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ERA-IB6, 2GEnzymes: Enzymatische Optimierung des Organosolv-Holzaufschlusses mit integrierter Enzymproduktion - Teilvorhaben 2: Stammentwicklung für Cellulaseproduktion

Ein wesentliches Ziel des Verbundvorhabens betrifft den Einsatz von Cellulase-Enzymkomplexen zur Verzuckerung des Zellstoffs aus dem Organosolv-Aufschluss für die Herstellung von Zucker der zweiten Generation (2G). Die daraus resultierenden Ziele des Teilvorhabens 2 betreffen (i) die Entwicklung eines Produktionsstammes zur Cellulasegewinnung, optimiert für die Hydrolyse von Zellstoff aus dem Organosolv-Aufschluss, (ii) die Cellulaseproduktion auf Basis kostenrelevanter Substrate aus dem Organosolv-Aufschluss und (iii) die Optimierung des Fermentationsprozesses. AP 2: Herstellung der P. verruculosum-Cellulase (CBP/UL) Fermentation im Pilotmaßstab; 1. Phase mit dem Ausgangsstamm P.v.-M28-10; 2. Phase mit gentechnisch optimiertem Stamm (AP7). AP 3: Genetische Veränderung des Ausgangsstammes (Dutch DNA Biotech) Erhöhung der Enzym-Exkretionsrate durch Modifikation des Transkriptionsfaktors bzw. Ausschaltung der C-Katabolitrepression. AP 4: Prozessoptimierung der Cellulaseproduktion mit P.v. (UL) (i) Integration der Cellulaseproduktion auf Basis wirtschaftlich relevanter Substrate aus dem Organosolv-Aufschluss. (ii) Prozessoptimierung mit einem verbesserten non-GMO- als auch einem GMO-Stamm. AP 6: Anpassung der enzymatischen Verzuckerung von Zellstoff (UL) Untersuchung der Hydrolyse der Kohlenhydratfraktion (Cellulose, Hemicellulose) in Kombination mit den LEs von MetGen und USC. Insbesondere soll eine Reduzierung des Restlignin-Anteils im Zellstoff erzielt werden. AP 7: Scale-up der optimierten Cellulase-Fermentation (CBP, UL) Die in AP4 optimierte Cellulase-Produktion einschließlich Downstream Processing wird mit einem gentechnisch verbesserten Stamm am CBP in den Kubikmeter-Maßstab überführt. AP 8: Scale-up des modifizierten Organosolv-Verfahrens und der enzymatischen Cellulosehydrolyse (CBP, UL) Demonstration des Gesamtprozesses von Buchenholz zu Zuckern der zweiten Generation im Pilotmaßstab. Dies beinhaltet die Verzuckerung der Cellulose mit P.v.-Cellulase und LEs.

Bioraffinerie Analytik

'Bioraffinerie' ist derzeit nicht nur ein Modewort, das aufgrund seiner unzureichenden Definition nicht nur viel, sondern auch häufig unzutreffend verwendet wird, sondern auch ein ernstzunehmendes wissenschaftliches Forschungsgebiet: Es besteht kein Zweifel, dass die Endlichkeit fossiler Ressourcen - ein wissenschaftlicher Fakt - langfristig die Umstellung ganzer Stoffläufe der chemischen Industrie von fossilen Ressourcen (Erdöl, Erdgas, Kohle) auf nachwachsende Rohstoffe ('Nawaros': Holz, landwirtschaftliche Produkte und Abprodukte) bedingen wird. Bedenkt man die langen Zeiträume, die der bestehenden erdölbasierten chemischen Industrie gegeben waren, um ihren heutigen Entwicklungsstand zu erreichen, wird offensichtlich, dass zum Aufbau einer 'Nawaro-basierten' chemischen Industrie viel Zeit und vor allem auch viel Entwicklungs- und Forschungsarbeit nötig ist. Bioraffinerien - als Pendant zu konventionellen Erdöl-Raffinerien definiert - haben die Aufgabe, natürliche, meist pflanzliche Ausgangsstoffe in (möglichst reine) Fraktionen zu trennen und daraus im weiteren Grundchemikalien und -materialien zur Verfügung zustellen. Aus diesen wird dann in folgenden chemischen / biotechnologischen Verfahren die ganze Palette chemischer Zwischen- und Endprodukte hergestellt, was jedoch nicht mehr in den Bereich der eigentlichen Bioraffinerie fällt. Bioraffinerien haben mit zwei spezifischen Problemen zu kämpfen. Zum einen kann es in Bioraffinerien kein Standard-Verfahren zur Aufbereitung und Auftrennung der Biomasse geben: bedingt durch die große Vielfalt der Ausgangsprodukte (z.B. Hölzer, einjährige Pflanzen, verschiedenste Produkte und Abfälle der Agrarproduktion) sind unterschiedliche Aufschluss- und Trennverfahren erforderlich, die speziell auf die Fraktionierung des Ausgangssubstrates abgestimmt sein müssen. Zum anderen entstehen beim Aufschluss der Biomassen extrem komplexe Stoffgemische wechselnder Zusammensetzung - anders als bei Erdölraffinerien, der Synthesechemie oder der pharmazeutischen Industrie - für die herkömmliche Analyseverfahren völlig unzureichend sind. Die unterentwickelte Bioraffinerie-Analytik ist einer der wichtigsten Hindernisse für Bioraffinerien und Bioraffinerie-Produkte heutzutage: eine sinnvolle Verwertung und Weiterverarbeitung von Bioraffinerieprodukten setzt eine präzise (oder zumindest grundlegende) Kenntnis der Zusammensetzung und chemischen Struktur der Ausgangsfraktion voraus. Der Kohlenhydratanteil setzt sich aus einer Cellulose- und einer Hemicellulosefraktion zusammen. Die Cellulose-, Hemicellulose- und Ligninfraktionen sind von hochkomplexer Zusammensetzung: Bedingt durch natürliche Struktur und chemische Reaktionen beim Aufschluss liegen sowohl chemische Bindungen zwischen den Substanzklassen vor (sogenannte lignin-carbohydrate complexes, LCC) als auch meist breite Verteilungen des Molekulargewichtes. (Text gekürzt)

