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Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien, Teilvorhaben: Prozessoptimierung, Überführung des Prozesses in den industriellen Maßstab

Erprobung eines geschlossenen Hochleistungsreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung

Untersuchung eines Bioreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung. Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Behaelter, in dem sich zum dispergieren der Luft und zur Durchmischung der Biosuspension eine Hubeinrichtung befindet. Die Hubeinrichtung - bestehend aus einer Hubstange mit Lochscheiben - ist massgebend fuer die Leistungsfaehigkeit des Bioreaktors. Aus diesem Grunde soll der Einfluss von Hubfrequenz, Hubamplitude und Abstand der Lochscheiben auf die Verweilzeit des Abwassers untersucht werden. Weitere zu untersuchende Einflussgroessen sind: Bakterienkonzentration, Ruecklauf der Biokonzentration und Energiebedarf.

Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien, Teilvorhaben: Betrieb der solarbetriebenen BioH2-Produktions-Anlage auf dem Firmengelände

Wesentliche Änderung der Biogasanlage Torgelow

Die Biomethan Produktion Torgelow GmbH, An den Eichen 1, 16515 Oranienburg, beabsichtigt die Biogasanlage Torgelow wesentlich zu ändern und hat hierfür eine immissionsschutzrechtliche Genehmigung nach § 16 Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) beantragt. Der Anlagenstandort befindet sich in 17358 Torgelow, Robert-Bosch-Straße 1, Gemarkung Torgelow, Flur 12, Flurstück 4/53. Gegenstand der wesentlichen Änderung sind folgende Vorhaben: • Änderung der Inputstoffe durch Verringerung des Gesamtinputs auf 61.500 t/a und die Erweiterung des Inputstoffkataloges durch Hühnertrockenkot (15.000 t/a) und Reststoffen aus der Zuckerproduktion • Umnutzung einer vorhandenen Lagerhalle zur Hühnertrockenkot- und Festgärrestlagerung • Errichtung eines Biofilters zur Abluftreinigung der Lagerhalle für Hühnertrockenkot und festen Gärresten • Verkleinerung der Zwischenlagerfläche für feste Gärreste am Separator • Änderung der Gasspeichervolumen über den Fermentern, Nachgärern und Gärrestlagern

Detoxification von Mykotoxinen in Hefe - Phase II

Pflanzenpathogene Pilze der Gattung Fusarium verursachen agronomisch bedeutende Krankheiten auf Getreide. Zusätzlich zur Ertragsminderung kommt es dabei zur Kontamination des Erntegutes mit Mykotoxinen. Für die wichtigsten Fusarium-Toxine, das als Proteinbiosynthese-Inhibitor wirkende Deoxynivalenol (DON) und das stark östrogen wirksame Zearalenon (ZON), sind nun nach toxikologischer Evaluierung EU-weite gesetzliche Maximalwerte in Vorbereitung. Die im Feld vom Pilz gebildeten Metaboliten stellen eine Gesundheitsgefährdung für Tier und Mensch dar. Allerdings sind pflanzliche und tierische Zellen (und wahrscheinlich der toxinproduzierende Pilz selbst) in gewissem Ausmaß imstande, die Mykotoxine in ungiftige Konjugate überzuführen. In diesem Projekt sollen die beteiligten Entgiftungsenzyme, die UDP-Glucuronosyl-transferasen (UGT) und Sulfotransferasen (SULT) charakterisiert, sowie die gebildeten Mykotoxin-Konjugate mittels instrumenteller Analysenverfahren untersucht werden. Ziel des Projektes ist es, Bäckerhefe genetisch so zu verändern, dass die Detoxifikationsaktivität von exprimierten UGT- oder SULT-Kandidatengenen phänotypisch beobachtet werden kann, entweder in Form von Wachstum auf gifthältigem Medium, oder mithilfe von geeigneten östrogen-regulierten Reportergenen. Da die Säuger-UGTs im Lumen des endoplasmatischen Retikulums lokalisiert sind und Hefe das Ko-Substrat UDP-Glucuronsäure (UDP-GlcUA) nicht bilden kann, muss allerdings zuerst die Fähigkeit zur Biosynthese von UDP-GlcUA und möglicherweise auch jene zum effizienten Transmembran-Transport bereitgestellt werden. Derartige Stämme und solche, die das Sulfotransferase-Kosubstrat PAPS ('aktives Sulfat') effizient bereitstellen, sollen als Wirtszellen für die funktionelle Expression von humanen bzw. tierischen UGTs, sowie von tierischen und pflanzlichen SULTs dienen. Auch im Genom von Fusarium graminearum identifizierte UGT bzw. SULT-Gene sollen getestet werden. Neben der funktionellen Charakterisierung von heterologen UGT und SULT Genen soll auch getestet werden, ob sich endie hergestellten Hefestämme als Bioreaktoren zur Herstellung von Mykotoxinkonjugaten verwendet werdeneignen. Diese sind als Referenzsubstanzen für die Entwicklung von Analysenmethoden wichtig. Wenn es gelingt, die fremden Entgiftungsenzyme funktionell in Hefe zu rekonstituieren, hätte dies Bedeutung weit über den Aspekt der Mykotoxine hinaus. Ein Satz von Hefestämmen, die jeweils nur ein Detoxifikationsgen exprimieren, wäre generell für das Studium des Metabolismus von Medikamenten und anderen Substanzen sehr nützlich.

Einsatz von Zeolith zur Erhöhung der Effizienz der Biogaserzeugung aus Wirtschaftsdüngemitteln und zur Minderung der Stickstoffverluste in die Umwelt bei der Düngenutzung der entstehenden Gärreste, Teilvorhaben 2: Labor- und großtechnische Versuche, LCA

Eine wichtige und umweltschonende Maßnahme für die Verwertung von tierischen und anderen Reststoffen ist deren Vergärung in Biogasanlagen und die Verwertung der Gärreste als Wirtschaftsdünger. Das hier beantragte FuE-Vorhaben soll einen Beitrag leisten, die Attraktivität der Vergärung von Gülle und anderen Wirtschaftsdüngemitteln zu steigern. Dabei ist es fokussiert auf den Einsatz des Tonminerals Zeolith im Fermenter zur Steigerung des Methanertrags aufgrund einer Optimierung der Vergärung und daraus folgend einer schnelleren und vollständigeren Umsetzung der Substrate. Außerdem werden eine Verbesserung der Düngewirkung und positive ökobilanzielle Auswirkungen durch die Minderung umweltrelevanter Gasemissionen (NH3 und N2O) bei bzw. nach der Düngung erwartet. Während Erfolge aus Einzelstudien bekannt sind, fehlen kombinierte Prüfungen. Ziel des Teilvorhabens 2 'Labor- und großtechnische Versuche, LCA' (HAWK) sind die Auswahl der besten Zeolithtypen und Aufwandmengen sowie die Prozessoptimierung auf Basis kontinuierlicher und großtechnischer Versuche. Durch Lebenszyklusanalysen sollen die Zeolithzusätze im Hinblick auf die Biogasausbeute, die Düngewirkung von Wirtschaftsdüngern und Gärresten und weitere Umweltwirkungen, die sich aus den angepassten Prozessketten ergeben, systematisch und umfassend bewertet und daraus Handlungsempfehlungen abgeleitet werden.

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Nutzung von Lignocellulosereichen Substraten zur Biogas- und Faser, bzw. Cellulosegewinnung mittels innovativer Verfahren

Eine Substitution fossiler durch biogene Rohstoffe für stoffliche Anwendungen ist ein maßgeblicher Schritt zur Reduktion der anthropogenen CO2 Emissionen. Dabei sollte Biomasse im Sinne der Bioökonomie möglichst ganzheitlich und effizient genutzt werden, um die Flächeneffizient und den Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu maximieren. Die hochwertige Verwendung von bisher kaum genutzten landwirtschaftlichen Reststoffen ist eine vielversprechende Methode zur Effizienzsteigerung. Die stoffliche Nutzung von Agrarreststoffen ist allerdings problematisch. Biogene Stoffe haben stets eine schwankenden Produktqualität. Deshalb ist eine Vorbehandlung und Auftrennung der Reststoffe auf verwertbare Bestandteile notwendig und ein entscheidender Schritt für die Weiternutzung. Deutschland und Taiwan stellen zwei Technologieführer mit hohem Umweltbewusstsein in ihrer jeweiligen Klimazone dar. Deutschland befindet sich in der gemäßigten Klimazone, während Taiwan sich in der (sub-)tropischen Klimazone befindet. Besonders vielversprechende landwirtschaftliche Reststoffe, die sich für eine stofflich Nutzung eignen und daher untersucht werden sollen, sind in der gemäßigten Klimazone Getreidestroh und in der (sub-)tropischen Klimazone Kakao- und Bananenschalen, sowie Reisstroh. Zudem fallen Tomatenpflanzenreste in beiden Klimazonen an. Im angestrebten Projekt wird der landwirtschaftliche Reststoff zunächst in einem hydrothermalen Aufbereitungsverfahren aufgeschlossen, um die anaerob kaum abzubauenden Fasern von den sehr gutvergärbaren Bestandteilen zu trennen. Dies wird in Deutschland mittels Thermodruckhydrolyse realisiert und in Taiwan mittel Überkritischer Wassermethode. Anschließend folgt eine Auftrennung in einem Flüssig/Fest-Separator. Der faserreiche Feststoff soll als Torfersatzprodukt und als Substrat zur mikrobiellen Zelluloseproduktion genutzt werden. Torf findet insbesondere im Gartenbau Anwendung, da er diverse Vorteile besitzt. Allerdings bildet sich Torf in Mooren nur sehr langsam und zur Gewinnung müssen die CO2-bindende Moore entwässert werden. Im Projekt soll untersucht werden in wie weit die produzierten Fasern Torf ersetzen können. Ein zweiter zu untersuchender Ansatz im Projekt ist es die Feststofffraktion als Nährmedium für Bakterienkulturen zu verwenden, die gezielt mikrobielle Zellulose produzieren. Die Flüssigkeit soll mithilfe innovativer zweistufiger Biogasanlage energetisch genutzt werden soll. Die Nutzung der Organik zur Biogasproduktion soll die Prozessenergie der energieintensiven Aufbereitung bereitstellen. Der TS-Gehalt der flüssigen Fraktion ist sehr gering, was bei herkömmlichen volldurchmischten Reaktoren eine lange Verweilzeit und somit ein sehr großes Reaktorvolumen verursacht. Um diese Nachteile zu reduzieren, sollen im Projekt zweistufige Reaktorsysteme untersucht werden. Während in Taiwan beide Fermenter volldurchmischt betrieben werden, wird in Deutschland der Methanreaktor als Festbettfermenter ausgeführt.

