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Biogasgewinnung bei der mikrobiellen Entsorgung von Fettabscheiderschlaemmen lebensmittelverarbeitender Betriebe

Zielsetzung: Erkenntnisse ueber die physiologischen und biotechnologischen Bedingungen bei der anaeroben Vergaerung langkettiger Fettsaeuren, Fette und Oele unter methanogenen Bedingungen. Umsetzungen der Erkenntnisse zur methanogenen Vergaerung von og Substanzen bei der Entwicklung eines technischen Fermentationsprozesses mit dem Ziel der Reinigung fett- bzw oelhaltiger Abwaesser der Lebensmittelindustrie bzw lebensmittelverarbeitender Betriebe. Die Kopplung dieses Reinigungsprozesses mit einer Biogasproduktion traegt entscheidend zu einer wirtschaftlichen Gestaltung des Abwasserreinigungsprozesses bei. Arbeitsprogramm: Bei der Hydrolyse pflanzlicher und tierischer Oele/Fette werden Fettsaeuren und Glycerin freigesetzt. Beide Substanzen koennen von anaeroben Mikroorganismenpopulationen unter Produktion von Biogas mineralisiert werden. Um eine Ansaeuerung des Fermentationsmediums durch die freigesetzten Fettsaeuren zu verhindern, ist als Voraussetzung fuer einen optimalen Abbauprozess ein gut gepuffertes System und eine ausreichende Konzentration an Kationen zur voruebergehenden Aussalzung der freien Fettsaeuren notwendig. Rinderguelle und weitere komplexe, fluessige Substrate erfuellen die genannten Voraussetzungen und sind zudem noch natuerliches Habitat fuer die zum anaeroben Abbau notwendigen Mikroorganismen. Folgende Ziele wurden verfolgt: Adaptation methanogener Mischpopulationen an tierische Fette/pflanzliche Oele als einzige C-Quelle; Ermittlung des maximalen Fett-/Oelabbaus; Umsetzung der erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse in eine technische Realisation.

Optimierung der Milchsäureerzeugung aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie zur Herstellung hochwertiger flüssiger Tierfuttermittel sowie von biobasierten industriellen Kunststoffen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Projekt OptiMi zielt darauf ab, hochwertige Reststoffe der Lebensmittelindustrie zu nutzen, um daraus über einen Fermentationsprozess Milchsäure zu erzeugen. Milchsäure kann als Ausgangsprodukt in verschiedensten Prozessen eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem die Verwendung als Monomer für die Herstellung des biologisch abbaubaren Kunststoffes PLA oder die Verwendung in der Pharmazie. Im Gegensatz zur energetischen Nutzung der Reststoffe in einer Biogasanlage, stellt die Fermentation zur Milchsäuregewinnung einen Prozess mit deutlich höherem Wertschöpfungsniveau dar. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Reststoffen ist, dass diese nicht extra für die Fermentation angebaut werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Zuckerrohr für die Milchsäureproduktion in Asien der Fall ist. Damit kann das Ökosystem in den Anbauregionen entlastet werden und die ressourcenschonende und nachhaltige wirtschaftsweise der deutschen Bioökonomie gestärkt werden.

Entwicklung maßgeschneiderter Biokatalysatoren für die Herstellung von 2,5-Furandicarbonsäure auf Basis von Zuckern aus Lignocellulose, Teilvorhaben 1: Prozessentwicklung zur Herstellung neuer Enzyme und biokatalytische Herstellung von FDCA

FDCA (2,5-Furandicarbonsäure) ist eine biobasierte Alternative zu petrochemisch hergestellter Terephthalsäure, die bei der Herstellung von PET und Polyestern für die Verpackungs- und Textilindustrie verwendet wird. Eine wirtschaftliche Produktion von FDCA und seinem Polymer PEF ist bisher nicht möglich. Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens zur wirtschaftlichen Herstellung von FDCA. Hierzu sollen Peroxidase-produzierende Hefestämme in Kombination mit HMF-Oxidasen eingesetzt werden, die durch Fermentation auf Lignocellulose-Zuckerlösungen hergestellt werden. Das biotechnisch synthetisierte FDCA wird durch geeignete Kristallisation- und Fällungsverfahren aufgereinigt. Schließlich soll die gesamte Prozesskette - Fermentation und Produktion der Enzyme auf Basis von LCZuckerlösungen, Biokatalyse und Produktgewinnung - im 1.000-Liter-Maßstab demonstriert und auf ihre Machbarkeit im industriellen Maßstab analysiert werden.

