Biotechnologie (Subject) / 1 Einführung (Lesson)

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• Definitionen Biotechnologie Anwendung von Naturwissenschaft und Technologie an lebenden Organismen, deren Teile sowie Produkten und Modellen von ihnen (OECD) Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biotechnologie und Biochemie in technische oder technisch nutzbare Elemente (Bundesministerium für Bildung und Forschung) Biotechnology means any technological application that uses biological systems, living organisms, or derivatives thereof, to make or modify products or processes for specific use (Convention on Biological Diversity)
• Farben der Biotechnologie weiß (industrielle Biotechnologie) grün (Pflanzenbiotechnologie, Landwirtschaft) rot (medizinische Biotechnologie) grau (Umweltbiotechnologie) blau (Biotechnologie der Meereslebewesen)
• Weiße Biotechnologie industrielle Biotechnologie Produktion von Grund- und Feinchemikalien stark branchenübergreifender Charakter (LM-/FM-Industrie, Pharmazeutische und chemische Industrie, Kosmetikindustrie, Textilindustrie, Papierindustrie, Lederwarenindustrie, Umweltbiotechnik Substitution klassisch-chemischer Verfahren Herstellung neuer Produkte hohe Spezifität bei der Umsetzung der Substrate hohe Selektivität (Produktspektrum) häufig Verwendung nachwachsender Rohstoffe (Nachhaltigkeit) milde Bedingungen (Druck, Temperatur, pH-Wert)
• Warum Biotechnologie? verbesserte Nutzung von Ressourcen "nachwachsende Rohstoffe" nachhaltige Produktion optimierte Herstellung von Bulk- und Feinchemikalien z.B. chemisch vs. enzymatisch (keine Entsorgung toxischer Zwischenprodukte, Senkung der Betriebskosten, Reduktion des Einsatzes fossiler Brennstoffe, Senkung der Emissionen)
• Grüne Biotechnologie Pflanzenbiotechnologie, Landwirtschaft gezielte Veränderung von Pflanzen Einsatz im Agrarsektor Ziele: effizientere Flächennutzung und höhere Erträge sowie Steigerung von Qualität und Resistenz Methoden: neue Züchtungsmethoden und verbesserter Pflanzenschutz Entwicklung transgener Pflanzen mit höheren Erträgen Resistenz von Nutzpflanzen gegenüber Schädlingen, Toleranz von Pflanzen gegenüber Herbiziden (z.B. Bt-Mais, Roundup Ready Soja) Nahrungsmittelsektor: Entwicklung von Pflanzen mit hohen Anteilen an funktionellen Inhaltsstoffen und verbesserten technologischer Eigenschaften (z.B. Golden Rice, Flavr Savr-Tomate)
• Grüne Biotechnologie - Roundup Ready-Soja Verlust der Ernte durch Unkraut --> Einsatz von Herbiziden notwendig Anforderungen an ideales Herbizid: wirksam in geringen Mengen, keine Hemmung des Wachstums von Nutzpflanzen, schnelle Abbaubarkeit Glyphosat: Herbizid, Inhibiert Enzym im AS-Stoffwechsel (Synthese aromatischer AS wird gehemmt, Pflanze "verhungert", rascher Abbau im Boden in ungiftige Verbindungen)
• Rote Biotechnologie Medizinische Biotechnologie Medizinische Anwendungen von Diagnostik bis Therapie Pharma- und Gesundheitssektor (z.B. Arzneimittel, Biopharmazeutika) Entwicklung neuer medizinischer Produkte (Therapeutika, Diagnostika, Impfstoffe) Nutzung von Biomolekülen für therapeutische Zwecke Rote Biotechnologie --> individualisierte Medizin? (maßgeschneiderte Medikamente für bestimmte Patientengruppen) Plattformtechnologien als technische Voraussetzungen für die Entwicklung neuer Produkte
• Rote Biotechnologie - Beispiele Gentechnische Produktion von Hirudin (Antikoagulans aus Blutegel: bindet an Thrombin und unterbricht Blutgerinnungskaskade "Lepirudin") Thrombolytika (Fibrinolytika): Proteasen, die bereits gebildete Thromben wieder auflösen gentechnisch erzeugtes Enzym aus Speichel der Vampirfeldermaus zur Behandlung von Schlaganfällen Faktor VIII der Blutgerinnungskaskade aus gentechnischer Erzeugung zur Behandlung der Hämophilie Erythropoetin (EPO): Bildung in Niere, Stimulation der Ery-Produktion
• Graue Biotechnologie Umweltbiotechnologie Aufarbeitung von Trinkwasser; Abwasser- und Abgasreinigung; Müllrecycling; Bodensanierung Einsatz im Bereich des Umweltschutzes Anwendung molekularbiologischer Methoden zum Nachweis z.B. von Viren oder sonstiger pathogener Mikroorganismen Beseitigung von Umweltbelastungen und -schäden Verfahren zur Bodensanierung Abwasser-, Abluft- und Abgasreinigung mit Hilfe von Mikro-organismen
• Blaue (Marine) Biotechnologie Biotechnologie der Meereslebewesen Tiefseebakterien, Schwämme, technische Enzyme, bioaktive Verbindungen Erforschung und Anwendung mariner Organismen und ihrer Inhaltsstoffe Neuartige pharmazeutische Wirkstoffe– Conotoxine als Analgetika ohne Gewöhnungseffekt Neue Grundstoffe für Kosmetika Alternative Quellen für Inhaltsstoffe von Nahrungsergänzungsmitteln
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• nachwachsende Rohstoffe Nachwachsende Rohstoffe sind organische Stoffe aus der Land- und Forstwirtschaft, die energetisch oder stofflich genutzt werden. nachwachsende Rohstoffe in präindustriellen Gesellschaften bedeutendste Quelle für die Gewinnung von Energie und für Herstellung von Kleidung, Haus, Werkzeug etc. Substitution bzw. Verdrängung der Rohstoffe mit industrieller Revolution (Billige fossile Ressourcen) Rückbesinnung auf Nachwachsende Rohstoffe (Endlichkeit fossiler Ressourcen, Ölkrise, Treibhauseffekt, Erhöhung des Abfallaufkommens durch Kunststoffe, Substitution umwelt- und gesundheitsgefährdender Produkte durch Boioprodukte, Anbau von Rohstoff- und Energiepflanzen zur Auflockerung einseitiger Fruchtfolgen)
• Zusammensetzung höherer Pflanzen C, O, H = 92 % Mineralien = 8 % (Makro: N, P, K, Ca, Mg, S - Mikro: Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo, Cl, Ni) organische Stoffwechselprodukte bestimmen Wert eines nachwachsenden Rohstoffes für energetische und stoffliche Nutzung (KH, Lipide, Protein, Lignin)
• Definition Bioraffinerie explizit integratives, multifunktionelles Gesamtkonzept, das Biomasse als vielfältige Rohstoffquelle für die nachhaltige, simultane Erzeugung eines Spektrums unterschiedlicher Zwischenprodukte und Produkte unter möglichst vollständiger Verwendung aller Rohstoffkomponenten nutzt.
• Verfahrenskette der Bioraffinerie Rohstoffe Vorbehandlung/Biomassekonditionierung & Aufschluss/Komponententrennung Plattformen Konversion Zwischenprodukte/Vorprodukte Veredelung Endprodukte Rohstoffbereitstellung --> Primärraffination --> Sekundärraffination --> Produktvermarktung
• Primärraffination Auftrennung der Biomassekomponenten zu Intermediaten (Cellulose, Stärke, Zucker, Pflanzenöl, Lignin, Fasern) üblicherweise unter Vorbehandlung und Konditionierung der Biomasse
• Sekundärraffination Herstellung einer größeren Zahl an Produkten aus den Intermediaten über Konversions- und Veredelungsschritte Intermediate werden als Rohprodukt ganz oder teilweise zu Vorprodukten bzw. Zwischenprodukten weiterverarbeitet, die dann ebenfalls ganz oder teilweise in einer weiteren Wertschöpfung zu Produkten veredelt werden
• KEINE Bioraffinerien keine Primär- oder Sekundärraffination keine Komponententrennung Erzeugung nur eines einzigen Hauptprodukts
• Produktausrichtung von Bioraffinerien stofflich getriebene Bioraffinerie Die Bioraffinerie zielt hinsichtlich der Produkte mengenmäßig und/oder wertschöpfungsmäßig hauptsächlich auf die Herstellung eines Spektrums an Chemikalien und Werkstoffen ab Kopplungsprodukte und Reststoffe werden zur Erzeugung von Bioenergie und Nahrungs- bzw. Futtermitteln genutzt energetisch getriebene Bioraffinerie Die Bioraffinerie zielt hinsichtlich der Produkte mengenmäßig und/oder wertschöpfungsmäßig hauptsächlich auf die Herstellung eines oder ggf. mehrerer Bioenergieträger ab Chemikalien und Werkstoffe werden im Verhältnis dazu nur in geringer Menge generiert Koppelprodukte und Reststoffe werden zur Produktion von Chemikalien, Werkstoffen und Nahrungs- bzw. Futtermitteln genutzt
• Produktausrichtung von Bioraffinerien stofflich getriebene Bioraffinerie Die Bioraffinerie zielt hinsichtlich der Produkte mengenmäßig und/oder wertschöpfungsmäßig hauptsächlich auf die Herstellung eines Spektrums an Chemikalien und Werkstoffen ab Kopplungsprodukte und Reststoffe werden zur Erzeugung von Bioenergie und Nahrungs- bzw. Futtermitteln genutzt   energetisch getriebene Bioraffinerie Die Bioraffinerie zielt hinsichtlich der Produkte mengenmäßig und/oder wertschöpfungsmäßig hauptsächlich auf die Herstellung eines oder ggf. mehrerer Bioenergieträger ab Chemikalien und Werkstoffe werden im Verhältnis dazu nur in geringer Menge generiert Koppelprodukte und Reststoffe werden zur Produktion von Chemikalien, Werkstoffen und Nahrungs- bzw. Futtermitteln genutzt
• Bioraffinerie-Konzepte Zucker-Bioraffinerie bzw. Stärke-Bioraffinerie Pflanzenöl-Bioraffinerie bzw. Algenlipid-Bioraffinerie Lignocellulose Bioraffinerie bzw. Grüne Bioraffinerie Synthesegas-Bioraffinerie Biogas-Bioraffinerie
• Entwicklungsansätze für Bioraffinerien Bottom-up-Ansatz (Erweiterung einer bereits vorhandenen Biomasseverarbeitungsanlage) Ziel: erweiterte Produktpalette bzw. Ausweitung der einsetzbaren Biomassefraktionen durch Anknüpfung zusätzlicher Prozesse und Technologien Top-down-Ansatz Neukonzeption von hoch integrierten Anlagen als Bioraffinerie zur (abfallfreien) Erzeugung einer großen Vielfalt unterschiedlichster Produkte für verschiedene Märkte aus den unterschiedlichsten Biomassefraktionen üblicherweise Ganzpflanzennutzung angestrebt

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