Das INFORS Kochbuch: Grundwissen, Rezepte und Strategien für mikrobielle Prozesse

M
Maillardreaktion
Als nichtenzymatische Bräunungsreaktion entstehen aus Aminosäuren
oder Peptiden und reduzierenden Verbindungen wie
Zuckern neue, meist wohlriechende Verbindungen. Von grosser
Relevanz ist diese Reaktion beim Kochen und in der Lebensmittelindustrie,
da daher das Aroma und die Färbung von Geröstetem,
Gebackenen oder Gebratenen stammen. Auch bei der Vorbereitung
eines Bioprozesses findet diese Reaktion beim Autoklavieren
von protein- und zuckerhaltiger Nährlösung statt, weshalb diese
Komponenten separat autoklaviert werden sollten.
Massendurchflussregler (Mass Flow Controller, MFC)
Ein Gerät, welches den Gasvolumenstrom präzise misst und regelt,
den aktuellen Gasvolumenstrom elektronisch an den Bioreaktor
meldet, und vom Bioreaktor Sollwerte beziehen kann. Sind am
Bioreaktor mehrere Gaseingänge vorhanden, so können diese entweder
über getaktete Magnetventile mit einem einzigen Massendurchflussregler
verbunden werden oder jeweils mit einem eigenen
Massendurchflussregler ausgestattet werden, um verschiedene
Gasgemische herzustellen. Massendurchflussregler sind somit ideal
zur Regelung der Gelöstsauerstoffkonzentration geeignet.
P
Parallel-Bioreaktor
Zwei oder mehr Bioreaktoren, welche mit einem gemeinsamen
Mess- und Kontrollsystem ausgestattet sind und in Gruppen angesteuert
werden, bilden einen Parallel-Bioreaktor. Je nach Modell
handelt es sich um vereinfachte, stark miniaturisierte Rührkesselreaktoren,
die nur die absoluten Standardfunktionen eines (meist
Rührkessel-) Bioreaktors wie pH-Messung und Durchmischung
beherrschen. Andere Modelle wie der Multifors 2 verwenden
trotz des verkleinerten Arbeitsvolumens dieselbe Technologie,
wie sie in grossen Bioreaktoren anzutreffen ist, und lassen sich
ebenso durch leistungsstarke Optionen wie zusätzliche Sensorik
erweitern. Generelle Schlüsselpunkte sind die Einfachheit der
Bedienung und somit die Geschwindigkeit, mit der Bioprozesse
durchgeführt werden können. Anwendungen von Parallel-Bioreaktoren
beinhalten Prozessoptimierung, statistische Analyse,
Scale-Down von grösseren Massstäben sowie die Erforschung des
Einflusses einzelner Parameter, die variiert werden.
Peristaltikpumpe
Eine Pumpe, die über einen Schrittmotor angetrieben wird und
einen Walzenkopf in einem festen Gehäuse besitzt. Geeignete
Schläuche werden zwischen den Walzen und dem Gehäuse hindurchgeführt,
sodass mit der peristaltischen Bewegung Flüssigkeit
durch den Schlauch z.B. aus einem Vorratsgefäss in den Bioreaktor
gefördert wird.
Phototroph
Geschieht die Energiegewinnung mithilfe des Sonnenlichts, so
sind die Organismen phototroph.
PID-Regler
Ein Regler, der aus einem Proportional-, Integral- und Differentialteil
besteht, um möglichst schnell und ohne Überschiessen den Sollwert
einzustellen. Dies wird zum Beispiel in Kaskaden eingesetzt.
Pilot-Massstab
Typische Arbeitsvolumina im Pilot-Massstab reichen von 20 l bis
500 l. Im Pilotmassstab wird das Scale-Up von Produktionsprozessen
getestet und optimiert.
pO 2
S. Gelöstsauerstoffkonzentration.
Port
Dies ist eine Öffnung im Bioreaktor (auf dem Deckel, an der Seite
oder manchmal sogar im Boden), in welche Elektroden, Gasanschlüsse,
Probenahmesysteme, Sparger oder weitere Zubehörteile
angeschlossen werden können. Ein Dichtungsring oder eine flache
Membran dichtet den Port ab. Wenn ein Port nicht in Benutzung
ist, muss dieser mit einem Blindstopfen verschlossen werden, um
Kontaminationen auszuschliessen. Die Anzahl und Grösse der
Ports sind wichtige Faktoren für das Design von Bioreaktoren, da
sich dadurch entscheidet, welche Extras hinzugefügt werden können.
Gängige Port-Grössen sind 10 mm, 12 mm mit Pg13.5-Gewinde,
19 mm und 25 mm.
Probenahmegerät/-system
S. Super Safe Sampler
Produktionsmassstab
Dies bezieht sich im Regelfall auf Bioreaktoren grösser als 500 L,
wobei die grössten Exemplare auch einige Kubikmeter umfassen
können. Mit dem Einzug wertschöpfungsintensiver rekombinanter
Proteine können allerdings auch schon 10 L Bioreaktoren in den
Produktionsmassstab gezählt werden.
Pt100(-Sensor)
S. Temperatursensor.
Q
Qualifizierung
Eine Sammlung von Dokumenten und Testergebnissen, welche
belegen, dass der Bioreaktor entsprechend der gegebenen
Standards produziert und getestet wurde. Dies ist häufig Teil eines
umfassenderen Validierungsprozesses.
