Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer fermentativen Bernsteinsäureproduktion in der Bakterien CO2 fixieren und Xylose als Kohlenstoffquelle (aus Weizenstroh oder Maisfasern) nutzen. Biogas und CO2 aus der Bioethanolfermentation dienen als CO2-Quellen. Biogas besteht zu 40 % aus CO2 und ca. 60 % aus CH4, während der Gasstrom aus der Bioethanolproduktion reines CO2 ist. Um Biogas im Erdgasnetz zu speichern bedarf es einer Abtrennung des CO2. Dieses in Bernsteinsäure zu überführen dient also auch der Aufreinigung des Biogases zum Einspeisen. Die Nutzung von Lignocellulosen Rohstoffen für die Bioökonomie kann über unterschiedliche Wege geschehen. Eine thermochemische Vorbehandlung führt zur Hydrolyse von Xylan, dem Hauptbestandteil der Hemicellulose. Die entstehende Xylose steht dann zur weiteren Nutzung zur Verfügung. Durch SucciniGas lässt sich die Bernsteinsäureproduktion in Bioraffinerien und Biogasanlagen integrieren, wodurch Synergieeffekte ausgenutzt werden können.
Im Rahmen dieses Teilprojektes werden neuartige Lignin-basierte Polyether und Polyester entwickelt, die als Kolophonium-freie Bindemittelkomponente für Rollenoffset-Druckfarben verwendet werden sollen. Dabei wird ein Fokus auf die Modifikation von technisch verfügbarem Kraft-Lignin und Soda-Lignin gelegt, welches kommerziell in großen Mengen verfügbar ist und derzeit nur thermisch genutzt wird. Das Fraunhofer WKI wird sich während des Projekts auf die Synthese Lignin-basierter Polyether und Polyester konzentrieren, wobei der Schwerpunkt auf den Polyethersynthesen liegen wird. Für die Lignin-basierten Polyether ist vorgesehen die OH-Gruppen des Lignins entweder mit Polyglykolethern oder mit Glycidylestern der Kochsäuren umzusetzen. Durch diese beiden Synthesewege können so Lignin-basierte Polyether mit einer unterschiedlichen Hydrophobie synthetisiert werden und so auf die Bindemittelanforderung des Rollenoffset-Drucks eingestellt werden. Bei den Lignin-basierten Polyestern wird das Lignin mit Diolen und Disäuren umgesetzt, um so die OH-Gruppen zu verestern. In Absprache mit Worlée Chemie wird das Fraunhofer WKI den Schwerpunkt auf zähe Polyester legen. Dabei sollen vor allem bio-basierte Komponenten verwendet werden. Hier kommen unter anderem 1,3-Propandiol, Glycerin, Bernsteinsäure und Isosorbid in Frage. So können Bindemittel mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen synthetisiert werden. Des Weiteren wird das Fraunhofer WKI zusammen mit den Projektpartnern eine gründliche Studie der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen durchführen, um so die Materialeigenschaften der Polyester an den Rollenoffset-Druck anpassen zu können.
Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 3 war die fermentative Prozessentwicklung und Optimierung von Asparaginsäure und Bernsteinsäure produzierenden C. glutamicum Stämmen. Für die verschiedenen Dicarbonsäuren des Zitronensäurezyklus, sowie für Itaconat und Aspartat sollten stöchiometrische Netzwerkanalysen durchgeführt werden, zur Ermittlung der maximalen Produktselektivitäten und zur Identifizierung potentieller Ziele für Metabolic Engineering und Bioprozessentwicklung. In der Bioprozessentwicklung liegt ein Fokus auf der Entwicklung eines möglichst universell für verschiedene Produkte und Stammkonstrukte einsetzbaren Bioprozesses. Im Projektverlauf sollte entschieden werden, für welche aussichtsreichsten Produkte bzw. Produktionsstämme eine intensivere Bioprozessentwicklung stattfinden soll. Die Bioprozessentwicklung wird dabei durch begleitende Untersuchungen der extrazellulären Nebenprodukte, intrazellulärer Metaboliten und ggf. weiterer Omics-Verfahren unterstützt. Hiermit wird das Ziel verfolgt, gezielte Hinweise auf neue Ansatzpunkte für die Stammverbesserung zu geben.
Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 4 war die Konstruktion und Charakterisierung von C. glutamicum-Stämmen zur Produktion von Succinat und Itaconat. Succinat ist eine Plattform- Chemikalie, aus der eine Reihe bisher petrochemisch hergestellter 'Bulk'-Chemikalien synthetisiert werden können, wie z.B. 1,4-Butandiol, Tetrahydrofuran oder g-Butyrolacton. Itaconat ist eine ungesättigte C5-Dicarbonsäure, die unter anderem für die Herstellung von Polymeren von Interesse ist und z.B. petrochemisch erzeugtes Acrylat oder Methylacrylat ersetzen könnte. Für die Succinat-Produktion sollten sowohl die aerobe als auch die anaerobe Herstellung aus Glucose sowie aus Glycerin, einem Nebenprodukt der Biodiesel-Herstellung, etabliert werden. Die entsprechenden Stämme sollten rational über 'metabolic engineering' konstruiert werden, basierend auf dem umfangreichen Wissen zum Stoffwechsel und seiner Regulation in C. glutamicum. Für die Itaconat-Produktion sollte erstmals ein bakterieller Produktionsstamm entwickelt werden, der Vorteile gegenüber dem natürlichen Produzent Aspergillus terreus bieten könnte.
