Labor Bioverfahrenstechnik / Bioaufbereitung

Im Labor Bioverfahrenstechnik / Bioaufbereitung am Umwelt-Campus Birkenfeld befindet sich zahlreiche Geräte, an denen die Studierende der Studiengänge "(Bio-)Verfahrenstechnik", "Bio- und Pharmatechnik" und "Biopharmazeutische Arzneimittelherstellung" ausgebildet werden. Sie lernen dabei alle wichtigen Verfahren der Bioverfahrenstechnik kennen.

Da das Labor als S1-Labor gemäß Gentechniksicherheitsverordnung zugelassen ist, kann auch mit gentechnisch veränderten Organismen (GVO) gearbeitet werden. Sicherheitsstufe S1 bedeutet dabei, dass durch die GVOs kein Risiko für die menschliche Gesundheit und die Umwelt besteht.

Das Equipment reicht von der Molekularbiologie (z. B. PCR-Thermocycler, Gelelektropherese, Elektroporator) über das sog. Up-stream processing (z. B. Ultratiefkühlschrank, Sicherheitswerkbank, Inkubationsschüttler) und die Bioreaktion / Fermentation (z. B. drei automatisierte Bioreaktorsysteme mit umfangreicher Sensor-Ausstattung, Photobioreaktor) bis zu den Bioaufbereitungsverfahren, dem sog. Down-stream processing (z. B. Querstrom-Filtration, Zentrifugation, Anschwemm-Filtration, präparative Flüssigkeits-Chromatographie, Solvent-Extraktion, Zellaufschluss-Verfahren, Gefriertrocknung). In allen Teilschritten werden dabei auch sog. Single-Use-Komponenten für die biopharmazeutische Produktion betrachtet.

Für die prozessbegleitende Analytik stehen zahlreiche Analysengeräte zur Verfügung (z. B. zwei UV/Vis-Spektrometer, FT-IR-Spektrometer mit ATR-Einheit, 3D-Fluoreszenz-Spektrometer, Durchflusszytometer, analytische Flüssigkeits-Chromatographie, Mikroskop und inverses Fluoreszenzmikroskop).

Komplettiert wird die Laboausstattung mit speziell für die Forschung angeschafften Geräten (z. B. automatisiertes, parallelisiertes Mikrofermentationssystem, mehrere HGMS-Magnetseparatoren, In-situ-Magnetseparator, Partikelgrößenmessgerät).

Verfahrenstechnisches Praktikum für den Studienschwerpunkt Bio-VT

Im Bioverfahrenstechnik-Praktikum führen die Studierenden eine kompletten biopharmazeutischen Herstellungsprozess durch. Dieser beeinhaltet die relevanten Prozess-Schritte zur Produktion und Isolierung eines Wirkstoffs am Beispiel eines Proteins:

Hitze-Sterilisation und Sterilfiltrationen (von Equipment, Flüssigkeiten und Gasen)
Zulauf-Satzkultur-Fermentation unter aseptischen Bedingungen (mit Bakterien oder Hefen)
Zellernte durch Zentrifugation oder Querstrom-Filtration (Mikrofiltration)
Zellaufschluss (mit Kugelmühle, Hochdruckhomogenisator und Ultraschall)
Fällung / Denaturierung von Proteinen aus Lösungen
Kuchen-, Anschwemm- und Querstrom-Filtrationen (Ultrafiltration, Diafiltration)
Flüssig-flüssig-Extraktion im Gegenstromverfahren
Präparative Flüssigkeits-Chromatographie

Diese sogenannten "Grundoperationen" werden ergänzt durch Praktikumsversuche zur verfahrenstechnischen Chrarakterisierung von Bioreaktor-Systemen (wie z. B. Leistungseintrag, Mischzeit, Sauerstoff-Eintrag und Kohlenstoffdioxid-Austrag) und zur Regelungstechnik (Antwortsignal auf eine Sprungfunktion im offenen Regelkeis, Schwingverhalten eines geschlossenen Regelkreises, Optimierung der Regelparameter eines PID-Reglers).

Ein weiteres Augenmerk liegt auf dem sogenannten "Single-use-Equipment" (zur Vermeidung von Querkontaminationen zwischen unterschiedlichen Produktions-Chargen) und der praktischen Vermittlung der notwendigen Handhabung solcher Geräte.

Studentische Projekte in diesem Labor beschäftigen sich mit allen Facetten der oben genannten Themen.

3 Bioreaktorsysteme Biostat B plus bzw. Biostat B mit 2 L, 6 L und 10 L Reaktoren zur Fermentation von Mikroorganismen (Sartorius Stedim Biotech)

Bioreaktorsystem RALF mit 4 L und 6 L Reaktoren zur Fermentation von Mikroorganismen (Bioengineering)

Inverses Fluoreszenz-Mikroskop IX 71 (Olympus) und Atomkraftmikroskop / Fluidic Force Microscopy (Nanosurf GmbH)

Chromatograhie-Anlage 1260 Infinity II zur Produktanalytik (RPC) mit Multicolumn Thermostat G7116A, Vialsampler G7129A, Binary Pump G7112B, Diode Array Detector WR G7115A, Fluorescence Detector Spectra G7121B, Analytical Scale Fraction Collector G1364F mit Thermostat G1330B (Agilent)

Chromatograhie-Anlage 1260 Infinity II zur Substratanalytik (Ligandenautausch-Chromatographie) mit Multicolumn Thermostat G7116A, Vialsampler G7129A, Quaternary Pump VL G7111A, Refractive Index Detector G7162A (Agilent)

Chromatograhie-Anlage 1100 mit Autosampler, Quartärer Pumpe, Säulenofen, Diodenarray-Spektrometer (Agilent) mit Tandem-Quadrupol-MassenspektrometerMicromass (Waters) für die Quantifizierung und Strukturaufklärung von Biomolekülen

Chromatographie-Anlage Äkta Purifier 10 inkl. UV-VIS-, pH- und Leitfähigkeits-Detektor (GE Healthcare) mit Fraktionensammler Frac-950 (GE Healthcare) für die präparative und analytische Flüssigkeitschromatographie zur Zeit ausgerüstet mit folgenden Trennsäulen:

XK 16/70 Superdex 200 und Superdex 200 10/300 GL für die Größenausschluss-Chromatographie (GE Healthcare)
HisTrap FF und HisTrap FF Crude für die Metallchelat-Affinitätschromatographie (GE Healthcare)
HiTrap Q Sepharose Fast Flow für die Ionenaustausch-Chromatographie (GE Healthcare)

FT-IR-SpektrometeriS 10 mit Diamant-ATR-Einheit Smart iTR (Thermo Scientific)

FT-IR-MikroskopiN 10 (Thermo Scientific) und Probenraumerweiterung iZ 10 (Thermo Scientific) mit Mehrfachreflexions-ATR-Einheit Gateway inkl. themperierbarer Durchflusszelle (Specac)

3D-Fluoreszenzspektrometer LS 55 (PerkinElmer Inc)

DurchflusszytometerCyflow Space zur Zell- und Partikel-Analytik (Partec)

Laser-PartikelmessgerätAnalysette 22 MicroTec plus mit Nassdipergier- und Kleinmengendispergiereinheit für die Partikelgrößenbestimmung (Fritsch)

Mikrotiterplatten-FluorometerFluoroscan Ascent für die Analytik mit Fluoreszenzfarbstoffen in 96-well-plates (Thermo Scientific)

Sterilwerkbank Klasse IISAFE 2020 für steriles Arbeiten (Thermo Scientific)

Inkubationsschüttler für die Anzucht von Mikroorganismen in Schüttelkolben (Infors)

Inkubationsschüttler Thermoshake THO5 für die Anzucht von Mikroorganismen in Schüttelkolben (C. Gerhardt)

TischschüttlerCertomat MO II mit InkubationshaubeCertomat HK für die Anzucht von Mikroorganismen in Schüttelkolben (Sartorius Stedim Biotech)

UV-Vis-SpektrometerUltrospec 2100 (GE Healthcare) mit temperierbarem Probenwechsler und Peltier-ThermostatPT 31 (Krüss)

2 UV-Vis-Spektrometer Genesys 10 UV-Vis für die allgemeine Analytik (Thermo Scientific)

UV-Vis-Spektrometer Biophotometer 6131 z.B. für Konzentrationsmessung von DNA, RNA und Proteinen, Einbaurate von Fluoreszenzmolekülen, enzymatische Assays, optische Zelldichte (Eppendorf)

UV-Vis-SpektrometerUltrospec 1100 für die allgemeine Analytik (GE Healthcare)

Querstrom-FiltrationsanlageSartocon Slice und SartoJet-Pumpe mit Mikrofiltrations-Kassetten für die Abtrennung von Mikroorganismen aus Fermentationsbrühen und Ultrafiltrations-Kassetten zur Trennung von Proteinen und anderer Makromoleküle (Sartorius Stedim Biotech)

Querstrom-FiltrationsanlageMinimate TFF mit Ultrafiltrations-Kassetten zur Trennung von Proteinen und anderer Makromoleküle (Pall)

ZentrifugeHeraeus Multifuge 3R plus für die Fest-Flüssig-Trennung bis 1,5 Liter Supension bei 17.000 g (Thermo Scientific)

ZentrifugeSigma 3-30KS für die Fest-Flüssig-Trennung bis 100 mL bei 65.000 g (Sigma)

Mikrozentrifuge5415D (Eppendorf)

Ultratief-KühlschrankTiefkühlbox B 35-85 zur Stammhaltung der Mikroorganismen bei -80 °C (Fryka)

Horizontale Gel-ElektrophoreseMini-Sub Cell GT / PowerPac HC für die DNA-Analytik (Bio-Rad Laboratories)

Vertikale Gel-ElektrophoreseMini-Protean Tetra / PowerPac HC und Mini Trans-Plot Cell für die Protein-Analytik (Bio-Rad Laboratories)

Vertikale Gel-ElektrophoreseEasyPhor bestehend aus Spannungsgeber C 300 V, 700 mA, 150 W mit EasyPhor Mini und Midi Gelelektrophoresekammer (Biozym Scientific)

Gel-DokumentationssystemGel DocXR (Bio-Rad Laboratories)

PCR-GradientencyclerMastercycler gradient 5331 für die Bestimmung der optimalen Annealing–Temperatur während der PCR (Eppendorf)

ThermocyclerMJ Mini für die Polymerasekettenreaktion PCR (Bio-Rad Laboratories)

ElektroporatorMicroPulser für gentechnische Arbeiten (Bio-Rad Laboratories)

Hochdruck-HomogenisatorPanda 2K für den Zellaufschluss (GEA Niro Soavi)

Ultraschall-HomogenisatorSonoplus HD 2200 inkl. Durchfuss-Beschallungsgefäß DG 4 für den Zellaufschluss (Bandelin electronic)

KugelmühlePulverisette für den Zellaufschluss (Fritsch)

Hochgradienten-MagnetseparatorHGF-10 zur Aufarbeitung biotechnologischer Produkte (Steinert Elekromagnetbau)

Magnetpartikel-Laborroboter King Fisher 96 zur Prozessierung von Magnetbeads in Mikrotiterplatten und Mikrotiterplatten-DispenserMulti Drop combi zum Füllen von 96-well-plates (Thermo Scientific)

GefriertrocknungsanlageAlpha 1-2 LDplus für die Sublimationstrocknung (Lyophilisierung) von wässrigen Proben (Martin Christ) inkl. Rotations-Vakuum-Konzentrator (Martin Christ)

Mikroskop CX 31 (Olympus)

MikroskopSX 31 mit digitaler Kamera (Olympus)

MikroskopSX 22 (Olympus)

DispergiergerätPolytron PT1600E mit Aggregat PT-DA 3012/2M für das Dispergieren von faserigem Material (z.B. Pflanzen, Pilze) und die Herstellung von Suspensionen und Emulsionen (Kinematika)

Extraktionskolonne mit 20 Böden für die Flüssig-flüssig-Gegenstromextraktion (Normschliff)

ZentrifugalextraktorCS 50 für die Flüssig-Flüssig-Extraktion (CINC)

Chromatographie-AnlageFPLC (GE Healthcare)

Wasserbad1002 (GFL Gesellschaft für Labortechnik)

Abbe-Refraktometer AR4 für die Bestimmung des Brechungsindex von festen und flüssigen Proben (A. Krüss Optronic GmbH)

Friabilitätstester zur Prüfung der Friabilität von Tabletten (Sotax)

Dissolution Test System (Pharma Test Apparatebau AG)

Durchflusszelle für Freisetzungsuntersuchungen (Sotax)

Colibri µl Spektrophotometer (Titertek Berthold)