R
Rekombinante Proteine
Ein Protein, welches mittels tierischer oder Bakterienzellen durch
gezielte genetische Veränderung dieser Zellen exprimiert wird.
Je nachdem, wo das Protein exprimiert wird, entscheidet sich
dadurch die Extraktions- und Aufreinigungsstrategie. Sind mehrere
Kopien des zu exprimierenden Genes vorhanden oder den
Zellmetabolismus störende Gene entfernt, kann die Produktion
des rekombinanten Proteins weiter angekurbelt werden.
Respiratorischer Quotient (RQ)
Der RQ wird aus dem Verhältnis des Sauerstoffverbrauchs zum
Kohlenstoffdioxidausstoss berechnet und lässt Rückschlüsse auf
den Stoffwechselzustand einer Kultur zu. Er wird herangezogen,
um die Feedrate für die Kohlenstoffquelle zu kontrollieren oder
eine bessere Balance zwischen Biomasseproduktion und der
Metabolitbildung zu erzielen. Moderne Bioprozess-Software bietet
standardmässig Soft-Sensoren, die die Berechnung des RQ in
Echtzeit ermöglichen.
Rotameter
Ein Nadelventil zur manuellen Steuerung des Gasvolumenstroms.
Als Anzeige dient eine Stahl- oder Kunststoffkugel, die entsprechend
des Gasvolumenstroms in einer konisch nach unten
zulaufenden Röhre mit Kalibrationsskala schwebt. Anhand der
Skalierung kann der Gasvolumenstrom abgelesen wird, wobei
Messfehler bis zu 10 % typisch sind, insbesondere bei niedrigen
Flussraten. Gase mit verschiedener Dichte benötigen eine andere
Kalibrationsskala. Die Messwerte können nicht an den Controller
weitergegeben werden und eine Änderung der eingestellten
Gasvolumenstroms ist ausschliesslich händisch möglich, sodass
Gasstrecken mit Rotametern nicht zur automatischen Regelung
der Gelöstsauerstoffkonzentration verwendet werden können.
Rührkesselreaktor
Ein Rührkesselreaktor (auch Stirred Tank Reactor, STR) ist ein
spezieller Bioreaktorentyp mit einem Rührwerk und Impellern zum
Mischen der flüssigen Phase. Dieses «traditionelle» Design wurde
für die ersten Kulturen zur Antbiotikaproduktion in den 1940er
Jahren eingesetzt.
Rushton-Impeller
S. Impeller
S
SCADA
Steht für Supervisory Control and Data Acquisition. Allgemein
gesproichen handelt es um ein Computersystem für das Sammeln
und Analysieren von Echtzeitdaten. Im Bereich der Biotechnologie
sind SCADA mittlerweile Standard zur Optimierung und Überwachung
von Bioprozessen.
Sauerstoffanreicherung
Dieser Vorgang kann genutzt werden, um eine weitere Erhöhung
der Zellzahl herbeizuführen, indem der prozentuale Sauerstoffgehalt
der zum Bioreaktor zugeführten Luft durch reinen Sauerstoff
erhöht wird. Dies kann beispielsweise durch eine zweite, mit
einem Massendurchflussregler versehene Gasstrecke realisiert
werden.
Sauerstofftransportrate
(auch Oxygen Transfer Rate, OTR) beschreibt, wie effizient der
Sauerstoffübergang aus den Gasblasen in das Medium des Bioreaktors
übergeht. Die Grösse der Gasblasen, die Verweildauer
im Reaktor sowie die Sauerstoffsättigung bei einer bestimmten
Temperatur sind massgebliche Faktoren für die Sauerstofftransportrate.
Eine mathematische Definition erfolgt über den k L
a, den
volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten, und die Sauerstoffkonzentration
im eingetragenen Gasgemisch sowie der Gleichgewichtskonzentration.
Typische OTR für einen Rührkesselreaktor
liegen zwischen 50–100 mmol l –1 h –1 .
Scale-Down
Dies erlaubt, die Schlüsselparameter eines Bioprozesses im grossen
Massstab auf kleine Gefässe zu übertragen, indem die erhaltenen
Informationen extrapoliert werden.
Scale-Up
Das Aufskalieren eines Prozesses vom Labor- in den Produktionsmassstab
erfolgt in mehreren Schritten. Während jeder Etappe
werden Faktoren wie die Handhabbarkeit, Leistungseintrag, Begasung,
Mischzeit, Rührerdrehzahl und Temperaturkontrolle beurteilt
und anhand der Grösse angepasst.
Schaum
An die Oberfläche tretende Gasbläschen aus dem Sparger als
auch im Kulturmedium gelöste Proteine können während des
Bioprozesses zur Schaumbildung führen. Die Zudosierung flüssigen
Antischaummittels und/oder Nutzung eines mechanischen
Schaumbrechers schaffen dort Abhilfe.
Schaumsensor
Ein Leitfähigkeitssensor, der zur Detektion von Schaum oberhalb
der flüssigen Phase einer Kultur genutzt wird. Die Sonde ist mit
einem nicht-leitenden Mantel versehen, aus dem lediglich die
unbedeckte Spitze zur Schaumdetektion herausragt. Wird Schaum
erkannt, wird meist ein Antischaummittel über eine Peristaltikpumpe
mit einer programmierten zeitlichen Verzögerung hinzudosiert.
Die zeitliche Verzögerung wird verwendet, um einer
etwaigen Überdosierung entgegenzuwirken.
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