Kartenstapel

Unter Biotechnologie wird die Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biologie und der Biochemie in technische oder technisch nutzbare Elemente verstanden. Mikroorganismen, beispielsweise Bakterien oder Hefepilze, wandeln Nahrungsbestandteile um

Definition

jede technologische Anwendung, die biologische Systeme, lebende Organismen oder Produkte daraus verwendet, um Erzeugnisse oder Verfahren für eine bestimmte Nutzung herzustellen

Einteilung der Biotechnologie in FARBEN

Anspruch: den zukünftigen Generationen die Chance auf ein erfülltes Leben zu sichern

Optimierte Mikroorganismen oder einzelne Bestandteile von ihnen wie Enzyme liefern neue Rohstoffe oder Produkte - Bsp.: Wasserkefir

Im Fokus steht Biomasse als nachwachsender Rohstoff. Sie kann aus Pflanzen, Mikroorganismen, Algen oder etwa Pilzen entstehen

Es ist wichtig, dass innerhalb einer Produktion von Lebensmittel alle Ressourcen genutzt werden, gerade auch die heutigen noch als Nebenstrom identifizierten Produkte

Enzyme sind hocheffektive Biokatalysatoren*, die chemische

Reaktionen innerhalb eines Organismus beschleunigen

Enzyme katalysieren die Einzelschritte von Auf- und AbbauProzessen

die Reaktionsgeschwindigkeit gibt an, welche Stoffmenge an

Substrat pro Zeiteinheit in einem bestimmten Volumen

umgesetzt wurde

sie ist abhängig von der Temperatur, dem pH-Wert, der

Salzkonzentration sowie der Konzentration der Substrate und

Produkte

das Steigern der Temperatur führt zu einer erhöhten

Reaktionsgeschwindigkeit.

KM = Michaelis-Konstante in mM charakterisiert die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat.

Je kleiner KM, desto größer die Affinität

KM ist abhängig vom Substrat, pH-Wert, Temperatur und Ionenstärke

1. Kompetitive Hemmung

Der Inhibitor konkurriert mit dem Substrat um das aktive Zentrum Das Enzym kann entweder Substrat oder Inhibitor umsetzen, die Reaktionsgeschwindigkeit wird also verringert, indem die Konzentration an Enzym mit gebundenem Substrat verringert wird

2. Nicht kompetitive Hemmung

Der Inhibitor bindet an einem Teil des Enzyms, der nicht mit dem aktiven Zentrum identisch ist Das Enzym kann demnach Substrat und Inhibitor binden. Die Geschwindigkeit wird dennoch verringert, da der Inhibitor eine Enzymkonfirmation mit verringerter Substrataffinität und somit katalytischer Aktivität stabilisiert. Durch Erhöhung der Substratkonzentration kann dieser Hemmeffekt nicht aufgehoben werden

3. Unkompetitive Hemmung

Der Inhibitor bindet nicht an das freie Enzym, sondern an den Enzym-Substrat-Komplex und inaktiviert diesen.

 ohne Cofaktor ist ein Enzym ein Apoenzym

 ist an ein Apoenzym ein Cofaktor gebunden, wird es Holoenzym genannt

 Sind die Cofaktoren fest an das Enzym gebunden sind es prosthetische Gruppen (z.B. FAD). Sind sie nur vorübergehend gebunden nennt man sie Co-Substrate (z.B. NADH)

2. Bakterien

3. Hefen

vermehren sich asexuell durch Sprossung: Bildung von Tochterzellen an der Mutterzelle oder im Falle von sogenannten „Spalthefen“ der Gattung Schizosaccharomyces durch Querteilung der Mutterzelle

4. Filamentöse Pilze

5. Algen

mit Algen sind sämtliche Wasserorganismen gemeint, die zur Photosynthese fähig sind: Cyanobakterien (Oxyphotobacteria, s. u.) und eukayotische Grünalgen

Vorteile Mikroalgen

Einordnung und Unterscheidung

Milchsäurebildende Bakterien

 microaerophil oder fakultativ anaerob

 mesophile Arten und thermophile Arten

 Kokken besitzen Größe von etwa 1 μm DM, Stäbchen sind etwa 1 μm breit und 2 to 3 μm lang

 pH- Optimum liegt im sauren Bereich bei etwa 3-4

 bilden keine Sporen (Ausnahme: Sporolactobac.)  natürliches Habitat: Intakte und sich zersetzende Pflanzen, Darm und Schleimhäute von Mensch und Tier

