Big Bang HTL 4, Schulbuch

Biotechnologie 6 Biochemie und Biotechnologie (IV. Jahrgang, 7. Semester) 75 Tab. 6.2: Vor- und Nachteile der Batch-Kultur Vorteile Nachteile einfach hohe Substratkonz. zu Beginn → hemmt Wachstum zuverlässig lange Anwachsphase (Latenzphase) flexibel → versch. Produkte Totzeiten zum Befüllen/ Entleeren und Sterilisieren geringe Kontaminationsgefahr hohe Beanspruchung durch häufiges Sterilisieren 2. Fed-Batch Prozess: Abb. 6.15 b Bei dieser Betriebsweise ist das Vorgehen zu Beginn analog zum Batch-Prozess, nur dass die Kessel zu Beginn nicht mehr als halb voll gefüllt werden. Sind einige Zeit nach der Beimpfung alle Nährstoffe verbraucht, kann „nachgefüttert“ werden. Ist der Fermenter voll, wird der Vorgang beendet. Tab. 6.3: Vor- und Nachteile der Fed-Batch-Kultur Vorteile Nachteile längere Wachstumsphase aufwändiger Wachstumsrate regulierbar schwerer bilanzierbar keine Substratinhibierung zu Beginn Schwierigkeiten beim Up-Scaling (Vergrößern der Anlage) höhere Endkonzentration an Biomasse und Produkten 3. Chemostat Prozess: Abb 6.15 c In einem kontinuierlichen Betrieb werden durch Substrat- Zufuhr und Produkt- bzw. Zell-Abzug die Konzentrationen konstant gehalten. Dieses Verfahren ist nur für relativ weni- ge Routine-Verfahren oder für umwelttechnologische An- wendungen (z. B. Kläranlage) im Einsatz. ( F15 ) Tab. 6.4: Vor- und Nachteile der Chemostat-Kultur Vorteile Nachteile automatisierbar unflexibel kleinere Reaktoren hohe Anforderungen an Substrat- qualität konstante Produktqualität Infektionsgefahr geringe Sterilisations- beanspruchung komplexe Steuerung Beispiele für die Produktion von Stoffwechselprodukten Beispiel 1: Glutaminsäure Das für seine geschmacks- verstärkende Wirkung be- kannte Natriumglutamat ist das Salz der Glutaminsäure, einer Aminosäure. Es kommt als Lebensmittelzusatzstoff zum Einsatz und jährlich werden etwa 1,5 Millionen Tonnen hergestellt. Es kann seit 1957 biotechnologisch mit Hilfe des Corynebacterium gluta- micum hergestellt werden. Als Rohstoffe sind dafür Glucose und Ammoniak notwendig. Die Bakterien bilden Glutamin- säure aus einem Zwischenprodukt des Zitratzyklus. Mit NADPH und NH 3 entsteht dabei Glutaminsäure. Die verwen- Abb. 6.16: Liste an Inhaltsstoffen deten Bakterien wurden genetisch verändert. Die natürliche Hemmung der Glutaminsäurebildung bei ausreichender Versorgung wurde in ihnen ausgeschaltet. Dadurch wird der Überschuss von den Bakterien ausgeschieden. Beispiel 2: Zitronensäure Mit etwa einer Million Tonnen Jahresproduktion gehört die Zitronensäure zu den wichtigsten biotechnologisch gewon- nen Chemikalien. Sie wird zum Großteil in der Lebensmittel- industrie verwendet. Große Mengen werden aber auch für Medikamente oder Kosmetika benötigt. Außerdem ist Zitro- nensäure ein wichtiger Ausgangsstoff für organische Syn- thesen und ein Komplexbildner (z. B. im Waschpulver). Ihr großer Vorteil ist die vollständige biologische Abbaubarkeit. Abb. 6.18: Schema der Zitronensäureherstellung Bereits 1913 wurde in den USA das erste Patent zur biotech- nologischen Zitronensäureproduktion mit Hilfe des Schim- melpilzes Aspergillus niger angemeldet. Heute verwendet man auch hier genetisch veränderte Stämme die das Pro- dukt weit über den eigenen Bedarf hinaus produzieren. Durch die richtigen Betriebsbedingungen kann die Weiterre- aktion der Zitronensäure im Citratzyklus verhindert werden. Nach der Fermentation wird das Produkt mit Ca(OH) 2 aus- gefällt und anschließend mit Schwefelsäure wieder in die Zitronensäure umgewandelt. Als Nebenprodukt fällt Gips (CaSO 4 ) an. Eine der bedeutendsten Zitronensäureproduzen- ten ist die Jungbunzlauer Holding AG, die bereits seit 1901 in Pernhofen nahe Laa an der Thaya biotechnologische Pro- dukte erzeugt, seit 1962 Zitronensäure. Abb. 6.17: Biosynthese von Glutamat Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv