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.
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.
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.
Ziel des Vorhabens ist die Optimierung der mikrobiellen Synthese von Monoterpenen sowie deren Säurederivaten ausgehend von Glycerin zur Gewinnung natürlicher Wirkstoffe für die Agro- und Kosmetikindustrie. Von zentraler Bedeutung ist dabei das Bodenbakterium Pseudomonas putida. Einige P. putida Stämme sind lösemitteltolerant und können hohe Konzentrationen der für andere Mikroorganismen toxischen Monoterpene tolerieren. P. putida eignet sich aufgrund dieser physiologischen Konstitution, seiner guten Kultivierbarkeit bis zur Hochzelldichte und seiner molekularbiologischen Zugänglichkeit als vielversprechender Kandidat für die de novo Synthese von Monoterpenen und deren Säuren. Mit dem geplanten Vorhaben soll das innerhalb der ersten Förderphase etablierte System zur de novo Terpen(säure)produktion basierend auf P. putida mit Hilfe molekularbiologischer und verfahrenstechnischer Methoden deutlich weiter optimiert werden, so dass am Ende des Vorhabens eine erste Abschätzung des wirtschaftlichen Potenzials der neuen Produktionsstrategie möglich ist.
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.
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.
Das Verbundprojekt 'MetaGlyc 2' (Folgeprojekt des Verbundvorhabens MetaGlyc) lässt sich in zwei Schwerpunkte gliedern. Zum einen soll die Herstellung neuer werthaltiger Glycerinderivate, die im Rahmen des Vorgängerprojekts begonnen wurde, fortgesetzt werden (Teilprojekt A). Zum anderen sollen Enzyme entwickelt werden, die die Herstellung von Glycerin und Estern über neuartige Umesterungsverfahren ausgehend von natürlichen Ölen ermöglichen (Teilprojekt B). Zur Entwicklung der besagten Synthesen sollen vornehmlich nachwachsenden Rohstoffe eingesetzt werden, die mit nachhaltigen chemischen oder biotechnologischen Prozessschritten in die gewünschten Zielstrukturen umgesetzt werden. Ziel des Projektteils A ist die nachhaltige Herstellung von Diglycerin, Glycerinsäure und Serinol, sowie von Derivaten dieser Verbindungen. In Teilprojekt B steht die Optimierung zwei verschiedener Enzyme als Biokatalysatoren für die selektive Umesterung natürlicher Öle im Vordergrund. Nach Erhalt hinsichtlich Selektivität, Aktivität oder Prozessstabilität verbesserter Varianten sollen diese im größeren Maßstab hergestellt und in Anwendungen getestet werden. Die im Rahmen von Teilvorhaben 1 bei Cognis durchgeführten Arbeiten wurden in die folgenden Arbeitspakete eingeteilt: AP 1: Projektkoordination & anwendungstechnische Untersuchung bereitgestellter Muster, AP 2: Übertragung des LIKAT-Verfahrens in den Pilotmaßstab, AP 3: Verbesserung der CpLIP2, AP 4: Testen & Bewerten neuer Enzyme
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)
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.
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| Bund | 38 |
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| Förderprogramm | 38 |
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