Biotechnologie
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Hanswerner Dellweg Biotechnologie Grundlagen und Verfahren VCH Inhalt Liste der benützten Abkürzungen XIII 0 Einleitung 1 0.1 Bedeutung der Biotechnologie 1 0.2 0.2.1 0.2.2 0.2.-3 0.2.4 0.2.5 0.2.6 0.2.7 0.2.8 0.2.9 0.2.10 0.2.11 0.2.12 0.2.13 0.2.14 0.2.15 Die wichtigsten Produkte der Fermentationsindustrie Bier WeinundSekt Destillierte alkoholische Getränke Industriealkohol Backhefe Speiseessig Antibiotica Steroide Vitamine Citronensäure Aminosäuren Enzyme Eiweißhefe Butanol-Aceton Biotechnologiemarkt 3 3 3 4 4 6 6 7 8 9 10 11 12 12 15 15 0.3 Die technisch wichtigsten Mikroorganismen 16 0.4 0.4.1 0.4.2 0.4.3 0.4.4 Versorgung der Mikroorganismen mit Substraten Versorgung mit Sauerstoff Versorgung mit anderen Elementen Versorgung mit Stickstoff Versorgung mit Kohlenstoff 16 18 20 22 22 0.5 Das Nährmedium 25 0.6 0.6.1 0.6.2 0.6.3 0.6.4 0.6.5 Terminale Wasserstoffakzeptoren >. . . Gärungen Atmung Anaerobe Atmung Unvollständige Oxidationen Energetischer Vergleich zwischen aerobem und anaerobem Stoffwechsel . . 28 28 29 29 30 30 VIII Inhalt 1 Verfahrenstechnische Grundlagen von Fermentationen 33 1.1 1.1.1 1.1.2 Sterilisation des Mediums Hitzesterilisation Kinetik der Inaktivierung von Mikroorganismen 33 34 35 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 Die wichtigsten fermentationstechnischen Verfahren Oberflächenverfahren Submersverfahren Kontinuierliche Verfahren 37 37 38 42 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 Aufarbeitung von Bioprodukten Abtrennung Aufschluß von Mikroorganismenzellen Anreicherung Reinigung Modifikation Trocknung Produktabtrennung in situ 45 45 47 47 50 51 52 52 2 Kinetische Grundlagen für Wachstum und Produktbildung 57 2.1 2.1.1 2.1.2 Diskontinuierliche Kultur Die Wachstumskurve Produktbildung im diskontinuierlichen Prozeß 57 57 63 2.2 2.2.1 2.2.2 Kontinuierliche Kultur Das Z/D-Diagramm Stabilitätseigenschaften der kontinuierlichen Kultur 68 69 70 2.3 2.3.1 71 2.3.2 2.3.3 Ausbeute des mikrobiellen Wachstums Ertragskonstante FAT/ATP, Erhaltungsenergie und deren biologische Ursachen Das Konzept der „verfügbaren Elektronen" Sauerstoffbedarf und Sauerstoffversorgung _ 73 78 81 3 Zellsubstanz-Biosynthese 89 3.1 Backhefe 89 3.2 Nähr-und Futterhefe 99 3.3 3.3.1 3.3.2 Weitere Verfahren zur Hefegewinnung Verhefung von Molke Verhefung von Stärkesuspensionen 104 104 104 Inhalt IX 4 Unvollständige Oxidationen und Gärungsprozesse 107 4.1 4.1.1 4.1.2 Oxidation von Alkoholen Gewinnung von Essigsäure Sorbit-Sorbose-Oxidation 108 108 109 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 Technische Gärungen Ethanol Milchsäure Butanol-Aceton-Gärung 110 110 116 116 5 Mikrobielle extrazelluläre Polysaccharide 121 5.1 5.1.1 5.1.2 5.-1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 Technisch interessierende Polymere aus Mikroorganismen Dextrane Lävane Amylose Pullulan Xanthan Alginate Curdlan 121 121 122 123 123 123 124 124 5.2 Produktion von Dextran 124 5.3 Aminoglycosid-Antibiotica 126 5.4 Glycoside im Pflanzenreich 126 6 Primäre Biosyntheseprodukte 6.1 6.1.1 6.1.2 Citronensäure . Biochemische Grundlagen Herstellungstechnik 129 129 132 6.2 Fumarsäure 137 6.3 Andere Säuren des Citratcyclus 137 6.4 Gluconsäure 138 7 Sekundäre Biosyntheseprodukte 140 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 Antibiotica Penicilline Cephalosporine Streptomycine 141 141 149 150 unter Verwendung von Pilzen 129 X Inhalt IAA 7.1.5 7.1.6 7.1.7 7.1.8 Chloramphenicol Tetracycline Puromycin Wirkungsweise von Antibiotica Resistenzfaktoren gegen Antibiotica 152 152 153 154 155 7.2 Gibberelline 155 7.3 Ergot-Alkaloide 157 7.4 Sekundärprodukte aus Pflanzenzellkulturen 158 8 Mikrobielle Stoffumwandlungen 163 8.1 Fermentation . 163 8.2 8.2.1 8.2.2 8:2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 Steroid-Transformationen Hydroxylierungsreaktionen Einführung einer Ketogruppe Seitenkettenabbau Einführung einer Doppelbindung Aromatisierung Verwendung von immobilisierten Enzymen oder Zellen 164 165 166 167 168 168 169 8.3 Biotransformationen in anderen Stoffklassen 169 9 Einzellerproteine 173 9.1 Eiweißbedarf des Menschen 173 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 Eiweißerzeugung Fischprotein . . Algenkulturen Blattproteine : 177 177 178 180 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 Eiweiß aus Mikroorganismen Verfahren mit Paraffinen Prozeßmerkmale der SCP-Gewinnung Produktmerkmale Die früheren Verfahren mit Hefen SCP aus Methanol Genetisch veränderte Mikroorganismen für SCP 180 181 183 184 185 187 190 9.4 Mikrobielle Verfahren zur Herstellung von Futtermitteln 192 9.5 Mikrobielle Verfahren zur Gewinnung von Nahrungsmitteln 193 (Biotransformationen) , Inhalt XI 10 Aminosäuren und Nucleotide 197 10.1 Verwendung und Bedeutung von Aminosäuren 199 10.2 10.2.1 10.2.2 Chemische Synthese von Aminosäuren Stereoisomeren-Trennung Trennung von Acetyl-D, L-aminosäuren mit immobilisierten Aminoacylasen 202 204 Fermentative Aminosäuregewinnung L-Glutaminsäure L-Lysin Produktion weiterer Aminosäuren mit auxotrophen und regulatorischen Mutanten 207 207 209 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 Enzymatische Aminosäure-Synthesen Ammonia-Lyasen Pyridoxalphosphat-Enzyme Aminosäure-Dehydrogenasen 214 214 215 218 10.5 Gewinnung von Nucleosiden und Nucleotiden 219 10.6 Fermentative Gewinnung von Nucleotiden . . . 220 11 Technische Enzyme und Biokatalysatoren 223 11.1 Tierische Enzyme 224 11.2 Pflanzliche Enzyme 224 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 Mikrobielle Enzyme Zur Exkretion mikrobieller Proteine Allgemeine Gesichtspunkte zu mikrobiellen Enzymen Herstellungsverfahren für mikrobielle Enzyme Aufarbeitung von Enzymen und Proteinen Enzymaufarbeitung in wäßrigen Phasensystemen Die wichtigsten Enzyme von industriellem Interesse 225 225 226 227 230 232 236 11.4 Immobilisierung von Enzymen 240 11.5 Immobilisierung von Mikroorganismenzellen 247 11.6 Reaktoren für den Einsatz von immobilisierten Biokatalysatoren 248 11.7 11.7.1 11.7.2 11.7.3 Einsatz immobilisierter Biokatalysatoren Immobilisierte Glucoseisomerase (IGI) Immobilisierte Penicillin-Acylase (IPA) Andere Prozesse mit immobilisierten Biokatalysatoren 251 252 253 254 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 205 213 XII Inhalt 11.8 11.8.1 11.8.2 11.8.3 Membranverfahren für enzymatische Umwandlungen Membrantypen und deren Aufbau Der Enzym-Membranreaktor (EM-Reaktor) Multienzymsysteme mit Cofaktor-Regenerierung 255 255 258 261 11.9 Biosensoren 262 12 Abwasserbehandlung 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 Abwasserreinigung Aerober contra anaerober biologischer Abbau Abwasseranalytik Chemischer und biologischer Sauerstoffbedarf 270 270 271 271 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 Aerobe Abwasserbehandlung Die Mischpopulationen im Belebtschlamm Verfahrenstechnische Aspekte der aeroben Abwasserbehandlung Schlammabtrennung Schlammentsorgung 274 274 277 282 284 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 Anaerobe Behandlung von Abläufen Thermodynamische Aspekte des anaeroben Abbaus Konventionelle Faultürme Prozeßvarianten des anaeroben Abbaus Abwasserbehandlung durch anaerobe Prozesse Wichtige Prozeßparameter der anaeroben Abwasserreinigung Energie aus Abfällen 287 292 296 296 299 302 302 Literatur 305 Register 311 und Methangärung 267
