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Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 1: Technische Auslegung des Reaktorsystems

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 2: Untersuchung des Elektronentransfers und Genexpressionsanalyse

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst in kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 2 ist die Untersuchung des Elektronentransfers und die Genexpressionsanalyse. Dafür soll die Biofilmbildung auf der Elektrode und die mögliche Ausbildung von Nanodrähten analysiert werden, die einen direkten Elektronentransfer ermöglichen. Unterschiede zwischen nativen und synthetischen Biofilmen werden untersucht. Erhaltene Erkenntnisse werden auf den Produktionsprozess im Bioreaktor übertragen und der Einfluss des angelegten Potentials auf die Genexpression analysiert.

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben A

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben D

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben C

TI-Bioraffinerien: C4-Bioraffinerie: Fermentative Gewinnung von Bio-Butanol unter Verwertung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen der Mühlenindustrie für die Weiterverarbeitung zu bio-basierten Schmierstoffkomponenten, Teilvorhaben B

ERACoBioTECH Call 1 - Bester: Bioprozesse für eine optimierte Produktion von Butylestern aus nachwachsenden Rohstoffen, Teilprojekt Rostock

Die Spezialchemieindustrie ist ein 450-Milliarden-Dollar-Markt und Teil des globalen Chemiemarktes mit einem Gesamtwert von 5,4 Billionen Dollar. Der Projektpartner GBL umschließt bereits einen Markt für Butanol und Aceton mit einem Wert von 2,3 Milliarden US-Dollar innerhalb des Marktes für erneuerbare fortgeschrittene Technologien im kommerziellen Maßstab, zum Beispiel für die Herstellung verschiedenster Chemikalien wie Butylester. Butylester, gewonnen aus Butanol und organischen Säuren, haben vielfältige Anwendungen von der Grundchemikalie bis hin zu hochwertigen Inhaltsstoffen in Duftstoffen, Aromen, Kosmetika, Spezialpolymeren und Beschichtungen. Um einen nachhaltigen und effizienten Weg zu erneuerbaren Butylestern aus Lignocellulose-Biomasse zu generieren, wird sich das BESTER-Projekt auf die Herstellung von Carbonsäuren konzentrieren. Diese entwickelten Säuren und deren enzymatische Veresterung der Komponentenprodukte mit Butanol, auf die das BESTER Projekt abzielt, werden den Marktwert erhöhen und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen verringern.

8 - Chemische Erzeugnisse

8 - Chemische Erzeugnisse 81 Chemische Grundstoffe (ausgenommen Aluminiumoxid und - hydroxid) Güter- nummer Güterart Ein- leitung in das Gewässer Abgabe an Annahmestellen zur Kanalisation Abgabe an Annahmestellen zur Sonderbehandlung Bemerkungen 811 Schwefelsäure 8110 Schwefelsäure (Oleum), Abfallschwefelsäure X X S 812 Ätznatron 8120 Ätznatron (Natriumhydroxid, fest), Ätznatronlauge (Natriumhydroxid) in Lösung, Natronlauge, Sodalauge A 813 Natriumcarbonat 8130 Natriumcarbonat (kohlensaures Natrium), Natron, Soda A 814 Calciumcarbid 8140 Calciumcarbid (Vorsicht: Bei Kontakt mit Wasser Explosionsgefahr!) X X S 819 Sonstige chemische Grundstoffe (ausgenommen Aluminiumoxid und -hydroxid) 8191 Acrylnitril, Alaune, Aluminiumfluorid, Äthylenoxid, verflüssigt, Bariumcarbonat, Bariumchlorid (Chlorbarium), Bariumnitrat, Bariumnitrit, Bariumsulfat, Bariumsulfid, Benzolkohlenwasserstoffderivate ( z. B. Äthylbenzol), Bleiglätte, Bleioxid, Bleiweiß (Bleicarbonat), Calciumhypochlorit (Chlorkalk), Caprolactam, Chlor, verflüssigt (Chlorlauge), Chlorbenzol, Chloressigsäure, Chlorkohlenwasserstoffe, nicht spezifiziert, Chlormethylglykol, Chloroform (Trichlormethan), Chlorothene, Chlorparaffin, Chromalaun, Chromlauge, Chromsulfat, Cumol, Cyanide (Cyansalz), Dimethyläther (Methyläther), Dichloräthylen, EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure), ETBE (Ethyl-tertButylether), Flusssäure, Glykole, nicht spezifiziert, Hexachloräthan, Hexamethylendiamin, Kaliumchlorat, Kaliumhypochloritlauge (Kalibleichlauge), Kaliumsilikat (Wasserglas), Kalkstickstoff (Calciumcyanamid), Kohlensäure, verdichtet, verflüssigt, Kresol, Mangansulfat, Melamin, Methylchlorid (Chlormethyl), Methylenchlorid, Monochlorbenzol, MTBE (Methyl-tertButylether), Natriumchlorat, Natriumfluorid, Natriumnitrit (salpetrigsaures Natrium), Natriumnitritlauge, Natriumsilikat (Wasserglas), Natriumsulfid (Schwefelnatrium), Natriumsulfit (schwefligsaures Natrium), Natronbleichlauge, NTA (Nitrilotriessigsäure), Perchloräthylen, Phenol, Phosphorsäure, Phtalsäureanhydrid, Retortenkohle, Ruß, Salpetersäure, -abfallsäure, Salzsäure, -abfallsäure, Schwefel, gereinigt, Schwefeldioxid, schwefelige Säure, Schwefelkohlenstoff, Styrol, Surfynol ( TMDD = 2,4,7,9-Tetramethyldec-5-in-4,7-diol), Tallöl, Tallölerzeugnisse, Terpentinöl, Tetrachlorbenzol, Tetrachlorkohlenstoff, Trichloräthylen, Trichlorbenzol, Triphenylphosphin, Vinylchlorid, Waschrohstoffe, Zinkoxid, Zinksulfat X X S 8192 Aceton, Adipinsäure, Alkohol, rein (Weingeist), Aluminiumacetat (essigsaure Tonerde), Aluminiumformiat (ameisensaure Tonerde), Aluminiumsulfat (schwefelsaure Tonerde), Ameisensäure, Ammoniakgas (Salmiakgeist), Ammoniumchlorid (Salmiak), Ammonsalpeter (Ammoniumnitrat, salpetersaures Ammoniak), Ammoniumphosphat, Ammoniumphosphatlösung, Äthylacetat, Ätzkali (Kaliumhydroxid, Kalilauge), Branntwein (Spiritus), vergällt, Butanol, Butylacetat, Calciumchlorid (Chlorcalcium), Calciumformiat (ameisensaurer Kalk), Calciumnitrat (Kalksalpeter), Calciumphosphat, Calciumsulfat (Anhydrit, synthetisch), Citronensäure, Eisenoxid, Eisensulfat, Essigsäure, Essigsäureanhydrid, Fettalkohole, Glykole (Äthylenglykol, Butylenglykol, Propylenglykol), Glyzerin, Glyzerinlaugen, Glyzerinwasser, Harnstoff, künstlich (Carbamid), Holzessig, Isopropylalkohol (Isopropanol), Kaliumcarbonat (Pottasche), Kaliumnitrat, Kaliumsulfatlauge, Magnesiumcarbonat, Magnesiumsulfat (Bittersalz), Methanol (Holzgeist, Methylalkohol), Methylacetat, Natriumacetat, (essigsaures Natrium), Natriumbicarbonat (doppelkohlensaures Natrium), Natriumbisulfat (doppelschwefelsaures Natrium), Natriumformiat, Natriumnitrat (Natronsalpeter), Natriumphosphat, Propylacetat, Titandioxid (z. B. künstliches Rutil) X A 8193 Graphit, Graphitwaren, Silicium, Siliciumcarbid (Carborundum) A 8199 Sonstige chemische Grundstoffe und Gemische, nicht spezifiziert X X S 82 Aluminiumoxid und -hydroxid Güter- nummer Güterart Ein- leitung in das Gewässer Abgabe an Annahmestellen zur Kanalisation Abgabe an Annahmestellen zur Sonderbehandlung Bemerkungen 820 Aluminiumoxid und -hydroxid 8201 Aluminiumoxid A 8202 Aluminiumhydroxid (Tonerdehydrat) A 83 Benzol, Teere u. ä. Destillationserzeugnisse Güter- nummer Güterart Ein- leitung in das Gewässer Abgabe an Annahmestellen zur Kanalisation Abgabe an Annahmestellen zur Sonderbehandlung Bemerkungen 831 Benzol 8310 Benzol X X S 839 Peche, Teere, Teeröle u. ä. Destillationserzeugnisse 8391 Nitrobenzol, Benzolerzeugnisse, nicht spezifiziert X X S 8392 Öle und andere Erzeugnisse von Steinkohlenteer, z. B. Anthracen, Anthracenschlamm, Decalin, Naphthalin, raffiniert, Tetralin, Xylenol, Solventnaphtha, Toluol, Xylol (Ortho-, Meta- und Paraxylol und Mischungen davon) X X S 8393 Pech und Teerpech aus Steinkohlen- und anderen Mineralteeren, z. B. Braunkohlenteerpech, Holzteerpech, Mineralteerpech, Petroleumpech, Steinkohlenteerpech, Teerpech, Torfpech, Torfteerpech, Kreosot X X S 8394 Pech- und Teerkoks aus Steinkohlen- und anderen Mineralteeren, z. B. Braunkohlenteerkoks, Steinkohlenpechkoks, Steinkohlenteerkoks, Teerkoks X X S 8395 Gasreinigungsmasse X X S 8396 Steinkohlen-, Braunkohlen- und Torfteer, Holzteer, Holzteeröl, z. B. Imprägnieröl, Karbolineum, Kreosotöl, Mineralteer, Naphthalin, roh X X S 8399 Sonstige Destillationserzeugnisse, z. B. Rückstände von Braunkohlen- und Steinkohlenteerschweröl X X S 84 Zellstoff und Altpapier Güter- nummer Güterart Ein- leitung in das Gewässer Abgabe an Annahmestellen zur Kanalisation Abgabe an Annahmestellen zur Sonderbehandlung Bemerkungen 841 Holzschliff und Zellstoff 8410 Holzstoff (Holzschliff), Holzzellulose, Zellulose, -abfälle X A 842 Altpapier und Papierabfälle 8420 Altpapier, Altpappe X A 89 Sonstige chemische Erzeugnisse ( einschl. Stärke) Güter- nummer Güterart Ein- leitung in das Gewässer Abgabe an Annahmestellen zur Kanalisation Abgabe an Annahmestellen zur Sonderbehandlung Bemerkungen 891 Kunststoffe 8910 Kunstharze, Kunstharzleim, Mischpolimerisat aus Acrylnitril, aus Butadien, aus Styrol, Polyester, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid X X S 8911 Kunststoffabfälle, Kunststoffrohstoffe, nicht spezifiziert X X S 892 Farbstoffe, Farben und Gerbstoffe 8921 Farbstoffe, Farben, Lacke, z. B. Eisenoxid zur Herstellung von Farben, Emailmasse, Erdfarben, zubereitet, Lithopone, Mennige, Zinkoxid X X S 8922 Kitte X X S 8923 Gerbstoffe, Gerbstoffauszüge, Gerbstoffextrakte X X S 893 Pharmazeutische Erzeugnisse, ätherische Öle, Reinigungs- und Körperpflegemittel 8930 Apothekerwaren (Arzneimittel), pharmazeutische Erzeugnisse X X S 8931 Kosmetische Erzeugnisse, Reinigungsmittel, Seife, Waschmittel, Waschpulver X A 894 Munition und Sprengstoffe 8940 Munition und Sprengstoffe X X S 896 Sonstige chemische Erzeugnisse 8961 Abfälle von Chemiefäden, -fasern, -garnen, von Kunststoffen, auch geschäumt, auch thermoplastisch, nicht spezifiziert, Abfallmischsäuren aus Schwefel- und Salpetersäure, Elektrodenkohlenabfälle, -reste, Kohlenstoffstampfmasse X X S 8962 Abfälle und Rückstände der chemischen Industrie, der Glasindustrie, eisenoxidhaltig, Sulfitablauge X X S 8963 Sonstige chemische Grundstoffe, Härtemittel für Eisen, für Stahl, Entkalkungsmittel für die Lederbereitung, Härtergemische für Kunststoffe, Kabelwachs, Leime, Lösungsmittel, Pflanzenschutzmittel, nicht spezifiziert, radioaktive Stoffe, nicht spezifiziert, Weichmachergemische für Kunststoffe X X S 8969 Chemikalien, chemische Erzeugnisse, nicht spezifiziert X X S Stand: 01. Januar 2018