FSP-Klebstoffe: Entwicklung innovativer Klebstoffsysteme auf Basis von Biopolymeren - optimierte Strukturen zur Verbesserung der Klebeigenschaften (Bioadhesives), Teilvorhaben 1: Polysaccharidderivate zur Anwendung in Klebstoffsystemen

Das Konsortium des beantragten Forschungsvorhabens, bestehend aus Fraunhofer IAP und IFAM im Verbund mit industriellen Herstellern von Biopolymeren und Modifikaten, sowie mit Klebstoffproduzenten und Applikanten, hat sich das Ziel gesetzt, für verschiedene Klebstofftypen und Anwendungen biobasierte Klebstoffsysteme zu entwickeln. Basis soll die Erarbeitung von Struktur-Wirkungsbeziehungen von Derivaten der Stärke, Cellulose und Hemicellulose sein, um den optimalen Rohstoff/optimale Derivate für vielfältige industrielle Verwendungen und auch für Alltags- bzw. Konsumentenklebstoffe zur Verfügung zu stellen. Ein partieller Ersatz von synthetischen Polymeren und Copolymeren in Marktprodukten wird angestrebt. Ausgehend von verschiedenen industriellen Rohstoffen werden Stärke-, Hemicellulose und Cellulosederivate am Fraunhofer IAP hergestellt, in der Entwicklung von Formulierungen am Fraunhofer IFAM verwendet und für Anwendungen als Dispersionskleber, Schmelz- und Reaktivklebstoff am IFAM und bei renommierten Klebstoffproduzenten getestet. Für Dispersionskleber wird eine Kombination von Degradation und Funktionalisierung durch Veresterung/Veretherung mit Variation der Kettenlänge des Substituenten und des Substitutionsgrades unter Erhalt der Wasserdispergierbarkeit durchgeführt, wobei Anwendungskonzentrationen von 30-50% mit speDas Klebevermögen von funktionalisierten Stärkeprodukten wird mit relativ hoch substituierten Hemicellulose- und Cellulosederivaten verglichen, um den Einfluss der chemischen Struktur auf das Klebevermögen von Biopolymerderivaten für verschiedene Materialien zu untersuchen. Schmelzbare Derivate werden aus Stärke, Cellulose und Hemicellulose hergestellt, um die Erfordernisse an Tg und MFI zu erfüllen. Im Arbeitspaket Reaktivklebstoffe geht es zum einen um den Aufbau von PUR-Dispersionen, zum anderen um die Einführung reaktiver Gruppen in die verschiedenen Polysaccharide.

