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.
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.
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.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer Verfahren zur großtechnischen Produktion von Serinol in rekombinanten Mikroorganismen. Neben Arbeiten mit RtxA aus B. elkanii soll nach weiteren Enzymen gesucht werden, die zur Etablierung des Serinolsyntheseweges geeignet sind. Es soll außerdem nach neuen Wirtsbakterien, die zur heterologen Expression des Serinolsyntheseweges geeignet sind, gesucht werden. Ein Wirt mit einer natürlichen hohen Aminosäure-Synthese wie C. glutamicum würde sich anbieten. Die bisherigen Arbeiten der Universität Greifswald zur in vitro Synthese von Glycerinsäure sollen fortgesetzt werden. Parallel soll nach Stämmen gesucht werden, die Glycerinsäure sekretieren. Hierfür eignen sich vor allem Vertreter der Gruppe der Acetobacteraceae. Desweiteren wären Dehydrogenasen aus der verschiedenen Pflanzen die GA bilden, interessant. Zusätzliche sollten geeignete Expressionssysteme in Essigsäurebakterien etabliert werden. Zunächst werden Fermentationsprozesse im 2 l Serienfermenter untersucht und später auf 30 bzw. 500 l gesteigert werden. Die Effizienz beim Isolieren von Serinol soll durch neue Methoden verbessert werden. Auf Basis von Serinol sollen Strukturen evaluiert und mit ersten Synthesen von Derivaten begonnen werden. Als Produktionsstämme eignen sich vor allem verschiedene Acetobacter- und Gluconobacter-Sp. Zunächst werden Fermentationsprozesse im 2 l Serienfermenter untersucht. Nach erfolgreichen Tests, wird der Maßstab auf 30 bzw. 500 l gesteigert.
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.
'In der industriellen Produktion von Polyolestern sind Verfahren gefragt, die es erlauben Produkte mit definierten Subtitutionsmustern zu synthetisieren. Daher ist Ziel des Projektes die Steuerung der Reaktionsselektivität der biokatalytischen Fettsäureestersynthese durch die Nutzung neuer Biokatalysatoren und die Etablierung einer Inprozesskontrolle mittels FTIR (Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie). Einfluss auf die Biotransformation kann dabei durch die Wahl des Katalysators genommen werden und/oder durch eine Regelung des Prozesses basierend auf einer kinetischen Differenzierung (z.B. Fed-Batch, Abbruchzeiten). Der Fokus der Arbeiten liegt auf der selektiven Veresterung von polyfunktionalisierten Alkoholen wie z.B. Glycerol und Polyglycerol mit verschiedenen Fettsäuren und Fettsäuregemischen zu Mono- bzw. Diestern, welche u.a. als Emulgatoren in kosmetischen Formulierungen ihren Einsatz finden. Die erhaltenen Produkte werden bei Evonik physikochemisch charakterisiert und in der Anwendungstechnik auf ihre Eigenschaften getestet. Neben den in der AG Streit vorhandenen Enzymen sollen kommerzielle Lipasen auf die gewünschten Eigenschaften, nämlich unterschiedliche Reaktivitäten bzgl. Mono-, Di- und Triestern, hin geprüft werden. Darüber hinaus soll im Rahmen einer funktionalen und sequenzbasierten Metagenomsuche nach ähnlich Enzymen gesucht werden, um so ggf. noch bessere Varianten der bisher gefundenen Enzyme zu erhalten. Dabei soll auch der Weg der de novo Gensynthese eingeschlagen werden. Auf diese Weise wird eine sogenannte Toolbox mit robusten Lipasen aufgebaut, die alle in der Lage sind, Polyole unter industrienahen Bedingungen zu verestern. Am Institut für Technische Biokatalyse soll die umsatzabhängige Analyse der Fettsäureveresterung von Polyolen durchgeführt werden. Die Arbeiten beginnen mit der Analyse der Veresterung von Glycerin mit einer Fettsäure und werden dann auf die Veresterung mit einem Fettsäuregemisch erweitert. Im Fokus steht hier die Kontrolle der Reaktionsselektivität, welche dann zur Steuerung des Prozesses genutzt werden soll. Die Kenntnis der Kinetik der mehrstufigen Reaktion soll dann die selektive Synthese von Mono- bzw. Diestern erlauben. Vorarbeiten hierzu sind bereits erfolgt (Müller et al. 2011). Die Prozesssteuerung mittels FT-IR wird im Labormaßstab etabliert und bei Evonik im 200 kg Maßstab in einer Technikumsblasensäule übertragen werden '
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.
Auf der Basis der Strukturinformationen aus der kürzlich veröffentlichten Proteinkristallstruktur der Lipase A aus Candida antarctica (CAL-A) soll dieses Enzym gezielt über Protein-Engineering optimiert werden. Ziel ist die Veränderung der Fettsäurespezifität und der Alkoholbindetasche zur Etablierung effizienter Biokatalysatoren. Die erhaltenen CAL-A-Varianten sollen zur Abreicherung von gesättigten Fettsäuren aus Ölen oder auch zur Umesterung von natürlichen Ölen mit interessanten Alkoholkomponenten eingesetzt werden. Im Rahmen des Projekts wird der AK Bornscheuer die Expression rekombinanter CAL-A in E. coli bzw. der Hefe P. pastoris durchführen und Assaymethoden für Hochdurchsatz-Screenings im Mikrotiterplattenformat entwickeln. Die Planung der Mutagenesen basiert auf der Kristallstruktur und der Lage des Substrates in den Bindungstaschen, gefolgt von Sättigungsmutagenesen und Durchmusterung der Varianten mit Hochdurchsatztests. Die im Mikrotiterplatten-Maßstab identifizierten Mutanten der CAL-A sollen anschließend im Labormaßstab in P. pastoris produziert werden, um eine eingehende biochemische Charakterisierung und eine Absicherung der Selektivitäten durch GC- bzw. HPLC-Analytik zu ermöglichen. Abschließend, sollen im Rahmen eines Unterauftrags mit einem KMU die besten Varianten im größerem Maßstab (30 L Fermentation) produziert und an BASF für Anwendungstests übergeben werden.
In dieser Studie wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Die erste Untersuchung betraf die Entwicklung einer Prüfmethode zur Beurteilung der Stabilität von Beschichtungen auf TiO2-Nanopartikeln. Dazu wurden zwei verschieden funktionalisierte TiO2-Nanomaterialien untersucht, NM103 (Handelsname: UV Titan M262) mit einer Aluminiumoxid und einer hydrophoben Dimethicone Beschichtung und NM104 (Handelsname: UV Titan M212) mit einer Aluminiumoxid und einer hydrophilen Glycerin Beschichtung. Die Stabilität der Beschichtung wurde in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren, wie dem Energieeintrag zur Herstellung der Suspension und den Umgebungsbedingungen wie pH-Wert, Ionenkonzentration und dem gelösten organischen Kohlenstoff (DOC), getestet. Im zweiten Teil der Studie wurde die 'Carrier'-Funktion von P25 für Kupfer sowie 14C Triclocarban (TCC) in drei verschiedenen Bodenarten untersucht. Die Stabilität der Beschichtung der zwei beschichteten TiO2 Nanomaterialien wurde auf verschiedene Arten getestet: a) durch die quantitative Bestimmung des freigesetzten Beschichtungsmaterials, b) durch die quantitative Bestimmung des Beschichtungsmaterials auf dem Trägermaterial vor und nach dem Belastungstest sowie c) indirekt durch die Untersuchung der Änderungen im Verhalten der ENMs. Die Messergebnisse zeigen, dass die Dimethicone und Glycerol Beschichtungen größtenteils von der Oberfläche des Materials freigesetzt wurden. Die Aluminiumoxid-Schicht bleibt hingegen bei beiden ENMs intakt auf der Oberfläche. Des Weiteren wurde gezeigt, dass sowohl die Ionenstärke als auch die DOC Konzentration einen Einfluss auf das Zeta-Potential der ENMs haben. Speziell der Einfluss des DOC (hier Aldrich humic acid - AHA), welcher in dieser Studie zu einer (sterischen) Stabilisierung der ENMs führte, scheint für das weitere Verhalten in der Umwelt von Bedeutung zu sein. Im zweiten Teil dieser Studie wurde die Mobilität von Kupfer und TCC und der 'Carrier' Effekt von P25 auf diese Substanzen analysiert. Das P25 zeigte eine geringe Mobilität in den getesteten Böden und nur mittels REM / EDX konnte ein Transport vereinzelter P25 Agglomerate nachgewiesen werden. Tendenziell zeigten die mit P25 beaufschlagten Bodensäulen einen geringeren Transport der beiden Substanzen als die Säulen ohne P25 und können daher zur Ausbildung von Akkumulationsschichten im oberen Bodenbereich führen. Dieses ist bedeutsam für Bodenorganismen welche sich vornehmlich in diesen Schichten aufhalten, wie zum Beispiel Regenwürmer. Ökotoxikologische Untersuchungen mit Eisenia fetida, welche im Rahmen dieser Studie durchgeführt wurden, zeigten, dass, bei Anwesenheit von P25 mehr TCC in den Darm der Organismen aufgenommen wurde, dieses aber einen geringeren negativen Effekt zeigte. Nichtsdestotrotz wurde gezeigt, das ENMs hier speziell TiO2 einen Einfluss auf das Verhalten von Schadstoffen haben.
Das Projekt 'Erhöhung der Verwertbarkeit fett- und ölhaltiger Abwässer in Biogasanlagen' dient der Vergrößerung des Einsatzspektrums von Substraten in Biogasanlagen. Hierbei soll die Verwertung von organischen Abwässern, insbesondere von industriellen Produktionsrückständen wie z.B. flüssige Abfälle von Schlachtbetrieben oder Rohglycerin aus der Biodieselproduktion im Fokus stehen. Solche Abwässer mit hohem Anteil organischer Substanzen weisen häufig einen erheblichen Fett- oder Ölanteil auf. Fett besitzt aufgrund seiner chemischen Struktur einen hohen Energiegehalt. Es können bis zu 1.225 Normliter Biogas pro Kilogramm organischer Trockenmasse gewonnen werden. Dies ist mit Abstand das Substrat, welches die höchsten Biogaserträge liefert. Grundsätzliches Ziel ist es daher, diese fettreichen, flüssigen Rückstände einer energetischen Nutzung durch Biogasgewinnung zuzuführen. Aus der Praxis ist bereits bekannt, dass der Einsatz von fettreichen Substraten ohne Vorbehandlung aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Flüssigkeit und Fett zur Ausbildung einer Schwimmschicht im Fermenter führt. Dadurch ist der fetthaltige Anteil für die Mikroorganismen nur schwer zugänglich und kann größtenteils nicht in Biogas umgesetzt werden. Insgesamt wirkt sich eine Schwimmschicht auf der Flüssigkeitsoberfläche negativ auf den Prozess aus bzw. führt außerdem zu erheblichen Störungen im verfahrenstechnischen Ablauf. Aufgrund dieser Probleme und dem hohen Energieverbrauch von Rührern zur Unterbindung der Schwimmschichtbildung ist der Einsatz von Substraten mit hohen Fettgehalten für Biogasanlagen bisher wirtschaftlich uninteressant. In diesem Projekt soll durch den Einsatz eines Emulgators ein Verfahren entwickelt werden, dass eine energetische Verwertung fettreicher Abwässer ermöglicht. Durch Emulgieren werden die Fettpartikel zerkleinert und mit der übrigen wässrigen Prozessflüssigkeit zu einer stabilen Öl-in-Wasser-Emulsion vermischt. Dies soll die Schwimmdeckenbildung unterbinden und außerdem die Fettoberfläche bzw. Reaktionsfläche für die Bakterien vergrößern. Damit sind Fette und Öle besser zugänglich und deren Abbau in der Hydrolyse wird intensiviert. Zusätzlich werden im Projekt die Fermentationsprozesse an das fetthaltige Substrat angepasst. In diesem Fall bietet sich ein zweistufiges Biogasverfahren mit räumlicher Trennung von Hydrolyse und Methanstufe an. Dadurch kann die Stufe der Hydrolyse, in welcher die Spaltung der Fettmoleküle in Fettsäuren und Glycerin stattfindet, separat gesteuert und der Fettabbau überwacht werden. Die Hydrolyse erfolgt in einem Festbettreaktor der vom emulgierten Substrat durchströmt wird. Durch den Verfahrensschritt der Emulgierung ist davon auszugehen, dass der Gesamtprozess verbessert werden kann und eine höhere Biogasausbeute erzielt wird. Eine Emulgator-Einheit könnte in bereits bestehende Biogasanlagen bzw. beim Neubau von Anlagen integriert werden. Die Technologie könnte verstärkt für die Vergärung von Abwässern eingesetzt
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