Milchsäurebakterien sind in der Lage,

Lactose zu Milchsäure abzubauen

(=Milchsäuregärung)

Grundprozess ist die Umsetzung von

Milchzucker (Lactose) in Milchsäure,

durch die Enzyme (Laktase) der

Milchsäurebakterien

homofermentative Milchsäurebakterien können als Gärprodukt nur Milchsäure bilden

heterofermentative Milchsäurebakterien können Milchsäure, CO2, Ethanol und/oder Essigsäure bilden

Essigsäurebildende Bakterien

gramnegative Stäbchen, obligativ aerob, ca. 1-4 μm

 mesophil (Temperaturoptimum: 25-30 C°)

 pH-Optimum liegt im sauren Bereich zwischen 5,2 und 6,3

 natürliche Habitate: Blüten, Früchte

Insekten als Überträger, besonders in der Erntezeit: Wespen,

Bienen & Essigfliegen

Propionsäurebildende Bakterien

wichtigste Vertreter: Propioni bacterium freudenreichii

 grampositive Stäbchen, anaerob bis mikro-aerotolerant

 sporenlos und unbeweglich

 mesophil

 pH-Optimum liegt im neutralen Bereich, bei 6-7

 natürliches Habitat: Menschliche Haut, Pflanzen

 wirken probiotisch (Stimulieren das Wachstum von Bifidobakterien) und einige können Vitamin B12 synthetisieren

Primärmetaboliten:

 niedermolekulare Intermediate bzw. Produkte des Primärstoffwechsels, die zum Aufbau von Makromolekülen verwendet, weiter (unter Energiegewinn) abgebaut oder ausgeschieden werden können.

Sekundärmetaboliten:

die nur in bestimmten Organismen, Organen, Geweben oder Zellen vorkommen und Produkte des Sekundärstoffwechsels sind. Sie unterscheiden sich von den Primärmetaboliten (Produkte des Grund- oder Primärstoffwechsels), die am Energiestoffwechsel, am Wachstum und an den Strukturen aller bzw. mindestens an einer großen Gruppe von Organismen beteiligt sind.

Starterkulturen sind gezüchtete Reinkulturen von Bakterien, Hefen,

Schimmelpilzen oder Algen

 als Suspensionen oder als lyophilisiertes Pulver

 auch in Bio-Lebensmitteln eingesetzt

 besitzen standardisierte Aktivitäten und Eigenschaften

 Somit ist garantiert:

optimales Wachstum und physiologische Eigenschaften

erwünschte Bildung von Produkten (z.B. Säurebildung,

Gasbildung) besondere Resistenzen (z.B. Phagen-Resistenz)

Essig – Essigmutter = ESB

Sauermilchprodukte wie Kefir,

Joghurt- Säurewecker = MSB

Sauerteig - Anstellgut = MSB Fleisch Wurstwaren - Starter = MSB Wein, Bier = Hefen Käse- Edelschimmel =Schimmelpilze Hefe

Kultur-Rotation:

Einsatz verschiedener Kulturen in bestimmter Reihenfolge um

Prozess zu führen und gewünschte Eigenschaften im Produkt zu

erreichen und resistenter gegen Fremdkontaminationen z.B.

Phagenbefall

Besonders in der Käse-Herstellung wichtig, um Phagen-Infektionen

zu vermeiden

Voraussetzung: Kulturen erzielen die gleichen Outcome (Säure,

Geschmack usw.)

Das Substrat wird insbesondere bei technisch oder wissenschaftlich angesetzten Substraten als Nährmedium bezeichnet.