Teilvorhaben 5: Modellierung und Prozesssteuerung, Anlagenbetrieb und mikrobiologische Analytik^Intensivierung des anaeroben Biomasseabbaus zur Methanproduktion aus NawaRo (IBMN)^Teilvorhaben 2: Effizienzsteigerung der NawaRo-Vergärung durch Übertragung von Optimierungsstrategien in den Technikum- und Praxismaßstab, Teilvorhaben 4: Erfassung funktioneller hydrolytischer Netzwerke in Biogasanlagen mittels Microarraytechnologie

Da Hemicellulose und Cellulose einen großen Anteil an den vergärbaren Inhaltsstoffen der lignocellulosehaltigen Biomasse (LCB) ausmachen, ist der Nachweis der Induktion von intra- und extrazelluläre Cellulasen (Endoglucanasen, Exoglucanasen, Cellobiosephosphorylase, Cellodextrinphosphorylase ect.) von besonderem Interesse. Ziel des Projektes ist es daher ein Nachweissystem für die entsprechenden Gene und Transkripte auf der Basis der sogenannten Mikorarraytechnologie zu validieren und im Rahmen der geplanten gemeinsamen Beprobungen einzusetzen. Erster Schritt soll die Herstellung eines Mikroarrays (Biochips) zur Erfassung der mikrobiellen Abbauleistung für polymere Zucker sein. Im zweiten Schritt soll die Validierung des Mikroarrays erfolgen. Hierbei soll das Erkennungsspektrum der Sonden unter den verwendeten Hybridisierungsbedingungen detailliert ausgetestet werden, Ergebnisse über die Induzierbarkeit ganzer Gencluster sind für die Steuerung eines effizienten optimierten Betriebes von Biogasanlagen eine wichtige Voraussetzung.

Bioökonomie International 2013: Acet-LC - Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung thermoplastischer Kunststoffmaterialien durch Acetylierung lignocellulosehaltiger Rohstoffe^Teilprojekt B, Teilprojekt A

Im Rahmen des beantragten Acet-LC Projektes sollen neuartige bio-basierte Kunststoffe auf der Basis lignocellulosischer (LC-)Biomasse entwickelt werden. Die Projektpartner bringen langjährige Erfahrungen der Holzchemie (Universidad de Concepción, UdeC), der Entwicklung (Fraunhofer UMSICHT) und der erfolgreichen Vermarktung biobasierter Kunststoffe (FKuR Kunststoff GmbH) ein. Die Verwendung lignocellulosehaltiger Nebenprodukte als Rohstoffe vermeidet Konkurrenzen mit der Nahrungserzeugung. Der Prozess lässt durch seine kurze Projektkette hohe Ausbeuten und geringe Kosten erwarten. Kern der Prozessentwicklung ist die Acetylierung der LC-Rohmaterialien gefolgt von einer Extraktion niedermolekularer Hemicellulosebruchstücke (AP 1), was an der UdeC untersucht wird. Ausgangsmaterial, Acetylierungsbedingungen und Extraktionsgrad beeinflussen die Eigenschaften des Kunststoffrohmaterials. Die Entwicklung eines marktfähigen Werkstoffs durch Compoundieren mit hocheffizienten, aber umweltschonenden Additiven erfolgt durch Fraunhofer UMSICHT, Abteilung Biobasierte Kunststoffe (AP 2). Die Bewertung aus industrieller Sicht und das Scale-Up der Compoundierung in den industriellen Maßstab übernimmt der Industriepartner FKuR Kunststoff GmbH (AP 3). Die Nachhaltigkeit der zu entwickelnden Technologie wird im Rahmen des Projekts durch eine Ökoeffizienzanalyse, Fraunhofer UMSICHT, Abteilung Ressourcen- und Innovationsmanagement, geprüft (AP 4).

Optimierte Überführung der Cellulose und Hemicellulose von Getreidestroh in Zuckermonomere durch den kombinierten Einsatz der Thermodruckhydrolyse und neuartiger Enzymquellen^Teilvorhaben 4: Produktion und Optimierung glycolytischer Enzyme, Teilvorhaben 3: Cellulose-abbauende Archaea

Um den Aufschluss der Lignocellulose aus Getreidestroh kostengünstiger und effizienter zu machen sollen mikrobieller Enzyme wie Cellulasen, Hemicellulasen, Laccasen und Peroxidasen aus extremophilen Mikroorganismen (vorwiegend Archaea) isoliert werden. Die DSMZ besitzt weltweit die umfangreichste Sammlung extremophiler Mikroorganismen. Das Temperaturoptimum der Cellulaseenzyme dieser extremophilen Organismen liegt oft bei etwa 80 Grad C, was u.a. die Gefahr einer Kontamination mit anderen mesophilen Bakterien reduziert. Dadurch wird sich die Ausbeute an Zucker und damit in Folge auch die Bioethanolproduktion erhöhen. Um das Ziel zu erreichen, wird die DSMZ zunächst extremophile Organismen auf ihre cellulolytische Aktivitäten hin untersuchen und dem Verbundpartner SeqLab zur DNA-Sequenzierung zur Verfügung stellen. Außerdem wird die DSMZ SeqLab bei der Suche nach cellulolytischen Genen, die durch Metagenomanalyse von Umweltproben erhalten wurden, mit ihrer Bioinformatik unterstützen. Die Neuisolate der cellulolytischen Mikroorganismen werden von der DSMZ in Reinkultur genommen, chemotaxonomisch charakterisiert und unter besonderer Berücksichtigung der metabolischen Eigenschaften phänotypisiert werden. Dies ist notwendig um die Neuisolate valide benennen zu können. Die axenischen Kulturen der identifizierten Stämme werden an der DSMZ durch Gefriertrocknung und Lagerung konserviert, damit sie für die Herstellung von Enzymen zur Verfügung stehen.

Cofermentation von Wirtschaftsduengern mit Energiegraesern in landwirtschaftlichen Biogasanlagen: Optimierung der Gaergutmischungen und des Biogasertrages

Es werden systematische Untersuchungen zum Gaerverhalten der Energiegraspflanze 'Zuckerhirse' bei Cofermentation mit Rinderfluessigmist durchgefuehrt. Die Wirkung des Reifestadiums, des Konservierungsverfahrens und der Effekt des Mischungsverhaeltnisses mit Wirtschaftsduengern auf den spezifischen Methanertrag und den Verlauf der Methangaerung werden ermittelt. Die Versuche werden mit Hilfe von Eudiometer-Messzellen im Batchverfahren bei konstanten und exakt einstellbaren Gaerbedingungen durchgefuehrt. Empfehlungen fuer Biogasanlagenbetreiber bezueglich der Gaergutaufbereitung und - konservierung, des optimalen Mischungsverhaeltnisses von Zuckerhirse und Rinderfluessigmist und zur erforderlichen hydraulischen Verweilzeit des Gaergutes werden abgeleitet. Dadurch soll erreicht werden, dass Energiegraeser verstaerkt zur umweltfreundlichen und kostenguenstigen Biogaserzeugung eingesetzt werden koennen. CO2- und CH4-Konzentrationen im Biogas werden mittels Gaschromatographie bestimmt. Zu Beginn und am Ende jedes Versuches werden Inhaltsstoffanalysen der Gaerstoffe durchgefuehrt. Zu Versuchsbeginn und im Verlauf der Gaerung wird der pH-Wert im Gaermedium kontrolliert. Inhaltsstoffanalysen der Gaergueter (Nt, NH4-N, Ct, Cellulose, Hemizellulose, Rohfaser, Rohprotein, Rohfett) und die Bestimmung der Trockensubstanz, der Asche und des pH-Wertes werden nach gaengigen Standardverfahren durchgefuehrt. Als Effizienzkriterien der Methangaerung werden die Prozessparameter spezifischer Biogasertrag, spezifischer Methanertrag, Biogasqualitaet (Methangehalt), Abbaugrad der organischen Substanz und Inhaltsstoffe des Gaergutes (organischer Stickstoff, Ammonium - Stickstoff, Lignin, Zellulose, Hemizellulose, organischer Kohlenstoff, fluechtige Fettsaeuren) herangezogen.

Verankerung von Regeneratfasern auf der Basis von Holzcellulose - Machbarkeitsuntersuchung

Das Projekt stellt eine zehnmonatige Machbarkeitsstudie dar, die in der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS, am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung und an der Hochschule Bremen durchgeführt wird. Die Kurzbeschreibung schließt die Projektziele aller drei Partner ein. Das Projekt hat folgende Ziele: (1) Herstellung einer hydrohoben Beschichtung auf Celluloseregeneratfasern auf der Basis einer Vorbehandlung mit Hemicellulosen und Hydroxyzimtsäuren und (2) eine Verbesserung der Haftung der Fasern in einer Polylactid-Matrix. Letzteres wird mit Pull-out-Experimenten an modifizierten Einzelfasern ermittelt. Als biologisches Vorbild für den entstehenden Werkstoff fungiert der Polymerverbund aus Cellulose und Suberin im Korkgewebe und im Casparischen Streifen. Durch die Verwendung von Hemicellulosen mit Hydroxyzimtsäuren zielt das Projekt auf eine Förderung der stofflichen Verwertung dieser Substanzen ab, welche als Reststoffe bei der Verarbeitung pflanzlicher Lebensmittel und in Bioraffinerien anfallen. Das chemische Modifikationsverfahren soll als zweistufiger Prozess realisiert werden, bestehend aus (1) einer physikalischen Adsorption von polymeren Hemicellulosen an die Regeneratfasern und (2) einer Radikalpolymerisation unter Verwendung von Hydroxyzimtsäure-Derivaten. Arbeitspakete: 1. Gewinnung und chemische Analyse von Hemicellulose-Extrakten aus Weizenkleie. 2. Anlagerung der Hemicellulosen an Cellulosefasern. 3. Herstellung von Ferulasäure-Ethyl-Ester und Radikalpolymerisation auf den Fasern. 4. Anlagerung von amphiphilen ORMOCER®en an unbehandelte Fasern (Referenz). 5. Feststellung der Polarität der Faseroberflächen durch Kontaktwinkelmessungen. 6. Pull-out-Experimente zur Ermittlung der Faser/Matrix-Interaktion sowie Messung der Faserzugfestigkeit.

