TY - JOUR A1 - Al-Kaidy, Huschyar A1 - Duwe, Anna A1 - Huster, Manuel A1 - Muffler, Kai A1 - Schlegel, Christin A1 - Sieker, Tim A1 - Stadtmüller, Ralf A1 - Tippkötter, Nils A1 - Ulber, Roland T1 - Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik – Vom ersten Ullmanns Artikel bis hin zu aktuellen Forschungsthemen JF - Chemie Ingenieur Technik N2 - Biotechnologie und die mit ihr verbundenen technischen Prozesse prägen seit Jahrtausenden die Entwicklung der Menschheit. Ausgehend von empirischen Verfahren, insbesondere zur Herstellung von Lebensmitteln und täglichen Gebrauchsgütern, haben sich diese Disziplinen zu einem der innovativsten Zukunftsfelder entwickelt. Durch das immer detailliertere Verständnis zellulärer Vorgänge können mittlerweile Produktionsstämme gezielt optimiert werden. Im Zusammenspiel mit moderner Prozesstechnik können so eine Vielzahl von Bulk- und Feinchemikalien sowie Pharmazeutika effizient hergestellt werden. In diesem Artikel werden exemplarisch einige der aktuellen Trends vorgestellt. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201400083 SN - 0009-286X VL - 86 IS - 12 SP - 2215 EP - 2225 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Pasteur, Aline A1 - Tippkötter, Nils A1 - Kampeis, Percy A1 - Ulber, Roland T1 - Optimization of high gradient magnetic separation filter units for the purification of fermentation products JF - IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS N2 - High gradient magnetic separation (HGMS) has been established since the early 1970s. A more recent application of these systems is the use in bioprocesses. To integrate the HGMS in a fermentation process, it is necessary to optimize the separation matrix with regard to the magnetic separation characteristics and permeability of the non-magnetizable components of the fermentation broth. As part of the work presented here, a combined fluidic and magnetic force finite element model simulation was created using the software COMSOL Multiphysics and compared with separation experiments. Finally, as optimal lattice orientation of the separation matrix, a transversal rhombohedral arrangement was defined. The high suitability of the new filter matrix has been verified by separation experiments. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2325535 SN - 0018-9464 N1 - Article Sequence Number: 5000607 INSPEC Accession Number: 14663042 VL - 50 IS - 10 SP - Artikel 5000607 PB - IEEE CY - New York, NY ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Wulfhorst, H. A1 - Mogue, N. A1 - Möhring, S. A1 - Roth, J. A1 - Ulber, Roland T1 - Spektrometrische Messung und Modellierung der enzymatischen Hydrolyse von Biomasse nach Organosolv- und Liquid Hot Water-Aufschlüssen (LHW) T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - In diesem Beitrag wird die NIR- und MIR-Spektrometrie in Kombination mit multivariaten Kalibrationsmodellen zur Analyse von Monosacchariden und Cellulose aus Biomasse etabliert. Spektrengemischter Standardlösungen mit definierten Glucose- und Xylosekonzentrationen in Wasser werden im NIR-(Lambda 750, Perkin Elmer, USA) und MIR-Bereich (Spektrum 100, PerkinElmer) in Gegenwart von entweder Carboxymethylcellulose oder Grasfasern aufgenommen. Darauf basierend werden Kalibrationsmodelle (Unscrambler®, CAMO-Software AS, Norwegen) entwickelt und zur Vorhersage der Zuckerkonzentration in den Hydrolyseproben und der Celluloseanteile angewendet. Darüber hinaus wird die Partikelgröße der Rohstoffe bestimmt. Die Messergebnisse bilden die experimentelle Basis für die numerische Modellierung der Reaktionskinetik der enzymatischen Hydrolyse von Lignocellulose. Das Modell kombiniert die Bilanzierung der Partikelgrößenverteilungen mit der Multienzymkinetik. Dabei werden neben der Partikelgrößenverteilung und der Substratkonzentration die Zusammensetzung der Rohstoffe nach Vorbehandlung sowie die Produktinhibierung und mehrere enzymatische Aktivitäten berücksichtigt. Das Modell ermöglicht es, die Partikelgrößenverteilungen und die Konzentrationen der Substrate und Produkte während der Hydrolyse vorherzusagen und die kinetischen Parameter im Batch- sowie im Fed-Batch-Reaktor zu bestimmen. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450269 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1584 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Luisier, Raphaëlle A1 - Lempiäinen, Harri A1 - Scherbichler, Nina A1 - Braeuning, Albert A1 - Geissler, Miriam A1 - Dubost, Valerie A1 - Müller, Arne A1 - Scheer, Nico A1 - Chibout, Salah-Dine A1 - Hara, Hisanori A1 - Picard, Frank A1 - Theil, Diethilde A1 - Couttet, Philippe A1 - Vitobello, Antonio A1 - Grenet, Olivier A1 - Grasl-Kraupp, Bettina A1 - Ellinger-Ziegelbauer, Heidrung A1 - Thomson, John P. A1 - Meehan, Richard R. A1 - Elcombe, Clifford R. A1 - Henderson, Colin J. A1 - Wolf, C. Roland A1 - Schwarz, Michael A1 - Moulin, Pierre A1 - Terranova, Remi A1 - Moggs, Jonathan G. T1 - Phenobarbital Induces Cell Cycle Transcriptional Responses in Mouse Liver Humanized for Constitutive Androstane and Pregnane X Receptors JF - Toxicological Sciences N2 - The constitutive androstane receptor (CAR) and the pregnane X receptor (PXR) are closely related nuclear receptors involved in drug metabolism and play important roles in the mechanism of phenobarbital (PB)-induced rodent nongenotoxic hepatocarcinogenesis. Here, we have used a humanized CAR/PXR mouse model to examine potential species differences in receptor-dependent mechanisms underlying liver tissue molecular responses to PB. Early and late transcriptomic responses to sustained PB exposure were investigated in liver tissue from double knock-out CAR and PXR (CARᴷᴼ-PXRᴷᴼ), double humanized CAR and PXR (CARʰ-PXRʰ), and wild-type C57BL/6 mice. Wild-type and CARʰ-PXRʰ mouse livers exhibited temporally and quantitatively similar transcriptional responses during 91 days of PB exposure including the sustained induction of the xenobiotic response gene Cyp2b10, the Wnt signaling inhibitor Wisp1, and noncoding RNA biomarkers from the Dlk1-Dio3 locus. Transient induction of DNA replication (Hells, Mcm6, and Esco2) and mitotic genes (Ccnb2, Cdc20, and Cdk1) and the proliferation-related nuclear antigen Mki67 were observed with peak expression occurring between 1 and 7 days PB exposure. All these transcriptional responses were absent in CARᴷᴼ-PXRᴷᴼ mouse livers and largely reversible in wild-type and CARʰ-PXRʰ mouse livers following 91 days of PB exposure and a subsequent 4-week recovery period. Furthermore, PB-mediated upregulation of the noncoding RNA Meg3, which has recently been associated with cellular pluripotency, exhibited a similar dose response and perivenous hepatocyte-specific localization in both wild-type and CARʰ-PXRʰ mice. Thus, mouse livers coexpressing human CAR and PXR support both the xenobiotic metabolizing and the proliferative transcriptional responses following exposure to PB. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/https://doi.org/10.1093/toxsci/kfu038 SN - 1094-2025 VL - 139 IS - 2 SP - 501 EP - 511 PB - Oxford University Press CY - Oxford ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Wiesen, S. A1 - Thiel, A. A1 - Muffler, K. A1 - Ulber, Roland T1 - Biotechnologische Wertstoffgewinnung entlang der Prozessketten Grüner und Pflanzenöl-Bioraffinerien T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Der nachwachsende Rohstoff Raps ist in großen Mengen verfügbar und eine Quelle für Biomoleküle mit hohem Wertschöpfungspotenzial. Entwicklungen zur biotechnologischen Wertstoffgewinnung werden dabei schwerpunktmäßig in den Bereichen Aufarbeitung und Funktionalisierung von Polyphenolen und Fetten betrieben. Bei der Verarbeitung der Pflanzenmaterialien werden dabei insbesondere Verfahren zur adsorptiven Aufreinigung und Auftrennung mittels Materialien mit modifizierten Bleicherden und anderen organischen oder anorganischen Adsorbentien untersucht. Ferner wurden für die Aufreinigung von Polyphenolen adsorptive sowie extraktive Prozesse entwickelt. Bei den Entwicklungen wird berücksichtigt, dass Bioraffinerien auf eine fortwährende Gewährleistung eines hohen Produktions- bzw. Lieferbedarfs nachwachsender Rohstoffe angewiesen sind. Somit werden Optionen dezentraler regionaler Vorbehandlungs- und Wertschöpfungsketten in der Nähe landwirtschaftlicher Betriebe einbezogen. Neben neuen Aufreinigungsverfahren werden mikrobielle und enzymatische Prozesse zur wertsteigernden Umsetzung von Glycerin, Polyphenolen und Zuckermonomeren vorgestellt sowie Limitierungen nachwachsender Rohstoffe der 2. Generation diskutiert. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450283 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen N1 - Diese Arbeiten werden vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft durch den Projektträger FNR e. V. im Rahmen des Projekts FKZ22022908 gefördert VL - 86 IS - 9 SP - 1605 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Scheer, Nico A1 - Mclaughlin, Lesley A. A1 - Rode, Anja A1 - MacLeod, Alastair Kenneth A1 - Henderson, Colin J. A1 - Wolf, Roland C. T1 - Deletion of thirty murine cytochrome P450 genes results in viable mice with compromised drug metabolism JF - Drug Metabolism and Disposition N2 - In humans, 75% of all drugs are metabolized by the cytochrome P450-dependent monooxygenase system. Enzymes encoded by the CYP2C, CYP2D, and CYP3A gene clusters account for ∼80% of this activity. There are profound species differences in the multiplicity of cytochrome P450 enzymes, and the use of mouse models to predict pathways of drug metabolism is further complicated by overlapping substrate specificity between enzymes from different gene families. To establish the role of the hepatic and extrahepatic P450 system in drug and foreign chemical disposition, drug efficacy, and toxicity, we created a unique mouse model in which 30 cytochrome P450 genes from the Cyp2c, Cyp2d, and Cyp3a gene clusters have been deleted. Remarkably, despite a wide range of putative important endogenous functions, Cyp2c/2d/3a KO mice were viable and fertile, demonstrating that these genes have evolved primarily as detoxification enzymes. Although there was no overt phenotype, detailed examination showed Cyp2c/2d/3a KO mice had a smaller body size (15%) and larger livers (20%). Changes in hepatic morphology and a decreased blood glucose (30%) were also noted. A five-drug cocktail of cytochrome P450 isozyme probe substrates were used to evaluate changes in drug pharmacokinetics; marked changes were observed in either the pharmacokinetics or metabolites formed from Cyp2c, Cyp2d, and Cyp3a substrates, whereas the metabolism of the Cyp1a substrate caffeine was unchanged. Thus, Cyp2c/2d/3a KO mice provide a powerful model to study the in vivo role of the P450 system in drug metabolism and efficacy, as well as in chemical toxicity. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1124/dmd.114.057885 SN - 1521-009X VL - 42 IS - 6 SP - 1022 EP - 1030 PB - ASPET CY - Bethesda, Md. ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Wasserscheid, P. T1 - Rapid-Prototyping-Strukturen für ressourceneffiziente Prozesse in Chemie und Biotechnologie T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Die Teilefertigung durch Rapid Prototyping (RP) verkürzt den Weg von der Idee bis zum Produkt, wobei unter anderem Optimierungszyklen in geringer Zeit durchlaufen werden können. Ferner eröffnen neue Entwicklungen in diesem Bereich die Möglichkeit individueller Produktionsverfahren. Im Unterschied zur klassischen Fertigung von Prototypen wird beim RP mit additiver Schichtfertigung (Additive Layer Manufacturing, ALM) gearbeitet. Je nach Methode werden Flüssigkeiten oder Pulver nach Vorgaben eines 3D-Computermodells sequentiell aufgetragen. Diese Verfahren existieren seit ca. 25 Jahren, jedoch sind seit kurzem ausgesprochen günstige Geräte verfügbar, die Objekte mit Genauigkeiten bis 20 lm fertigen können. Das RP hat in klinischen Anwendungsgebieten bzw. im Bereich des Tissue Engineering bereits vielfach Einzug gefunden. Aber auch chemisch-biotechnologische Entwicklungen können von den Verfahren profitieren. So wurden Mikrofluidiksysteme und Bioreaktoren bereits erfolgreich durch RP gefertigt. Durch ALM ist ebenso die Herstellung von Reaktionseinheiten aus biokompatiblen Materialien wie ionotropen Gelen möglich. Ferner sind sehr komplexe Strukturierungen von Oberflächen im Nanometerbereich realisierbar, die für die Auftragung heterogener Katalysatoren oder auch Mikroorganismen eingesetzt werden können. Auch der Bereich Reaktoren- und Apparatebau kann von den Fortschritten in der additiven Fertigung profitieren. Verfahren wie selektives Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen erlauben es, metallische Komponenten in nahezu beliebigen Geometrien zu fertigen. Somit können Strukturen verwirklicht werden, die mit konventionellen Fertigungstechniken nur sehr schwer oder überhauptnicht herstellbar wären. Durch Anwendung von rechnergestützter Modellierung können optimale Strukturen identifiziert und additiv gefertigt werden. Eine anschließende katalytische Funktionalisierung der Oberfläche ermöglicht die Herstellung strukturierter Reaktoren mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450451 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1369 EP - 1370 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Hering, T. A1 - Pasteur, A. A1 - Wollny, S. A1 - Ulber, Roland A1 - Tippkötter, Nils T1 - Magnetische Separation von Gold-Nanopartikeln zur Gluconsäure-Produktion durch Hochgradient-Magnetseparation im Labormaßstab T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Bei der Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe entsteht aus Cellulose oder Stärke u. a. das wichtige Produkt Glucose. Diese niedermolekulare Kohlenhydratquelle wird üblicherweise als Substrat für biotechnologische und chemische Synthesen verwendet. Ein wirtschaftlich interessantes Oxidationsprodukt der Glucose ist Gluconsäure, die beispielsweise als Lebensmittelzusatzstoff (E 574), in der Medizin und Metallindustrie Verwendung findet. Die Umsetzung des Monosaccharids zu Gluconsäure erfolgt entweder durch mikrobielle Fermentation oder der Oxidation an heterogenen Katalysatoren. Die Zielsetzung der Studie ist die Untersuchung der Glucoseoxidation an magnetisierbaren Gold-Nanopartikeln unter nachfolgender Bypass-Separation des Katalysators mittels einer neuen Mini-HGMS-Einheit (Hochgradient-Magnetseparation). Dieser Filtertyp ermöglicht die selektive Trennung magnetischer Partikel aus Suspensionen mit hohem Feststoffgehalt oder Viskosität. Erste Ergebnisse zeigen eine Beladungskapazität des selbstkonstruierten Mini-HGMS von 550 mg goldbeschichteter magnetisierbarer Nanopartikel. Die Oxidation erfolgt bei einem pH-Wertvon 9, bei 40 °C und mit 100 mM Glucose in einem begasten Rührkesselreaktor. Das System soll zukünftig zum Katalysatorrecycling von hochviskosen und Feststoffbelasteten Produktströmen aus Bioraffinerien eingesetzt werden. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450265 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1501 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Duwe, A. A1 - Sieker, T. A1 - Tippkötter, Nils A1 - Ulber, Roland T1 - Grasssilage als Substrat zur fermentativen Produktion organischer Säuren T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Der zunehmende Bedarf an fossilen Rohstoffen bei gleichzeitig abnehmender Versorgungssicherheit führt zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Ressourcen. Ein vielversprechendes Ausgangsmaterial mit einer weltweiten Verfügbarkeit stellt Gras dar. In 2012 wurden in Deutschland 33 Millionen Tonnen (Heugewicht) Gras auf 4,82 Millionen Hektar Ackerland produziert, davon wurden 60,5 % siliert. Durch die Silierung kann Gras als Substrat zeitlich uneingeschränkt verfügbar sein, ohne dem Risiko des schnellen Verderbs ausgesetzt zu sein. Eine Schlüsselrolle im Rahmen des Silierprozesses nimmt die Produktion von Milchsäure ein. Milchsäure ist einbedeutendes biotechnologisches Produkt für die Lebensmittel- und die chemische Industrie. Im Rahmen dieser Arbeit wird die vollständige Umwandlung der fermentierbaren Zucker in der Silage zu Milchsäure angestrebt, um die maximale Ausbeute der organischen Säure zu erreichen. Im ersten Verfahrensschritt wird die Silage gepresst und der erhaltene Presskuchen einer Liquid-Hot-Water-Behandlung unterzogen. Durch diese einfache Vorbehandlung können hohe Glucoseausbeuten im nachfolgenden SSF-Schritt bei gleichzeitig geringem Enzymeinsatz und Chemikalienverbrauch realisiert werden. Zur Aufreinigung der Milchsäure wurden extraktive und chromatographische Methoden untersucht. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450345 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1400 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Stadtmüller, R. A1 - Tippkötter, Nils A1 - Ulber, Roland T1 - Produktion von einzelsträngigen DNA-Makronukleotiden T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - In der Biotechnologie stellt Einzelstrang-DNA (ssDNA) eine Schlüsselrolle dar und fungiert z. B. als Baustein für die nanoskalige Feinmechanik oder als Affinitätsligand, ein sog. Aptamer. Hinsichtlich der industriellen Verwendung bieten Aptamere im Vergleich zu Antikörpern viele Vorteile, wie z. B. eine gute Renaturierung bzw. die Selektion für cytotoxische Moleküle. Aktuell wächst die Nachfrage für chimäre Aptamere von bis zu 200 n, um die simultane Bindung bzw. die Modifikation mehrerer Moleküle zu realisieren. Bis heute wird ssDNA mittels einer sequentiellen Synthese hergestellt, die eine Effizienz von ca. 99,5 % je Zyklus und bereits bei einer Produktlänge von 100 n nur noc hAusbeuten von max. 60 % zeigt. Um dem Bedarf an ssDNA im Bereich > 100 n zu entsprechen, wurden zwei enzymatische Verfahren zur Produktion dieser Makronukleotide entworfen. Die erste Technik basiert auf einerFestphasen-PCR und ermöglicht sowohlein Primer- als auch ein Templatrecycling. Das zweite Verfahren beruht auf einer Plasmidbasierten In-vivo-Amplifikation, der sog. AptaGENE®-Technologie. In einer einzigen Klonierung werden bis zu 100 Kopien des Monomers in einen Vektor kloniert. Nach einer Transformation folgt der reguläre Produktionsprozess in Form einer Kultivierung, Plasmidpräparation und sequenziellen Aufarbeitung von bis zu 6 · 10¹⁵ Makronukleotiden pro Milliliter Fermentationsvolumen. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450372 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1403 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER -