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Anlage zur Verwertung regionaler organischer Reststoffe (Co-Fermentation)

Die seit 10 Jahren erfolgreich betriebene Biogasanlage von Herrn Weitz soll konzeptiert und erweitert werden. Neben der Gewinnung von Biogas aus Schweineguelle ist eine Verwertung organischer regionaler Abfaelle geplant. Das Ziel ist die Untersuchung eines optimierten Verfahrensablaufes und die Zusammensetzung der Zuschlagstoffe, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermoeglichen.

Steigerung der Prozessstabilität und Kinetik bei der anaeroben Vergärung von Bioabfall durch gezielte Stimulation des direkten Interspezies-Elektronentransfers zwischen syntrophen Mikroorgansimen

Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.

Optimierung und Steuerung eines Fermentationssystems mit sequentieller Prozessfuehrung, dargestellt am System Ammonifikation-Nitrifikation

Voraussetzung fuer eine sequentielle Prozessfuehrung ist die genaue Kenntnis der reaktionskinetischen Daten fuer die einzelnen biologischen Systeme. Sie bilden die Grundlage fuer die Bemessung, Optimierung und Steuerung der Verfahrenselemente. Ausschlaggebend fuer die Wahl der Reaktortypen ist die Aufrechterhaltung optimaler Umweltbedingungen (z.B. pH-O2-Konzentration) sowie die Erhaltung einer moeglichst grossen Organismenmenge im System. Fuer die Nitrifikation sind Ruehrkessel-, Festbett- und Wirbelschichtreaktor die zu untersuchenden Alternativen. Die Loesung dieses Problems wird als Beitrag zur Leistungssteigerung von Klaeranlagen sowie zur Entwicklung einer Hochleistungsnitrifikation fuer Industrieabwaesser verstanden.

Produktion von Milch in Weide- oder Stallhaltung: Ein Verfahrensvergleich - Teilprojekt: Betriebswirtschaftliche Bewertung verschiedener Milchviehhaltungssysteme

Die Milchviehhaltung und Milcherzeugung hat für die niedersächsische Landwirtschaft eine große Bedeutung. Vor allem in den Grünlandregionen erzielen die landwirtschaftlichen Betriebe ihr Einkommen maßgeblich aus der Rinderhaltung. In der öffentlichen Wahrnehmung genießt die Milchrinderhaltung gegenüber anderen landwirtschaftlichen Nutztierhaltungen ein gutes Ansehen; positive Assoziationen der Verbraucher mit der Milchviehhaltung werden im Zusammenhang mit der Weidewirtschaft gesehen. De facto ist der Anteil von den Milchviehbetrieben, die den Tieren Weidegang erlauben, seit Jahren rückläufig. Weniger als 40 % der Kühe werden ganztägig geweidet. Die Konsequenzen des sukzessiven Übergangs von einer weidebasierten zu einer rein stallbasierten Micherzeugung werden zunehmend diskutiert; vielfach fehlen aber die Grundlagen für eine wissenschaftlich fundierte Auseinandersetzung. Ziel des Forschungsverbundes Systemvergleich Milch ist es daher, die Bedingungen und Leistungen Weide und Stall basierter Systeme grundlegend zu untersuchen. Die Untersuchungen betreffen die Tiergesundheit, das Verhalten und Wohlbefinden der Tiere, die Belastung mit Parasitosen, die Umsetzbarkeit der Futternährstoffe bei der ruminalen Fermentation, die optimierte Gestaltung der Weidewirtschaft zur Bereitstellung ausreichender Mengen und Qualitäten von Weidefutter und zur Verringerung von Nährstoffverlusten, die Konsequenzen verschiedener Milcherzeugungssysteme für Umwelt, Klima und Ressourceneffizienz, die betriebswirtschaftliche Bewertung der verschiedenen Milcherzeugungsoptionen sowie die Wahrnehmung und die Präferenzen der Konsumenten von Milch. Die wissenschaftlichen Arbeiten basieren zum einen auf einem umfassenden Betriebsvergleich in Niedersachsen, bei dem Milchviehbetriebe nach dem Grad der Weidenutzung klassifiziert und im Hinblick auf die o.g. Merkmale analysiert werden. Andererseits werden unter weitgehend kontrollierbaren Bedingungen Produktionsexperimente mit klassischen experimentellen Designs durchgeführt. Hier stehen Fragen der Verwertung der Futternährstoffe auf der Weide sowie der Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz der Weidewirtschaft im Vordergrund.

Beseitigung und Verwertung von industriellen Fermentationsrueckstaenden

Ablagerung von Myzelschlaemmen auf Abfalldeponien. Einsatz von Restmelasse aus der Zitronensaeureproduktion als Duengemittel und deren Wirkung auf mikrobielle Prozesse im Boden. Verwertung von Fermentationsabfaellen als Ausgangsmaterial fuer weitere Prozesse von industrieller Bedeutung.

Elektrochemische Aufarbeitung von Fumarsäure mit CO2-Incycling zur Steigerung der biotechnologischen Kohlenstoffausbeute

Biogene Rohstoffe bilden mittelfristig die einzig industriell zugängliche Kohlenstoffquelle nicht-fossilen Ursprungs. Diese sind der Ausgangspunkt für die Produktion von biotechnologisch hergestellten Carbonsäuren, die als Grundstoffe für die Synthese zahlreicher hochwertiger Chemikalien Anwendung finden. Im Verbundvorhaben ECOYIELD soll eine kontinuierliche Fermentation von Fumarsäure aus Reststoffströmen realisiert werden. Des Weiteren soll für die Abtrennung der Fumarsäure ein elektrochemischer Aufarbeitungsprozess entwickelt werden, der eine nachhaltige und kostengünstige Produktion des Produkts erlaubt.

Abwassertechnologie mit Algen-Bakterien-Mischkulturen

Fuer den Einsatz von Algen-Bakterien-Mischkulturen bei der aeroben Behandlung oder Nachreinigung fluessiger Abfallstoffe sollen wissenschaftliche Grundlagen erarbeitet und energiesparende Technologien entwickelt werden. Definierte Substrate aus industriellen Fermentationsrueckstaenden werden in diese Versuche einbezogen.

Toxikologische Chargenkontrolle mikrobieller Fermente: methodische Untersuchungen und Erarbeitung von Standards

Aus dem Rohstoff Mikroben werden derzeit in grossem Umfange Fermentanreicherungen zum Zwecke der technologischen Bearbeitung von Lebensmitteln hergestellt. Wegen des chemisch wenig definierten Charakters dieser Praeparationen sind toxikologische Pruefungen der einzelnen Chargen zu fordern. Die Durchfuehrbarkeit dieser Forderungen ist abhaengig von der Entwicklung wirtschaftlich vertretbarer, aber ausreichend sicherer Methoden.

Abbaupotential von Schadstoffen bei der Biomuellvergaerung

Der anaerobe Abbau von Xenobiotika bei der mesophilen und thermophilen Biomuellvergaerung wird untersucht, um die Entgiftung/Schadstoff-entfrachtung beurteilen zu koennen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt beim AOX.

Schwerpunktprogramm (SPP) 2451: Lebende Materialien mit adaptiven Funktionen, Teilprojekt: Adaptive Biotechnologisch-modifizierte Bakterielle Koazervate

Das Hauptziel dieses Vorschlags ist die Entwicklung biotechnologisch-modifizierte bakterieller Koazervate (EBCs) als neuartiges Hybridmaterial mit adaptiven Eigenschaften. In dieser Arbeit schlagen wir die Etablierung von EBCs als innovative Plattformen für die mikrobielle Biotechnologie vor, bei denen die Funktionalität von Bakterien durch ihre Interaktion mit Koazervaten verbessert wird. Einerseits fungieren die Koazervate als membranlose Käfige für die Lokalisierung von Bakterien in einem begrenzten Raum und ermöglichen eine kontrollierte Aufnahme und Freisetzung von Metaboliten. Andererseits werden die eingekapselten lebenden Bakterien den Protozellen einzigartige Eigenschaften verleihen, die sich durch gentechnische Eingriffe fein abstimmen lassen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Forschungsvorschlag in drei Hauptziele unterteilt. Zunächst wollen wir eine Toolbox von EBCs mit verschiedenen Bakterien aufbauen. Insbesondere werden wir die Verkapselung biotechnologisch relevanter Bakterien in Koazervaten, die Lebensfähigkeit und die Stoffwechselaktivität der eingebetteten Bakterien sowie die Stabilisierung und Resistenz von EBCs über die Zeit und unter verschiedenen Bedingungen untersuchen. Zweitens wollen wir die Interaktion von EBCs mit ihrer Umgebung und ihr adaptives Verhalten untersuchen. Genauer gesagt werden metabolisch aktive EBCs auf die spezifische Induktion ausgewählter bakterieller Aktivitäten innerhalb der Koazervate getestet, was zu einer Manipulation der EBC-Funktionalität durch externe Stimuli führt. Außerdem soll die Interaktion zwischen verschiedenen stoffwechselaktiven EBCs untersucht werden. In diesem Zusammenhang werden wir untersuchen, ob Bakterien in einzelnen Koazervaten Metaboliten oder Signalmoleküle mit Bakterien in anderen Koazervaten austauschen können. Schließlich wollen wir die gegenseitige Interaktion von Bakterien und Koazervaten innerhalb der EBCs untersuchen. Insbesondere werden wir untersuchen, ob die künstliche Ansammlung von Bakterien in einem definierten Raum die gleichen Schutzeigenschaften gegen widrige Bedingungen bietet, wie es die Bildung eines Biofilms tun würde. Gleichzeitig werden wir die Rolle der Biofilmbildung in den Koazervaten und die Auswirkungen auf die Stabilität der Koazervate untersuchen. Insgesamt werden wir ein adaptives und selbstregulierendes Verhalten von EBCs erreichen, bei dem Koazervate und Bakterien ihre Eigenschaften auf der Grundlage externer Stimuli gegenseitig beeinflussen können. Wir wollen die Anwendbarkeit von EBCs in verschiedenen Prozessen wie der Fermentation oder der Behandlung von toxischen Abwässern testen.

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