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HTBL-Hollabrunn Maschinenbau & FH-Tulln Biotechnische Verfahren

Schüler der Klasse 3AHMB: Mathias Parzer, Mathias Führer und Florian Mostofi

Vorwort:

Durch das Projekt von ScienceFair wurde uns ermöglicht praktische Anwendungen zum Thema Biotechnologie im Naturwissenschaftsunterricht zu erleben.

  1. Beim Besuch von Herrn Norbert Pytel und Frau Ivana Czabany von der FH-Tulln an der HTL-Hollabrunn erhielten wir in Vorträgen einen Einblick in die theoretischen Grundlagen über die Hefe und ihr Wachstum, Fermentationstechnik und Produktgewinnung.
  2. Im Rahmen der Exkursion zur FH Tulln haben wir von Herrn Norbert Pytel und Herrn Bernhard Rainer erfahren, wie man die Hefezellen aufbewahrt, züchtet und vermehrt. Außerdem wurde uns erklärt, dass aus Hefe allerlei Produkte hergestellt werden (Hefeextrakt, Hefe in Bier / Wein, ?) und wie man Hefe schonend konservieren kann. Wir konnten einen kleinen Fermenter zusammenbauen und in Betrieb setzen sowie den Vorgang der Gefriertrockung direkt miterleben. Ebenso wurden wir über die Polyacrylamid Gelelektrophorese informiert und später haben wir diese Vorgänge selbst versucht und das Ergebnis bestaunen können.
  3. Mit dem Wissen um die Hefe und mit Unterstützung durch das Projekt wurde uns ermöglicht, dass wir versuchsweise in der HTL aus Malz und Hefe unser eigenes Bier brauen können.

Fermenter:

Erklärung Fermenter

In einem Fermenter werden zum Beispiel Hefezellen durch ein Nährmedium (Fleischpepton, Hefeextrakt, Glukose und H2O) mit Nahrung versorgt. Dadurch werden die Hefezellen zur Teilung angeregt (exponentielle Vermehrung). Sobald die Nährstoffe in der Suspension vollkommen ausgeschöpft sind, bleiben die Hefezellen eine Zeit lang auf konstanter Zahl bevor sie absterben. Sobald die Hefezellen im exponentiellen Wachstum sind, benötigen sie viel Sauerstoff und im Fermenter fängt es an zu blubbern und zu schäumen. Um das Schäumen zu unterdrücken wird Silikonöl in den Fermenter eingetropft und um den pH-Wert auf einem konstanten Wert zu halten werden NaOH und H3PO4 beigemischt. Dies geschieht durch eine Schlauchquetschpumpe. Die DCU ist ein Steuergerät, welches an die pH-Elektrode, die Sauerstoffelektrode, Thermometer, etc. angeschlossen ist und die Korrekturmittel und den Sauerstoffzufluss regelt.

Eigene Erfahrung

Wir haben die Aufgabe bekommen einen Fermenter zusammenzubauen, ihn mit Nährlösung zu füllen und ihn mit Hefezellen zu beimpfen.

Der Fermenter besteht aus einem doppelwandigen Glasgefäß, das von Kühl- oder Heizwasser durchflossen wird.  Ein Deckel aus Edelstahl wird darauf befestigt und die Messgeräte werden eingebaut (pH-Elektrode, Sauerstoffelektrode), ein Anschluss für Silikonöl, Säure und Base und ein Scheibenrührer werden montiert. Zuvor wird die Nährlösung in den Reaktor gefüllt und der Behälter mit Hefezellen beimpft. Die DCU wird gestartet und es wird kontrolliert ob die angezeigten Messwerte plausibel sind und dann ist der Vorgang des Hefewachstums bereits voll im Gange. 

Abbildung 1: Schlauchquetschpumpe, Fermenter und DCU

Zentrifugieren:

Erklärung Zentrifuge

In einer Zentrifuge wird durch die so genannte Zentrifugalkraft eine starke Radialbeschleunigung erzeugt, die es ermöglicht, dass sich die Festkörper am äußersten Punkt absetzen. Durch das Absetzen kann die Flüssigkeit leicht abgeschieden werden und man erhält die Feststoffe.

Eigene Erfahrung

In der Beckmann Coulter Allgera X-22Centrifuge (siehe Abbildung 3) wurde die fermentierte Hefe durch die Zentrifugalkraft von den Flüssigkeiten getrennt (siehe Abbildung 2). Dies wurde bei 4200U/min für 4 min durchgeführt. Man bekam ca. 6,1g Hefezellen.

Abbildung 2: Feststoff und Flüssigkeit nach Zentrifuge

 

Fz=m*az

az=w2*r=4π2*f2*r

Fz ... Zentrifugalkraft

az ... Zentrifugalbeschleunigung

 

 

 

Abbildung 3: Beckmann Coulter Allgera X-22Centrifuge

Gefriertrocknen:

Erklärung Gefriertrocknung

Die Gefriertrocknung von der Firma CHRIST.

Die Gefriertrocknung ist der Wasserentzug eines feuchten Produktes durch den Übergang des Wassers von der festen in die gasförmige Phase ohne Erhitzen. Diesen Vorgang nennt man Sublimation. Das Ziel ist der Erhalt eines trockenen Produktes ohne das Wasser verdampfen zum müssen. Damit werden die Hefezellen thermisch nicht belastet.

Die Probe wird auf einer Petrischale auf -80°C vorgekühlt. Damit wird gewährleistet, dass sich die Hefe während der Gefriertrocknung nicht erwärmt. Beim Gefriertrocknungsprozess wird der Umgebungsluftdruck auf 0.25mbar abgesenkt. Das frei werdende Wasser wir über eine Vakuumpumpe (Drehschieberpumpe) abgesaugt und kommt zu an den Kühlschlangen als Niederschlag. Eine Nachtrocknungsphase wäre möglich bei einer Stellflächentemperatur 30°C und bei einem Druck von 0.01mbar.

Eigene Erfahrung

Wir haben eine Schale mit Wasser auf einer Petrischale in den Gefriertrockner gestellt um zu sehen wie das gefrorene Wasser aus der Schale verschwindet und sich auf den Kühlschlangen niederschlägt.

Abbildung 4: Schale mit viel Eis
Abbildung 5: Schale mit weniger Eis - fortschreitende Sublimation
Abbildung 6: Kühlschlangen mit bereits angefrorenem Wasser

Polyacrylamid-Gelelektrophorese:

Proteine sind Eiweissmoleküle unterschiedlicher Länge mit elektrischen Ladungen. Die Moleküle können in einem elektrischen Feld "wandern" und werden dadurch voneinander getrennt. Damit können Proteine aufgetrennt werden. Im Vergleich zu bekannten Proben können so unbekannte Proteinmischungen verglichen werden.

SDS (Natriumlaurylsulfat [waschaktive Lösung]) lagert sich an Proteinen an und bildet negativ geladene Ketten. Dieses Gemisch wird dann in eine Gelform [Polyacrydlamid] gegossen. Protein, SDS und Glycerin (damit das Gemisch absinkt) werden in Taschen gefüllt und durch Anlegen von Gleichstrom wandern die Proteine durch das Gel (von - zu +)[Gelelektrophorese]. Durch dieses Verfahren kann man die Größe der Proteine bestimmen.

 

Abbildung 7: Polyacrylamid-Gel mit blau gefärbten Proteinen
Abbildung 8: Befüllen der einzelnen Taschen der Polyacrylamid-Gelelektrophorese mit Protein-Lösung
Abbildung 9: Aufbau einer Polyacrylamid-Gelelektrophorese