Chemische Prozesse - Verfahren zur Gewinnung von Lignin, Cellulose und Hemicellulose mit Hilfe neuartiger ionischer Flüssigkeiten, Teilprojekt 5

Unter Verwendung neuartiger ionischer Flüssigkeiten soll ein einfach durchzuführendes, druckloses, allgemein anwendbares Verfahren zur Gewinnung von Lignin, Cellulose und Hemicellulose, Gerbstoffen und Harzen aus biogenem Material entwickelt werden. Damit soll eine wirtschaftliche Verwertung aller Holzbestandteile ermöglicht werden. Die Fa. Rampf überträgt das von den Projektpartnern entwickelte Verfahren zur Gewinnung von Lignin, Cellulose und Hemicellulose aus biogenem Material mit Hilfe neuartiger ionischer Flüssigkeiten in einem größeren Produktionsmaß (Scale-Up). Dabei werden die Prozessparameter optimiert und entsprechende Mustermengen an Cellulose, Hemicellulose und Lignin für die weitere Verarbeitung hergestellt. Neben der Gewinnung, Trennung und gegebenenfalls Reinigung der Stoffströme Lignin, Cellulose und Hemicellulose erfolgt die Herstellung und auch das Recycling der ionischen Flüssigkeiten. Die Fa. Rampf wird den Einsatz der gewonnenen Lignine als Monomere für Polymere (Polyurethan-Kunststoffe) prüfen und dementsprechende, ligninbasierende Kunststoffe entwickeln und prüfen. Ebenfalls werden die Stoffströme Cellulose und insbesondere (modifizierte) Hemicellulose hinsichtlich der Eignungsmöglichkeit als reaktiver Füllstoff bzw. Monomer in Kunststoff-Applikationen geprüft.

Entwicklung neuer Wirkstoffabgabesysteme mit komplexen Release-Profilen auf der Basis von NWR für den Einsatz in Wasch- und Reinigungsmitteln

Das Forschungsvorhaben fokussiert auf die Entwicklung intelligenter Wirkstoffabgabesysteme im Bereich Wasch- und Reinigungsmittel. Die neuen Ansätze für dieses Gebiet lassen sich unter den Aspekten: 1) spezieller Release-Mechanismus, sowie 2) funktionsorientierte Kombination biobasierter Polymere zusammenfassen. Beim Release-Mechanismus wird auf reversible Be- und Entladung Träger-fixierter Mikrocontainer orientiert. Die reversible Beladung impliziert die Entwicklung eines Abgabesystems mit oberflächennahen Reaktivgruppen, die kovalent an einen Träger fixiert werden können. Dafür bieten sich zwei Strategien an: a) Oberflächenmodifizierung reversibel beladbarer Mikrocontainer b) Umhüllung reversibel beladbarer Mikrocontainer mit einer reaktiven Schale. Als stoffliche Basis werden pflanzliche Komponenten favorisiert. Neben verschiedenen Polyanhydroglucosen wie Cellulose und Hemicellulose sind aromatisch strukturierte Polymere aus der Gruppe der Lignine mit vorgesehen. Die Aufgaben: Bereitstellung von Substraten, Gewinnung von Rohlignin, Modifizierung der Biopolymere, Optimierung der Porosität von Perlcellulose, Oberflächenmodifizierung poröser Perlcellulose, Mikroverkapselung und Funktionalisierung der mit Wirkstoff beladenen Perlcellulose, Anbinden der mit einer reaktiven Kapselwand ausgestatteten Partikel an Substratoberflächen (Textilien), Bestimmung der Sesshaftigkeit der Partikel in Abhängigkeit von Waschzyklen, Untersuchung von Partikelbeladung und Wirkstoffabgabe, Analytik.

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