Im Projekt soll ein bakterieller Prozess basierend auf dem Bakterium Zymomonas mobilis mit einer Mikroblasen-Destillation gekoppelt werden. Der Gesamtprozess wandelt eine Substratmischung aus Glycerin und Zuckern in das Produkt Acetaldehyd um. Das Produkt Acetaladehyd wirkt bereits in geringen Konzentrationen inhibierend. Deshalb soll der Leichtsieder Acetaldehyd durch eine innovative Mikroblasen-Technologie aus dem Fermenter kontinuierlich entfernt werden. Durch eine kontinuierliche Entfernung des Produkts aus dem Prozess mittels Mikroblasen-Destillation ist grundsätzlich mit einer Steigerung der Produktionsrate zu rechnen. Am ISYS werden ausgehend von den Stammcharakterisierungen in Magdeburg und Trondheim mathematische Modelle aufgestellt, die zum einen Daten für eine weitere genetische Stammoptimierung (AP2 Task 3) und zum anderen zur Entwicklung einer geeigneten Prozessführung notwendig sind (AP3 Task 2). Zur Implementierung der Prozessführung ist die Anschaffung einer Prozesskontrolleinheit, sowie von zusätzlicher Sensorik (z.B. Waagen) und Aktorik (z.B. Pumpen) notwendig. Arbeitspaket 1 (Stammkonstruktionsmodul) hat die Konstruktion optimierter Stämme von Z. mobilis zum Ziel, welche zuckerhaltige Rohstoffe wie Molasse und Glycerin effizient zu AcAld umsetzen können (Task 1 und Task 2). Arbeitspaket 2 (Bioprozessentwicklung) befasst sich mit der Charakterisierung der konstruierten Stämme und der Optimierung des Wachstums und der Prozessbedingungen zur effizienten AcAld Produktion. In Task 3 werden zur mathematischen Beschreibung der Stämme sowohl stöchiometrische Modelle als auch detaillierte Differentialgleichungsmodelle z.B. der Atmungskette von Z. mobilis erstellt, mit Messdaten abgeglichen und Optimierungsmöglichkeiten identifiziert. Arbeitspaket 3 (Produktgewinnungsmodul) kombiniert die Ergebnisse der Arbeitspakete 1 und 2 mit der MB Destillation. In Task 2 ist eine modellbasierte Steuerung und Regelung des Gesamtprozesses geplant.
Im Projekt soll ein bakterieller Prozess mit Zymomonas mobilis mit einer Mikroblasen-Destillation etabliert werden. Der Gesamtprozess wandelt eine Substratmischung aus Glycerin und Zucker in das Produkt Acetaldehyd um. Ein Ziel des Projekts ist die genetische Manipulation von Z. mobilis, mit dem Ziel das Substratspektrum zu erweitern. Zudem soll die Ethanolsynthese modifiziert werden, so dass das wirtschaftlich interessante Zwischenprodukt Acetaldehyd produziert wird. Das Produkt Acetaldehyd wirkt bereits in geringen Konzentrationen inhibierend. Deshalb soll der Leichtsieder Acetaldehyd durch eine innovative Mikroblasen-Technologie aus dem Fermenter kontinuierlich entfernt werden. Durch eine kontinuierliche Entfernung des Produkts aus dem Prozess mittels Mikroblasen-Destillation ist grundsätzlich mit einer Steigerung der Produktionsrate zu rechnen. Dieses soll auch am Beispiel der Ethanol-Produktion getestet werden. Verschiedene Z. mobilis Stämme, die in WP1 (Riga) konstruiert werden, sollen detailliert physiologisch charakterisiert werden. Zunächst werden der WT Stamm sowie bereits vorhandene Acetaldehyd produzierende Mutanten detailliert bzgl. ihres Wachstums auf Glukose und Sukrose und ihrer Produktbildung untersucht. Diese Untersuchungen werden durch eine Analyse der Genexpression sowie durch 13C-Flussanalysen (Trondheim) ergänzt. Sobald verfügbar wird auch der Acetaldehyd-Produzent entsprechend untersucht. Basierend auf Modellanalysen (Stuttgart) werden verschiedene Kultivierungsbedingungen (Batch, FedBatch ...) für eine optimale Acetaldehyd Produktion untersucht. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Z. mobilis Stämme mit erweitertem Substratspektrum kultiviert. Es werden optimale Kultivierungsstrategien mit Substratmischungen gesucht. Neben Untersuchungen mit Glukose plus Glycerin oder Sucrose plus Glycerin soll auch Melasse und Rohglycerin als Substrat getestet werden. Alle Daten fließen in WP3 bei der Auslegung des Gesamtprozesses ein.