Das Substrat kann (im weiteren Sinne) nach der Fermentation auch zum Produkt werden! Beispiel: Sauerkraut, Käse (= Produkte) Weißkohl, Milch (= Substrate)

C-haltige Reinsubstanzen für Zellsynthese und Produktbildung

 Mono-, Di-, Polysaccharide Gewinnung z.B. aus Kartoffeln

Getreide, Mais, Reis

 Aldosen

D-Glucose, L-Arabinose, D-Ribose, D-Mannose, DGalactose

 Ketosen = Ketonalkohole

einwertige/mehrwertige Alkohole

Stickstoff Aufbau von Biomasse für AS für Nukleinsäuren

komplexe organische N-Quellen z.B. Mehl oder Spelzen von

Erdnuss, Baumwollsamen, Sojabohne, Leinsamen, Mais,

Maisgluten, Cornsteep, Hefe, Fischmehl, Fleischmehl,

Knochenmehl, Blutmehl, Casein, Lactoalbumin,

Proteinpeptone, Proteinhydrolysate

 Milchprotein, Sojabohnen, Fisch, Erdnüsse, Hefeextrakt,

Baumwollsamen, Gelatine, Blut, Fleisch

 Peptone

Def

Jegliche mikrobielle Umwandlung organischer Stoffe in Bioreaktoren, also auch diejenige unter Sauerstoffversorgung.“

Kritierien

Bestimmte Kriterien definieren die Art der Fermentation z.B

.  Verteilung zwischen Biokatalysator und Substrat

 Verfügbarkeit von Sauerstoff /Gasen

 charakteristische, limitierende Stoffe

 Viskosität der charakteristischen Phase

Klassifizierung

Fermentation Def

„Jegliche mikrobielle Umwandlung organischer Stoffe in

Bioreaktoren, also auch diejenige unter

Sauerstoffversorgung.“

Bestimmte Kriterien definieren die Art der Fermentation

z.B.

 Verteilung zwischen Biokatalysator und Substrat

 Verfügbarkeit von Sauerstoff /Gasen

 charakteristische, limitierende Stoffe

 Viskosität der charakteristischen Phase

Organismus, der nur mit Luftsauerstoff leben kann

Submers-Fermentation ist der häufigste genutzte Typ, vor

allem im Lebensmittel-Bereich

 besonders von Vorteil um Wärmeaustausch und

Sauerstofftransport zu gewährleisten

 Nachteil: große Mengen von Wasser werden benötigt

 oftmals gibt es Überlappungsprozesse und ein Prozess

kann einer Kategorie nicht eindeutig zugeordnet werde

Unter einem Bioreaktor soll ein abgegrenzter Raum bzw. Apparat verstanden werden, in dem in Anwesenheit und unter Mitwirkung eines Biokatalysators eine Stoffumwandlung stattfindet.

Ziele

Verhinderung der Sedimentation von MO

 Auflösung von Zellaggregaten

 Zerteilung von koaleszierenden Gasblasen

 Verteilung in Flüssigkeiten mit hohen Viskositäten

Rührreaktor

universeller Einsatz

3 Verfahren

Satzverfahren

Inhaltsstoffe für die Durchführung einer biologischen Stoffumwandlung sind von Beginn an vorgelegt

Zulaufverfahren

Inhaltstoffe werden über den Zulauf als Funktion der Zeit dem Reaktor zugeführt.

Kontinuierlich

Konstantes Reaktionsvolumen im Reaktor mit Zu- und Abläufen

Airlift/Gaslift- Reaktor

Durch aufsteigende Gasblasen entsteht homogene Verteilung von Nährmedium, Sauerstoff und Temperatur bei geringen Scherkräfte

Spezialreaktor

Bioreaktor mit neuartiger “Rührtechnik“: geringe Scherkräfte durch Vibrationsmischen  Vibromixer mit „Paddel“

Mischen

Verteilen von Masseelementen in einem Prozessraum

 die zu mischenden Komponenten unterscheiden sich in wenigstens

einer Eigenschaft (z.B. chemische Zusammensetzung,

Partikelgröße, Temperatur, Viskosität, Farbe)

 die Bewegung wird durch bewegte Mischwerkzeuge (Schaufeln,

Rührer, Einbauten in bewegten Mischgefäßen) im Mischraum

hervorgerufen (Energieeintrag)

Ziel

 eine gleichmäßige, homogene Verteilung der Komponenten  die Erhöhung des biologischen Umsatzes unter Wahrung der Produktqualität  in der Regel bedeutet dies eine Beschleunigung des Stoff- und Wärmeübergangs

Scheibenrührer

 weit verbreitet

 Erzeugung einer radialen Strömung

 große Scherwirkungseffekte

 größeren Gas-/Flüssigkeits-/Grenzfläche als

Propellerrührer

Einfache Blattrührer (radial, ohne zentrale Scheibe)

 für begaste Bioreaktoren ungeeignet  Gas durchflutet Rührer ohne effektive Dispergierung