ERA-IB 3: Wissensbasierte Konstruktion verbesserter Clostridien-Stämme zur Etablierung produktiver Fermentationen (REACTIF), Teilvorhaben 1: Metabolic Engineering

Das Gesamtziel des Projekts ist die Entwicklung verbesserter Clostridien-Stämme zur Produktion von n-Butanol mit Cellulose als Substrat. In diesem Vorhaben sollen insbesondere Genüberexpressionsstudien mit ausgewählten Clostridium-Stämmen und entsprechende Stammkonstruktionen durchgeführt werden. Diese Studien sollen und a. die Bedeutung von 'single nucleotide point mutations' (SNPs) belegen. Die Manipulation der SNPs kann die Aktivität von Proteinen ändern und damit die Anpassung des Organismus an wechselnde Fermentationsbedingungen und die Erhöhung der Produktion an Butanol ermöglichen Zunächst werden für ausgewählte Clostridium-Stämme Methoden zur Transformation erarbeitet. Anschließend werden in diesen Stämmen spezifische identifizierte Zielgene oder Zieloperons (über)exprimiert. Dazu werden die entsprechenden Gene oder Operons per PCR amplifiziert und in geeignete Vektoren mit geeigneten Replikons kloniert. Unter Anwendung der ACE-Technologie und des Orthogonalen Expressionssystems werden die ausgewählten Gene oder Operons in das Genom ausgewählter Organismen eingebracht und dort (kontrolliert) exprimiert. Die erhaltenen Mutanten werden im Labormaßstab auf ihre Fermentationseigenschaften untersucht.

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