistisch)
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Fazit:
Über die Photosynthese
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Über die Photosynthese
werden nur maximal 1%
der einfallenden Licht-
energie in Biomasse
gespeichert!
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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
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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%).
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Solarzellen
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Eine gute Solarzelle setzt ca. 15% der
einfallenden Lichtenergie in Strom um!
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Photovoltaik Biomasse
Um 3,6·109 J zu erhalten, benötigt man folgende
Fläche:
Photovoltaik: 7,5 m2
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Biomasse: 257 m2
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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 ?
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Zur Ernährung der wachsenden
Weltbevölkerung müssen bis 2020
weltweit etwa 35% mehr Lebens-
mittel produziert werden. Eine
Expansion der Ackerfläche ist nur
begrenzt möglich.
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Umweltbiotechnologie
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Bulk Produkte
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Nahrungsmittel
- Grundnahrungsmittel- Aromen
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- Aromen-Functional food (nutraceuticals, lunch Box food)
- Grüne Biotechnologie
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Medizinische Biotechnologie
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Tissue Engineering
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Lebensmittelwissenschafteninklusive
Zell-, Molekular-, Entwicklungsbiologiemolekulare Genetik, Biochemie
Immunologie
Tissue Engineering
ZellkulturtechnikMaterialwissenschaftenBioverfahrenstechnik
Klinische Disziplinenmedizinische Grundlagenfächer
experimentelle Chirurgie
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• Ziel: in vitro Generation von vitalem autologenGewebe zur Rekonstruktion geschädigtem Gewebes,zur Erhaltung oder Verbesserung der Funktiongeschädigter oder erkrankter Organe
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Methodik Tissue Engineering
• in vitro Kultivierung von autologen Zellenauf organischen, natürlichen odersynthetischen Matrices
• in vitro Kultivierung von autologen
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• Gewebezüchtung ausembryonalen Stammzellen
• in vitro Kultivierung von autologenZellen auf xenogenen Matrices
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Strategien
• Zellinjektion (Zelltherapie)
• geschlossenes extracorporales System
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• geschlossenes extracorporales System
• offenes System - biodegradables Polymergerüst
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Zellinjektion
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• 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
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Extracorporales System
Leberzellen aus Schwein oder Schaf übernehmen in dem System die
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„Künstliche Leber“
dem System die „Entgiftungsfunktion“
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Offene Systeme
• Knochen, Knorpel, Sehnen
• Herzklappen
• Venenklappen
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• Harnröhren,Harnblasen
• Luftröhren
• Blutgefäße
• Nervenfasern
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Knorpel
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Knorpelzellen auf Kollagenmatrices
Rekonstruktion einer Ohrmuschel
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Herzklappe(Gerüst von Rind oder Schwein)
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Blutgefäße
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Prinzip des Tissue Engineering
Neuronen
HornhautEndothelgewebe/Blutgefäße
Haut
Herzklappen
Niere
MilzLeber
Knochenmark
Zellen * Matrix** “In-vitro”Kultivierung
*** Patient
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Muskeln
Knochen
Knorpel
Bauchspeicheldrüse
*Gewebezellen, Stammzellen oder embryonale Stammzellen (autolog oder allogen)
**Natürlich, synthetisch oder xenogenisch
***statisch, unter Rühren oder dynamische Fliessbedingungen
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Probleme
• Kontrollierte Differenzierung der Zellen
• Optimierung von Medium und Zusatzstoffen (z.B.Wachstumsfaktoren, Serumersatz)
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• 3 D Strukturausbildung und Blutversorgung derGewebe/Organkonstrukte
• Physiologische Konditionierung
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Spende ausBeckenknochen
Bone MarrowStroma Cell
BMSC
Knochen(Osteoblasten)
Knorpel(Chondrozyten)
Fett(Adipocyten)
Sehnen(Fibroblasten)
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BMSC (Fibroblasten)
Muskel(Myoblasten)
Differenzierungsfaktoren (Wachstumsfaktoren, Hormone, etc.)
phänotypische Differenzierung ↔↔↔↔ physiologische „Differenzierung“
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Pharma Product Development
pipeline
phases
years
costs
discovery preclinical reviewI II III
?
?
>5 1,5 2 3,5 1,5
300-500MioUS$
150MioUS$
50MioUS$
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The overall costs for a drug from research to marketare in the range of 700 Mio to 1.000 Mio €
costs
investigationalnew drugapplicationwith FDA
new drugapplicationwith FDA
approval
?MioUS$MioUS$MioUS$
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