Scheibenrührer  Dispergierung von Luft 6 -7 mal besser als offene Blattrührer

Upstream-Processing Als Upstream-Processing bezeichnet man die vorbereitenden Maßnahmen für die Fermentation. Sie umfassen beispielsweise die fachgerechte Lagerung von Mikroorganismen, die Vorbereitung der Substrate oder auch die Reinigung und Sterilisation des Bioreaktors

Downstream-Processing Die Schritte, die zur Aufreinigung des Produktes aus der Fermentationslösung eines Bioreaktors nach Abschluss der Reaktion notwendig sind, bezeichnet man als Downstream-Processing

Scale-UP

ist eine aus dem Englischen (to scale up, vergrößern, erweitern) übernommene Bezeichnung für die in der chemischen oder biochemische Verfahrensentwicklung praktizierte Maßstabsvergrößerung der Herstellverfahren. Ziel ist der Bau einer technischen Produktionsanlage

Begriff für das Protein, es in Lebensmitteln oder Tierfutter verwendet werden können. Die Quelle dieses Proteins sind die Mikroorganismen wie z.B. Bakterien, Hefen, oder Algen, die als Einzeller wachsen

Essigsäure: ESB

Sauerkraut: MSB

Kombucha: ESB bilden Essigmutter = Grundlage für

SCOBY = Hefen ESB MSB symbiotic culture of bacteria and

yeasts

Wasserkefir: Hefen, MSB, ESB

MSB bilden gemeinsam mit Hefen eine gelartige Polysaccharid-Matrix = „Kristalle“ aus Dextran

-        Aufpassen mit Gärung (aneorob) und Oxidation (Reaktion mit Sauertsoff)

-        „Essigmutter“ (Hautartige Bildung an der Oberfläche von Essig (??))

-        Heutiges Verfahren um Essig herzustellen -> „Submersverfahren“

• Unterschied fermentierter /neu angesetzter Essig: ferment mehr Säure, da Stoffwechselweg Oxidation von Ethanol zu Essigsäure CH3OOOH+ H2O

-        Scoby

-        Temparaturschwankungen in der Herstellung / Lagerung wirken sich auf das Produkt aus, zB. Milchsäurebakterien-Aktivität (Optimum bei 37 Grad Celsius) die schwankt wirkt sich ua. Auf den Geschmack aus.

-        Mikroskopisch konnte man Hefen beobachten, Das „Abknospen“ von Tochterzellen von Mutterzellen

-        Bei 400facher optischer Vergrößerung konnte man Hefezellen beobachten

-        „OD“ -> Optische Dichte bzw. Optical Density

-        Bestimmung von Anzahl Milchsäurebakterien, OD-Messung nicht zielführend da ua. Trübstoffe das Messergebnis verfälschen

-        Salzlake kann eingesetzt werden um Sauerstoff zu verdrängen

-        Fluorid würde Bakterienwachstum mindern, deswegen wird es nicht verwendet

-        Süßlicher Hefegeruch

-        Im Geruch gibt es Ähnlichkeit zu Kanne Brottrunk (in fruchtig)

-        Nachweis mit (NH4)2[Ce(NO3)6] auf Ethanolgehalt

-        Leitungswasser statt destilliertes Wasser, da Enzyme Spuren von Mineralstoffen als Co-Faktoren benötigen

-        Z.B. Glucansucrase ( bzw. Glucosyltransferase)

-        Keine geschwefelte oder Pestizid-belastete Früchte verwenden, Schweldioxid wirkt zB. toxisch auf Mikroorganismen und ist deswegen in der Herstellung von Wasserkefir nicht erwünscht

-        Gelartige Polysaccharid-Matrix = „Kristalle“ (aus Dextran) entstehen, die Milchsäure Bakterien bilden diese mit…

- Scoby

- Temparaturschwankungen in der Herstellung / Lagerung wirken sich auf das Produkt aus, zB. Milchsäurebakterien-Aktivität (Optimum bei 37 Grad Celsius) die schwankt wirkt sich ua. Auf den Geschmack aus.

- Mikroskopisch konnte man Hefen beobachten, Das „Abknospen“ von Tochterzellen von Mutterzellen

- Bei 400facher optischer Vergrößerung konnte man Hefezellen beobachten