Ziel des beantragten Projektes ist die Entwicklung und Bewertung eines neuartigen und wirtschaftlichen Verfahrens zur biotechnischen Herstellung von Bernsteinsäure (succinic acid, SA) aus Reststoffen der Landwirtschaft wie z.B. Kaff, Stroh, Melassen, Glycerin, Pressrückständen und ä. Der Antragsteller besitzt ein bisher nicht beschriebenes Bakterium (AKR177), das sowohl (mikro-)aerob als auch anaerob mit unterschiedlichsten Substraten wächst bzw. Bernsteinsäure in hoher Ausbeute bildet. Das Bakterium ist anspruchslos, sehr robust und sehr gut lagerfähig. In Vorversuchen wurden unter nicht optimierten Bedingungen bereits vielversprechende Ergebnisse erhalten. Die Zelle ist daher hochinteressant für die industrielle Verwendung komplexer Substrate, wie Reststoffe der Landwirtschaft oder nachgeschalteter Industriebereiche. Es ist beabsichtigt die Wachstums- und Produktionsbedingungen so zu optimieren, dass eine Bernsteinsäure-Konzentration deutlich über 100 g/L erreicht wird, die Nebenprodukte (Lactat und Acetat) unter 5 g/L und die Produktivitäten deutlich über 2 g/(L-h) liegen. Hierzu sollen verschiedene Strategien genutzt werden. - Optimierung der Biomasseproduktion, um unter möglichst einfachen Bedingungen mit preiswerten Medien hochaktive Biokatalysatoren zu erhalten. - Einsatz der konzentrierten Biomasse zur Bernsteinsäure-Produktion unter optimierten Produktionsbedingungen, d. h. Einsatz preiswerter Medienkomponenten und Betriebsmittel, Wiederverwertung der Biomasse, geringe Nebenprodukte, leichte Aufarbeitung. - Untersuchung und Vergleich von Batch-, Fedbatch-, repeated Batch- und kontinuierlichen Produktionsverfahren, sowie von immobilisierten Zellen oder Zellrückführungsverfahren. -Taxonomische Einordnung und genetische Charakterisierung des Produktionsstammes, sowie Nutzung der gewonnenen Ergebnisse zur Stamm- und Prozessoptimierung.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuen bioelektrischen Verfahrens zur fermentativen Herstellung von Bernsteinsäure. Der biochemische Prozess wird hierbei mit einem elektrochemischen verknüpft, wobei in einer bioelektrochemischen Zelle kathodenseitig zusätzliche Elektronen für die biochemische Synthese von Bernsteinsäure aus organischen Substraten bereitgestellt werden. Die Ausbeute an Bernsteinsäure soll mit diesem Prozess erhöht und die Bildung oxidierter Nebenprodukte wie Essigsäure minimiert werden. Der aktuelle Kenntnisstand zur bioelektrischen Herstellung von organischen Säuren wird im Rahmen von Literatur- und Patentrecherchen ermittelt. Zur potenziellen Plattformchemikalie Bernsteinsäure wird eine Marktrecherche durchgeführt und das Optimierungspotenzial der fermentativen Produktion mit Hilfe der Elektrobiosynthese herausgearbeitet. Aufbauend auf den Rechercheergebnissen werden eine Fermentationsanlage und eine elektrochemische Zelle im Labormaßstab aufgebaut. Die Laboranlage wird zur Erprobung der bioelektrischen Herstellung von Bernsteinsäure mit dem anaeroben Bakterium Anaerobiospirillum succiniciproducens eingesetzt. Auf der Anodenseite der Zelle werden Elektronen mittels einer elektrolytischen Wasserspaltung freigesetzt. Auf der Kathodenseite wird die fermentative Produktion der Bernsteinsäure aus organischen Substraten durchgeführt, wobei eine Aufnahme der Elektronen durch die Bakterien erfolgen soll. Zur Unterstützung der Elektronenübertragung auf die Bakterien wird zusätzlich der Einsatz von Mediatoren untersucht. Die Ausbeute und das Spektrum der produzierten Säuren werden mit einer konventionellen Fermentation ohne Elektronenzufuhr verglichen. Die Ergebnisse werden einem noch auszuwählenden Expertengremium vorgestellt, um Partner für die weitere Entwicklung des Verfahrens in der Machbarkeitsphase zu gewinnen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 15 |
| Europa | 1 |
| Kommune | 1 |
| Land | 1 |
| Wirtschaft | 3 |
| Wissenschaft | 10 |
| Zivilgesellschaft | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 15 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 15 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 14 |
| Englisch | 3 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 5 |
| Webseite | 10 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 14 |
| Lebewesen und Lebensräume | 14 |
| Luft | 8 |
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| Weitere | 15 |