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.
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.
General Information: Changing shopping habits and trends to convenience products have precipitated a plastic waste disposal crisis. Relief is expected by recycling, however, due to the high cost of collection, separation and purification recycling is considered as economically ambiguous. Assuming that biodegradable plastics meet the price expectation, it would be better to use biodegradable plastics which are easily compostable. The estimated EEC market (year 1998) for such products is of significant size: approximately 4-5 x l05 tons/yr. The overall goal of the present project is the synthesis of biodegradable polyesters from two main monomers, 1,3-propanediol and succinate (produced by fermentation from renewable sources) and from other dicarboxylic acids (like terephthalic acid) used as an auxiliary monomers to modified the chemical and physical properties of the polyester. The advantages of this approach compared to polyhydoxyalkanoates or polylactides (two biodegradable polyesters that can be produced from renewable sources) are the lower cost of production and the possibility to easily modify the physical properties of the polyester to the qualities required for the article made of plastic. Therefore the main items of this project are: Production of 1,3-propanediol out of glycerol coming from the oleochemical industry (fatty acids, fatty alcohols) and rape seed oil production. Development of genetically modified micro organisms for maximal yield of 1,3-propanediol production and evaluation of their performances in fermentor up to the m3 scale and in high volumetric productivity membrane bioreactor. Production of succinic acid from starch hydrolysates using Anaerobiospirillum succiniproducens in high performance bioreactor (membrane bioreactors with optimized ratio of cell bleeding and effluent flow rates and in situ product recovery by electro dialysis), to increase the productivity and decrease the waste water treatment of the process. This fermentation is original by the fact that carbon dioxide is consumed for succinate production. Several patents have been deposited regarding the process of succinate production but the productivities reported are low due to low cell density. Development of polyesters based on 1,3-propanediol and succinic acid optimised regarding process ability and thermo-mechanical properties by means of utilization of improved polymerization-copolymerization methods and blending. Manufacture of prototypes of product using the referred optimised polymers, copolymers and blends. Biodegradation studies using various test systems including C-balances, isolation and characterization of degradative microbial consortia and involved enzymes systems (lipases, hydrolase's). Prime Contractor: Institut National des Sciences Appliquees Toulouse, Departement de Genie Biochimique, Toulouse; France.
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.
Das Ziel des Promotionsvorhabens ist die rationale Entwicklung einer nachhaltigen, abfallminimierten und umweltfreundlichen Methode zur Synthese der C4-Grundchemikalien Bernsteinsäure und Butan-1,4-diol ausgehend aus Acetylendicarbonsäure. Als Grundlage für die Entwicklungsarbeiten soll ein in meiner Diplomarbeit entwickeltes Katalysatorsystem für die doppelte Carboxylierung von Acetylen zur Acetylendicarbonsäure dienen. Anschließend soll ein weiteres Katalysatorsystem entwickelt werden, das die Dreifachbindung zum thermisch stabilen Dicarboxylat reduziert und die Bernsteinsäure beim Erhitzen freisetzt. Alternativ dazu soll untersucht werden, ob die komplette Reduktion der Acetylendicarbonsäure bis hin zur Grundchemikalie Butan-1,4-diol in Gegenwart einer milden Base möglich ist. Die Aminbase soll mit Hilfe einer Destillation vom Produkt abgetrennt und in den Prozess zurückgeführt werden, so dass die Gesamtreaktion als einziges Nebenprodukt Wasser freisetzen würde.
Im Rahmen dieses Projektes soll durch die Zusammenarbeit zwischen Biotechnologen, Ingenieuren und (Elektro-) chemikern in komplementär ausgerichteten Forschungsstellen neue (bio-) elektrochemische Verfahren zur Aufreinigung von Wertstoffen aus Fermentationslösungen entwickelt und eingesetzt werden. Vorarbeiten haben das Anwendungspotential der potentialkontrollierten Flüssigchromatografie (PKFC) an nicht-modifiziertem Glaskohlenstoff gezeigt. Um mit den klassischen technischen Verfahren konkurrieren zu können, sollen weitere konduktive, stationäre Phasen für die PKFC synthetisiert, charakterisiert und am Beispiel der Bernstein- und Milchsäureproduktion evaluiert werden. Um bei dieser Neuentwicklung die Trenneffizienz und Kapazität zu verbessern, sollen konduktive Matrices mit anderen leitfähigen (derivatisierten) Materialien kombiniert werden. Zusammen mit unseren Projektpartnern der TU München und des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sollen für ein tieferes Verständnis und eine effektive Optimierung, die Vorgänge der potentialkontrollierten Ad- und Desorption von der molekularen Ebene bis hin zu kompletten Chromatografiesäulen untersucht und durch geeignete Modellvorstellungen beschreiben werden.
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