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Biotechnologie für Chemiker, Teil 6

Downstream-Processing, Part I

Biotechnologische Fermentationen, die diskontinuierlich bzw. semi-kontinuierlich ablaufen, werden nach einer Bestimmten Zeitspanne dem Downstream-Prozeß zugeführt, d.h. die Fermenterbrühe wird dann aufgearbeitet und am Ende liegt dann ein fertiges Produkt mit der gewünschten Reinheit vor. Bei kontinuierlich laufenden Fermentationen erfolgt, im Unterschied zu den vorher genannten Verfahren, die entsprechende Aufarbeitung kontinuierlich, da ein ständiger Ablaufstrom vorliegt.

Es gibt drei Abschnitte, in die der komplette Prozeß eingeteilt wird, nämlich der des Upstreams, der Fermentation und des Downstreams, wobei alle 3 Phasen unter sterilen Bedingungen ablaufen.

Upstream bezieht sich auf die komplette Vorbereitungsphase bevor ein Fermenter angeimpft und damit gestartet wird, d.h. Herstellung der Nährmedien, Züchtung der Vorkulturen und Sterilisation aller eingesetzten Medien und sämtlicher Bauteile des Reaktors.

Die Fermentation wird durch das Animpfen mit den gezüchteten Vorkulturen gestartet. Nach einer sogenannten lag-Phase, in der sich die Mikroorganismen auf die „neue“ Umgebung einstellen, beginnt die exponentielle Phase (Anstieg der Zellzahlen um Zehnerpotenzen) und damit ein enormes Anwachsen der Anzahl der Mikroorganismen. Jede Zelle zählt, ist sie doch eine kleine Produktionsstätte, die zum Gesamtergebnis beiträgt.

Der Downstreamprozeß schließt sich nun an und betrifft alle notwendigen Aufarbeitungsschritte (z. B. Extraktion, Filtration, Chromatographie),bis zum fertigen Produkt in der gewünschten Darreichungsform bzw. Konfektionierung. Dieser Teil macht oftmals mehr als die Hälfte der Gesamtkosten aus.

Ist der Fermentationsprozeß fertig, muß die Fermenterbrühe aufgearbeitet werden. Bei intrazellulär entstandenen Produkten, meistens handelt es sich hier um Proteine, muß ein Zellaufschluss durchgeführt werden, d.h. es muß die Zellmembran zerstört werden, um an das Zellinnere zu gelangen. Industriell wird hier mit Verfahren gearbeitet, die hohe Scherkräfte und Prallkräfte wirken lassen, wie z. B. beim Hochdruckhomogenisator (Scher- und Pralllkräfte) oder bei den Kugelmühlen (Scherkräfte).

Mit hoher Ausbeute an aufgeschlossenen Zellen geht es dann in die nächste Stufe und diese kann z. B. die Ausfällung des Proteins beim isoelektrischen Punkt sein. Proteine können durch Änderung der Temperatur, durch Aussalzen, durch Zugabe von Alkohol oder auch hydrophilen Polymeren ausgefällt werden.
Je nach Protein schließen sich mehrere weitere Aufreinigungsschritte, wie z. B. (Adsorptions-, Ionenaustausch-, Größenausschluß-, Affinitäts-) Chromatographie, an, bis das Protein die erforderliche Reinheit, meist unter GMP-Bedingungen hergestellt, aufweist.
Die Affinitätschromatographie spielt hier eine große Rolle, weil sie eine sehr spezifische Abtrennung eines Proteins vom Rest der fluiden Phase ermöglicht. Es ist jedoch auch möglich, daß eine Kombination verschiedener chromatographischer Verfahren zum Einsatz kommt.

Bei Proteinen handelt es sich oft um pharmazeutische Produkte, die, den gesetzlichen Vorgaben entsprechend, unter cGMP-Bedingungen hergestellt werden müssen und an deren Reinheit sehr hohe Anforderungen gestellt werden. cGMP steht für current Good Manufacturing Practices, d.h. eventuelle Änderungen werden schnellstmöglich in das Herstellverfahren implementiert.

Dies stellt auch gleichzeitig eine Qualitätssicherung dar und wird durch Inspektionen von nationalen wie auch internationalen Behörden, wie z. B. FDA (USA), BfArM (Deutschland), EMA (Europäische Union), MHRA (United Kingdom), AFSSAPS (Frankreich), AGES (Österreich), ANVISA (Brasilien), DCGI (Indien), kontrolliert und dokumentiert.

Biotechnologie für Chemiker

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