Fermentative Herstellung von L-Äpfelsäure aus agroindustriellen Seitenströmen zur Herstellung von Polymalat, Teilvorhaben 3: Polymerisation

Das Vorhaben zielt darauf ab, eine Wertschöpfungskette zur Herstellung von L-Äpfelsäure-basierten Polymeren aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen mittels des Wildtypstamms Aspergillus oryzae zu initiieren. Zu einer Steigerung der ökonomischen Viabilität sollen Medien, Substratzugabe und Fermentation im Labormaßstab optimiert werden. Die Entwicklung einer vereinfachten und kostengünstigen Aufreinigungsstrategie ist ein wichtiges Etappenziel zur Etablierung eines wirtschaftlichen Herstellungsprozesses. Weiter soll eine Aufskalierung der Fermentation anstatt einer Kaskade mittels Konidien durchgeführt werden. Untersuchungen zur Submers-Produktion von Konidien sind daher ebenfalls Bestandteil von MALUM. Die Polymerisierung der L-Äpfelsäure und die Untersuchung der anwendungsbezogenen und verarbeitungsrelevanten Eigenschaften der Polymere stellen die Basis für die weitere Bewertung und Verwertung dar. Eine finale Prozessbewertung entscheidet über die weitere Vorgehensweise. Derzeit sieht das Konsortium die kurzfristige Verwertung in der Beantragung weiterer öffentlich geförderter Projekte, wobei der Industrieanteil aufgrund des finalen Entwicklungsstandes signifikant erhöht werden kann. Die Aufreinigung und die Konidienproduktion sollen patentrechtlich geschützt werden

Systematische Untersuchung der Flüssig-flüssig-Extraktion von Fermentationsbrühen mit biologischen Feststoffen

Vil2Bio

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.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 2: Elektrosynthese

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung, Teilvorhaben 1: Up- und Downstream processing

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

Veredelung von Melasse durch gepaarte Elektrolyse und elektrodialytische Aufarbeitung

Das Vorhaben hat zum Ziel Melasse als Rohstoff für die elektrochemische Umsetzung zu Folgeprodukten zu verwenden. Bisher wird Melasse vor allem als Futtermittel oder als Kohlenstoffquelle für Fermentationen verwendet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aus. Diese sollen durch anodische Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren bzw. durch gepaarte Elektrolyse zu Polyolen umgesetzt werden, wobei katalytisch aktive Nickelhydroxidelektroden als innovativer Ansatz zur Anwendung kommen sollen. Dabei kommt es zunächst zu einer Spaltung der Kohlenhydrate und Oxidation zu Hydroxycarbonsäuren, welche anschließend kathodisch hydriert werden (Domino-Oxidationsreduktions-Sequenz, DoORs). Neben den im Mittelpunkt stehenden elektrochemischen Umsetzungen sind Untersuchungen zur Zusammensetzung der Melasse sowie zu den möglichen Reaktionsprodukten notwendig. Dazu werden einerseits Kopplungsmethoden wie LC- und GC-MS eingesetzt sowie direkt an die MS gekoppelte elektrochemische Durchflusszellen (EC-MS). Störende Komponenten, die entweder die elektrochemische Umsetzung verhindern oder zu störenden Nebenprodukten führen, sollen durch eine Vorbehandlung der Melasse abgetrennt werden. Hier kommen Membranverfahren wie Nanofiltration oder Elektrodialyse zum Einsatz. Für die Optimierung der Versuchs- und Prozessbedingungen werden notwendige kinetische Parameter bestimmt und auf Basis einfacher formalkinetischer Modelle die Reaktionen beschrieben. Daneben kommen statistische Methoden der Versuchsplanung zum Einsatz, um die komplexen Zusammenhänge im Hinblick auf Selektivität, Ausbeute und Energieverbrauch zu optimieren. In einem abschließenden Arbeitspaket soll in einem Durchflussreaktor unter GMP-Bedingungen Material im kg-Maßstab für Anwendungsuntersuchungen gewonnen werden.

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