Herkömmliche Mineralöl-Kühlschmierstoffe bergen Nachteile beispielsweise hinsichtlich Kostenentwicklung, Ressourcenverbrauch, mikrobiellem Befall, Verträglichkeit gegenüber Mensch und Umwelt, Werkstückreinigung, Entsorgung und einschränkenden gesetzlichen Vorgaben. Das Ziel des Vorhabens ist es daher, einen Mineralöl- und Biozid-freien, gesamtprozess- und materialübergreifenden, Glycerin-basierten Kühlschmierstoff in Varianten für die spanende Metallbearbeitung zu entwickeln. Mit Hilfe von Fluidversionen als Prototypen werden dabei diverse Bearbeitungsprozesse untersucht und deren Realisierbarkeit mit dem Glycerin-Fluid demonstriert. Zur Umsetzung arbeitet der Antragsteller mit zwei Instituten der TU Braunschweig zusammen, die Expertisen in den Bereichen spanende Metallbearbeitung sowie Chemie und Analytik von Kühlschmierstoffen besitzen. Übergeordnet wird es vorbereitet, den nachwachsenden Rohstoff Glycerin in eine neue, technische Wertschöpfungskette einzubringen. Um dem Glycerin-Kühlschmierstoff Praxisrelevanz zu verleihen, bedarf es primär des Ausbaus der Einsatzmöglichkeiten sowohl hinsichtlich der Bearbeitungsverfahren als auch der zu bearbeitenden metallischen Werkstoffe. Hierfür werden im Verbund der Projektteilnehmer jeweils gezielt Formulierungsvarianten des Glycerin-Fluids entwickelt und getestet. Im Detail erforderlich sind dafür grundlegende chemisch-analytische, tribologische und anwendungstechnische Untersuchungen, Tests mit relevanten Bearbeitungsverfahren, wie Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen und Werkstoffen, wie Aluminium-, Stahl-, Buntmetall-Legierungen, im Versuchsfeld flankiert von chemisch- und analytisch-basierten Verbesserungen z.B. hinsichtlich der Leistungsadditivierung und des Alterungsverhaltens, ein exemplarischer Praxistest bei einer Anwenderfirma, Methodenentwicklungen zur Überwachung und Pflege des neuartigen Kühlschmierstoffs im Einsatz sowie die Betrachtung des Wirtschaftlichkeitsaspektes.
Die durch die parasitäre Milbe Varroa destructor ausgelöste Varroose stellt heute eines der größten Probleme in der Bienenzucht und -haltung dar. Um die Anzahl der Parasiten im Bienenvolk unterhalb der Schadensschwelle zu halten und eine Ausbreitung der Milben zu vermeiden, müssen die Völker vom Imker gegen die Varroose behandelt werden. Oxalsäure als Wirkstoff stellt eine wichtige Komponente dieser Behandlungen dar. In meiner Diplomarbeit konnte ich bereits subletale Effekte der Säure auf die Bienen zeigen. Da das Medikament in der Praxis durch Kombination von Oxalsäuredihydrat mit Zuckerwasser angesetzt wird, kann eine orale Aufnahme der Lösung durch die Bienen nicht ausgeschlossen werden. Diese kann zu einer erhöhten Mortalität durch die orale Toxizität der Säure führen und somit die Effekte der Säure auslösen oder verstärken. Um Bienen von den nicht auszuschließenden Nebenwirkungen beim breiten Einsatz des Medikamentes zu schützen und Nachteile für die Völker auszuschließen, war es das Ziel dieser Arbeit die subletalen Effekte der klassischen Behandlung mit Oxalsäuredihydrat in Kombination mit Zuckerwasser (OAS) aber auch in Kombination mit dem Zuckerersatzstoff Glycerin 45% (OAG) auf das Volk und die Einzelbiene in einem möglichst weiten Spektrum zu erfassen. Für alle Versuche, mit Ausnahme der Rückstanduntersuchungen am Volk, wurden die Bienen individuell im Labor behandelt. Dabei erhielt jede Biene 5 Mikro l OAS bzw. OAG auf die Unterseite des Abdomens aufgeträufelt (Oxalsäuredihydrat Dosis:175 Mikro g/Biene). Die Kontrollen erhielten Glycerin 45% (G) oder Zuckerwasser (K). In der Arbeit wurden möglichst verschiedene Parameter untersucht: Für Veränderungen in Futteraufnahme wurden Honigblase, Mittel- und Enddarm präpariert und auf einer Feinwaage gewogen (n=80) sowie die Futteraufnahme pro Tier in Einzelfütterungen ermittelt (n=125). Die Empfindlichkeit gegenüber Wasser und aufsteigende Zuckerkonzentrationen wurde mit Hilfe der Proboscis Extension Reaction (PER) überprüft (n=100). Die motorische Aktivität der Tiere wurde in einer vertikal aufgestellt, von oben beleuchtet Box untersucht aufgenommen (n=40). In einem Schauvolk wurden Verhalten und Lebensdauer unter volksähnlichen Bedingungen erfasst. Parallel dazu wurde die Lebensdauer auch unter Laborbedingungen aufgenommen (n=100). Die Aufnahme des Flugverhaltens erfolgte mit Radio Frequenz Identifikation, mit der Daten über das Aus- und Heimflugverhalten der Bienen gesammelt wurden (n=100). Neben den subletalen Effekten der Säure wurden auch ihre Rückstände auf der Einzelbiene optisch unterm Binokular und quantitativ mit dem Oxalsäure-Kit Enzytec™ erfasst (n=60). Durch Computertomographie erfolgten die Visualisierung der Verteilung im Volk und Dichtemessungen an der Einzelbiene (n kleiner gleich 600). (Text gekürzt)
Das Hauptziel des Vorhabens ist die Erweiterung der bestehenden Forschungsbeziehungen zwischen der Universität Oldenburg (UOL) und der Surranaree University of Technology (SUT) auf dem Gebiet der weißen Biotechnologie. Der Schwerpunkt wird auf dem Gebiet der Verwertung von biogenen Rohstoffen liegen. Als neuer Partner wird das National Nanotechnology Center (NNC) in Bangkok einbezogen werden. Innerhalb des Projektes werden vier Schwerpunkte verfolgt: 1. Entwicklung eines heterogenen Katalysators für die Biodieselproduktion 2. Entwicklung einer Verwertungsstrategie für das Nebenprodukt Glycerin 3. katalytische Umwandlung von Zuckern zu Plattformchemikalien wie Leguvalinsäure 4. Aufarbeitung und Reinigung von Biodiesel.
Der Forschungsverbund SynRg beschäftigt sich mit der Herstellung hochwertiger Kunststoffe aus Fettsäuren, Polyphenolen und Polyolen. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) durch seinen Projektträger der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR). Es wird ein interdisziplinärer Ansatz zur Optimierung von Wertstoffsynthese, Syntheseort und Weiterverabeitung für die stoffliche Nutzung von Pflanzenrohstoffen beabsichtigt. Die gesamte Werschöpfungskette für die Umstellung von petrochemischen auf pflanzliche Grundstoffe soll unter dem Aspekt der nachhaltigen, d.h. dauerhaften ökonomisch und ökologisch sinvollen, Produktion von Wertstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen unter Berücksichtigung der Stoffstromverteilung in Pflanzen in interdisziplinärer Zusammenarbeit untersucht und modifiziert werden, um so neue und innovative Methoden und Verfahren von Unternehmen im Verbund mit wissenschaftlichen Instituten garantiert die notwendige Breite, Tiefe und Effizienz, inklusive Synergieeffekte, in F&E sowie in der wirtschaftlichen Verwertung der Ergebnisse. Das Lehrgebiet der Bioverfahrenstechnik bearbeitet dabei, im Rahmen des Teilvorhabens VI, die Aufarbeitung und Funktionalisierung der Fette und Polyphenole. Die zu lösende Aufgabe bei der Polyphenol- und Fettsäuregewinnung aus Pflanzenmaterialien ergeben sich im Wesentlichen aus den Anforderungen, die an die Produkte (Reinheit bzw. Verunreinigungen) sowie an die Verfahren (Wirtschaftlichkeit) gestellt werden. Im Mittelpunkt stehen daher Verfahren zur Aufreinigung und Auftrennung durch Adsorption mittels Materialien aus modifizierten Bleicherden, Spezialtonen bzw. organischen oder anorganischen Adsorbentien. Bezüglich der öle besteht bereits ein hoher Erkenntnisstand im Projektkonsortium, wohingegen die Auftrennung von Polyphenol- und Fettsäuregemischen wenig Erfahrungen zu Grunde liegen. Des Weiteren soll durch eine Funktionalisierung und Derivatisierung der Stoffe eine Wertsteigerung erfolgen. Für die Polyphenole sollen dabei mit Polyphenoloxidasen geträgerte Tonmineralien zum Einsatz kommen.
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.
Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 4 war die Konstruktion und Charakterisierung von C. glutamicum-Stämmen zur Produktion von Succinat und Itaconat. Succinat ist eine Plattform- Chemikalie, aus der eine Reihe bisher petrochemisch hergestellter 'Bulk'-Chemikalien synthetisiert werden können, wie z.B. 1,4-Butandiol, Tetrahydrofuran oder g-Butyrolacton. Itaconat ist eine ungesättigte C5-Dicarbonsäure, die unter anderem für die Herstellung von Polymeren von Interesse ist und z.B. petrochemisch erzeugtes Acrylat oder Methylacrylat ersetzen könnte. Für die Succinat-Produktion sollten sowohl die aerobe als auch die anaerobe Herstellung aus Glucose sowie aus Glycerin, einem Nebenprodukt der Biodiesel-Herstellung, etabliert werden. Die entsprechenden Stämme sollten rational über 'metabolic engineering' konstruiert werden, basierend auf dem umfangreichen Wissen zum Stoffwechsel und seiner Regulation in C. glutamicum. Für die Itaconat-Produktion sollte erstmals ein bakterieller Produktionsstamm entwickelt werden, der Vorteile gegenüber dem natürlichen Produzent Aspergillus terreus bieten könnte.
Das eingereichte Projekt verfolgt das Ziel, einen alternativen, nachhaltigen Weg zur Herstellung wichtiger Grundchemikalien der industriellen Chemie auf der Basis von biogenen Rohstoffen zu erschließen. Leichte Olefine wie Ethen und Propen zählen mengenmäßig zu den herausragenden Basischemikalien, die in komplexen Wertschöpfungsketten zu unverzichtbaren Massenprodukten unseres Alltags verarbeitet werden. Im hier vorgestellten Projekt ist geplant, die bislang ausschließlich erdölbasierte Gewinnung von Ethen und Propen durch einen vollkommen neuen Ansatz des katalytischen Crackens von Pflanzenölen und tierischen Fetten oder ihres chemischen Bausteins Glycerin zu ersetzen. Dabei sollen Bioabfälle als Ausgangsmaterial für die Gassynthese eingesetzt und Versuche zur Optimierung der verschiedenen Katalysatoren durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden anhand von Gaschromatographie, thermogravimetrische Analyse sowie Licht - und Elektronenmikroskopie bewertet. Ein Upscaling der Prozesse und das kommerzielle Potential des Vorhabens werden geprüft.
Die Landwirtschaft ist für eine nachhaltige Produktion von Lebens- und Futtermitteln sowie von Treib- und Faserstoffen verantwortlich, wobei sich die Produktionsbedingungen in den letzten Jahrzehnten in vielfacher Hinsicht geändert haben. So haben ein steigendes Interesse an erneuerbaren Energien und ein erhöhtes Bewusstsein gegenüber den Folgen des Klimawandels dazu geführt, dass landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmethoden an veränderte Bedingungen angepasst werden müssen. Diese Arbeit zielt auf die Optimierung der agrarischen Produktion ab, wobei der Fokus auf technische und betriebliche Aspekte gelegt wird. Es wurden zwei Hauptziele definiert. Das erste Ziel ist, die Energieeffizienz in der Landwirtschaft zu steigern. Zu Beginn wird hierfür eine umfassende ökologische Evaluierung von den derzeitigen Bewirtschaftungsmethoden für die Getreideproduktion durchgeführt. Dies erfolgt an zwei ausgewählten Standorten in Österreich. Anschließend wird eine Modifizierung der untersuchten Systeme vorgenommen, indem technische Strategien zur Anpassung an den Klimawandel, welche die Resilienz und Nachhaltigkeit der ausgewählten Bewirtschaftungsmethoden in Zukunft steigen könnten, einbezogen. Der letzte Schritt beinhaltet die Identifizierung von zusätzlichen technischen Optionen zur Klimawandelanpassung sowie die Durchführung eines Screenings um deren Effekte auf den fossilen Treibstoffverbrauch sowie auf andere Umweltwirkungen zu evaluieren. Neben der Getreideproduktion ist auch die Grünlandwirtschaft Teil des Forschungsgegenstandes. Das zweite Ziel liegt in der Optimierung der Produktion von alternativen Treibstoffen (Biogas) für landwirtschaftliche Maschinen. Als Einbringstoffe werden agrarische Reststoffe sowie organische Abfälle aus der Industrie untersucht. Die organischen Materialien werden in einer Steam Explosion Anlage vorbehandelt, sodass die biologische Abbaubarkeit erhöht wird. Die Integration von Glycerin, Öl und Fett in dem Steam Explosion Prozess stellt ein wesentlicher Teil der Untersuchungen dar. Die biologische Abbaubarkeit von vorbehandelten organischen Materialien wird analysiert und im Labor optimiert. Zudem wird eine Analyse von unterschiedlichen Biogasnutzungskonzepten, wie die Verflüssigung von Biogas und die Spitzenstromerzeugung im Biogasverbund, durchgeführt.
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