Biotechnologische Produktion von biologisch abbaubaren Thermoplasten, Elastomeren und anderen technisch relevanten Polymeren

Biosynthetische Polymere werden in zunehmender Zahl und Menge eingesetzt und sind aus vielen Bereichen des Alltags nicht mehr wegzudenken. Waren es frueher vorwiegend von hoeheren Lebewesen synthetisierte Polymere, so gewinnen nun von Mikroorganismen synthetisierte Polymere als Werkstoffe sowie als Hilfs- und Nebenstoffe an Bedeutung. Mikroorganismen synthetisieren in vielfaeltiger Form Polymere fuer technische Anwendungen. Die meisten technisch genutzten mikrobiellen Polymere werden heute als Hilfs- und Nebenstoffe eingesetzt, einige auch direkt zu Werkstoffen verarbeitet. Mikrobielle Polymere werden als Rohstoffe zu anderen Werkstoffen oder Hilfs- und Nebenstoffen verarbeitet oder dienen als Ausgangsmittel fuer weitere chemische Synthesen. Der Einsatz von Mikroorganismen bei der biotechnologischen Produktion von Polymeren ermoeglicht haeufig die Nutzung nachwachsender Rohstoffe als Substrate und Kohlenstoffquelle fuer die Produktion wie zB die Nutzung pflanzlicher Photosynthetate, die von der Land- und Forstwirtschaft in grossen Mengen bereitgestellt werden koennen. Die Kenntnis der Biosynthesewege fuer Polymere in Bakterien in Verbund mit der Gentechnik ermoeglicht zudem die Erzeugung transgener Pflanzen, die zur Produktion neuer Polymere anstelle von Bakterien herangezogen werden koennen. 1) Biosynthese von Polyestern: Mikrobielle, aus Hydroxyfettsaeuren aufgebaute Polyester (PHF) machen seit einigen Jahren als neue biologische abbaubare Werkstoffe von sich reden. Neben 3-Hydroxybuttersaeure sind mittlerweile mehr als 100 verschiedene Hydroxyfettsaeuren als Bausteine von PHF bekannt. Seit ca 10 Jahren wird in der Arbeitsgruppe die Biosynthese dieser wasserunloeslichen Polyester untersucht. Als Modellorganismen dienten zunaechst Alcaligenes eutrophus und Pseudomonas aeruginosa; Rhodococcus ruber und zahlreiche anoxygene phototrophe Bakterien wie zB Chromatium vinosum wurden spaeter ebenfalls untersucht. Diese Untersuchungen haben zur Aufklaerung von Biosynthesewegen der PHF und zur Entdeckung neuer Bausteine von PHF sowie zur Klonierung und Ermittlung der Primaerstrukturen des Schluesselenzyms PHF-Synthase aus ca 20 Bakterien beigetragen. Durch Screening nach neuen Wildtypen, durch Verwendung von Mutanten und mit gentechnischen Methoden gelang es, Polyester mit ungewoehnlichen Hydroxyfettsaeuren aus einfachen Kohlenstoffquellen verfuegbar zu machen. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern und gefoerdert durch das BMBF und das BML sollen Reststoffe, Kohlen und nachwachsende Rohstoffe fuer die Produktion dieser Polyester erschlossen werden. Ein Biotechnikum mit Bioreaktoren von 1 bis 20 l Nutzvolumen, welches demnaechst durch einen Anbau und einen Bioreaktor von 450 L Nutzvolumen erweitert wird, erlaubt die Herstellung von Polymermustern zur Ermittlung der Materialeigenschaften durch hieran interessierte Kooperationspartner. Ferner kommt der Zusammenarbeit mit Pflanzengenetikern, die Gene fuer PHF Biosynthese aus Bakterien in Pflanzen ...

Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien, Teilprojekt: Technische Entwicklung des R. rubrum BioH2-Bioreaktorverfahrens

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