Überblick über die Bioverfahrenstechnik

Die Bioverfahrenstechnik ist ein Gebiet, in dem viele ingenieurwissenschaftliche Disziplinen eingesetzt werden, um ein bestimmtes Produkt aus lebenden Organismen herzustellen. Typischerweise handelt es sich bei den Organismen um genetisch veränderte Zellen, die so verändert werden, dass sie ein bestimmtes Produkt, ein Protein oder eine Chemikalie produzieren. Die Zellen werden dann im großen Maßstab gezüchtet, um das Produkt herzustellen, das später mit nachgelagerten Prozessen wie der Chromatographie gereinigt wird. In diesem Video wird ein Beispiel für einen Bioprozess vorgestellt, prominente Methoden auf diesem Gebiet sowie einige wichtige Herausforderungen und Anwendungen der Technologie vorgestellt.

Werfen wir einen Blick auf ein Beispiel für einen Bioprozess, bei dem Zellen verwendet werden, um ein Produktprotein herzustellen. Zuerst wird der Organismus ausgewählt, der bakteriell, pilzlich oder säugetierartig sein kann, je nachdem, wie gut er in der Lage ist, das gewünschte Produkt herzustellen. Die Zellen werden genetisch verändert, um ihre Fähigkeit zur Herstellung des Produkts zu maximieren und unnötige Nebenprozesse zu minimieren. Die modifizierten Zellen werden in großem Maßstab gezüchtet, der als Upstream-Prozess bezeichnet wird. Eine gängige vorgeschaltete Technik ist eine Suspensionskultur, bei der ein Gefäßbioreaktor verwendet wird, um die Zellkultur zu züchten. Die Kultur wird expandiert und die Zelldichte nimmt zu, indem auf immer größere Volumina umgestellt wird. Sobald die Kultur das gewünschte Volumen erreicht hat, wird das Produktprotein aus den Zellen geerntet, entweder durch Sekretion, bei der die Zellen das Protein ausspucken, oder durch Lyse, bei der die Zelle aufgebrochen wird, um es freizusetzen. Das Produkt wird dann im nachgelagerten Prozess gereinigt, um Verunreinigungen wie Zelltrümmer und andere Proteine zu entfernen. Bei einem typischen nachgelagerten Prozess werden viele Arten von Technologien in Reihe verwendet, um das Produkt zu reinigen und zu konzentrieren. Die Filtration wird oft zuerst verwendet, um Zelltrümmer und große Partikel zu entfernen. Die Chromatographie ist eine weitere Technologie, die zur Isolierung und Konzentration des interessierenden Proteins verwendet wird. Das gereinigte Endprodukt wird dann lyophilisiert oder gefriergetrocknet, um das Protein für die Lagerung zu stabilisieren. Typische Bioprozesse werden zunächst im Labormaßstab entworfen, dann auf den Pilotmaßstab hochskaliert, bevor sie für die Herstellung weiter skaliert werden. Nachdem wir nun einen grundlegenden Bioprozess vorgestellt haben, werfen wir einen Blick auf einige prominente Methoden auf diesem Gebiet.

Die Zellkultur von Säugetieren wird am häufigsten bei der industriellen Herstellung von rekombinanten Proteintherapeutika eingesetzt. Ovarialzellen des chinesischen Hamsters, oder CHO-Zellen, sind eine der am häufigsten verwendeten Zelltypen. Im Gegensatz zu Bakterienzellen sind Säugetierzellen in der Lage, komplexe posttranslationale Modifikationen an Proteinen vorzunehmen. Bei diesen Modifikationen handelt es sich um strukturelle oder chemische Veränderungen, die an dem Protein vorgenommen werden, nachdem es in das Ribosom übersetzt wurde. Dies ist unerlässlich, um komplexe Strukturen herzustellen, die für therapeutische Proteine notwendig sind. Die Zellkultur von Säugetieren erfordert während des Wachstums sorgfältige Überlegungen, da die Zellen empfindlicher sind als Bakterienzellen. Eine effektive Belüftung ist erforderlich. Scherschäden müssen jedoch minimiert werden. Eine gut kontrollierte, homogene Umgebung mit strenger pH- und Temperaturkontrolle und schneller Entfernung giftiger Produkte ist ebenfalls erforderlich. Industrielle Prozesse werden hochskaliert, um ein hohes Volumen des Produkts zu produzieren. Ein Scale-up ist nicht so einfach wie die proportionale Erhöhung des Volumens und damit der Größe der Ausrüstung. Es wird ein Skalierungsfaktor verwendet, der das Verhältnis des Massenstroms der Skaleneinheit zur Piloteinheit darstellt. Skalierungsfaktoren werden verwendet, um die Größe von geometrisch ähnlichen Tankreaktoren zu bestimmen. Wenn beispielsweise das Volumen skaliert wird, skaliert der Behälterdurchmesser mit dem Skalierungsfaktor S mit S auf 1/3. Dies liegt an den Einschränkungen der Massen- und Wärmeübertragung mit dem größeren Tankvolumen.

Bei der Herstellung biologischer Produkte werden lebende Organismen verwendet, die anfällig für Kontaminationen sind. Bei den Schadstoffen kann es sich um Bakterien, Pilze oder Viren handeln, die von Personal, Materialien oder Geräten stammen, die bei der Herstellung verwendet werden. Mikrobielle Kontamination führt zu Produktvariabilität und kann zu einer Degradation des Produktproteins führen. Viele Bioprozesse werden zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet, die von Regierungsbehörden streng reguliert werden, um sicherzustellen, dass sie sicher und wirksam sind. Das Medikament selbst durchläuft zunächst strenge Labortests und klinische Studien. Sobald das Medikament zugelassen ist, muss auch der Herstellungsprozess einer Prüfung und Zulassung unterzogen werden. Die Regulierung ist zwar unerlässlich, um ein sicheres Endprodukt zu gewährleisten, führt jedoch zu zusätzlichen Einschränkungen für den Engineering-Prozess. Parameter wie zulässige Reagenzien, Kontaminanten und Konzentrationen sind streng begrenzt.

Nachdem Sie nun einige der gängigen Techniken und Herausforderungen in der Bioprozesstechnik kennengelernt haben, werfen wir einen Blick auf einige reale Anwendungen. Im Gegensatz zu niedermolekularen Arzneimitteln wie Aspirin und Paracetamol sind viele komplexe Arzneimittel rekombinante Proteine und werden durch Bioprozessierung hergestellt. Rekombinante Proteintherapeutika haben in den letzten 25 Jahren rasant zugenommen, mit Dutzenden von zielgerichteten Therapien. AIDS, Krebs, Infektionskrankheiten, Wundheilung, Ernährungsstörungen, Schlaganfall und septischer Schock sind nur einige der Bereiche, in denen Proteintherapeutika als Therapie angeboten werden. Bioprocessing wird auch zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol eingesetzt. Ethanol wird aus zellulosehaltigem Material wie Zuckerrohr oder Mais hergestellt. Der Prozess beginnt mit der Isolierung von Zellulose aus Rohstoffen, gefolgt von der enzymatischen Hydrolyse und der Fermentation mit Hefe. Dieser Bioprozess wird im Produktionsmaßstab durchgeführt, um große Mengen an Ethanol für alternative Energien herzustellen.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Bioprozesstechnik gesehen. Sie sollten nun den grundlegenden Bioprozess, einige gängige Methoden und Herausforderungen sowie Anwendungen der Technologie verstehen. Danke fürs Zuschauen.