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Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen, Design und Synthese redox-aktiver linker für die effiziente Kopplung von Photosystem und Hydrogenase

Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Design und Synthese redox-aktiver linker für die effiziente Kopplung von Photosystem und Hydrogenase, Einsatz von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen für die lichtgetriebene Wasserstoffproduktion

Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen, Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen

Biophotolytische Produktion von Wasserstoff in Cyanobakterien: Molekularbiologie der Hydrogenase(n) und der Nitrogenase

Im Projekt werden verschiedene experimentelle Ansaetze zur genetischen Manipulation der Nitrogenase- und Hydrogenasegene verfolgt, mit dem Ziel, die Entwicklung von Wasserstoff durch Cyanobakterien zu steigern. Biophotolyse bedeutet, dass Wasser als Elektronenquelle und Licht als Energiequelle dient, als Teil des photosynthetischen Elektronentranports. Die eigentliche Freisetzung von Wasserstoff erfolgt hauptsaechlich ueber den Nitrogenasekomplex und/oder die Hydrogenase. Gesteigerte Wasserstoffproduktion soll erstens durch gezielte Veraenderungen im aktiven Zentrum der Nitrogenase (FeMoCo, nif V) und die konstitutive Expression der Nitrogenase-Gene (deregulierte Mutanten), sowie zweitens durch Inaktivierung des koinduzierten, Wasserstoff-oxidierenden Systems (hup-minus-Mutanten) erreicht werden.

HUP-Hydrogenase-Aktivitaet und H2-Photoproduktion in photosynthetisch aktiven Purpurbakterien

Ziel des Projektes war die Aufklaerung der Regulationsmechanismen, welche die Rate und Ausbeute der H2-Photoproduktion in wachsenden Populationen von Purpurbakterien bestimmen. In Kooperation mit W. Klipp, Universitaet Bielefeld, wurden mittels Transposon-Mutagenese stabile Mutanten des Purpurbakteriums Rhodospirillum rubrum erzeugt, in denen die H2-Aufnahme-Hydrogenase (HUP) ausgeschaltet war. Die hup Mutanten von R. rubrum haben eine bis zu 3-fach hoehere H2-Gesamtproduktion als der Wildtyp. Auf biochemischer Ebene wurde eine vergleichbare Steigerung durch den Chelatbildner EDTA erzielt. Experimente mit der gereinigten HUP-Hydrogenase zeigten, dass der EDTA-Effekt groesstenteils auf einer Inaktivierung der Hydrogenase durch Chelierung des fuer die katalytische Aktivitaet essentiellen Nickels beruht. Theoretische und experimentelle Analysen zur Frage der ratebegrenzenden Faktoren bei der H2-Photoproduktion zeigen, dass in Purpurbakterien zumeist nicht die Nitrogenase-Reaktion, sondern die photosynthetische Energiekonversion der limitierende Schritt ist.

Sekundäre Gärungen^BioPara^Erfassung des hydrolytischen Potentials von Biogasanlagen^Acidogenese durch fermentative Bakterien und anaerobe Pilze sowie Abundanzen methanotropher Organismen in Biogasreaktoren^Populationsbestimmung und Analyse der acetogenen Bakterien in Biogasanlagen^Statistische Analyse multipler Datensätze zur Identifikation von Engpässen und Entwicklung neuer Konzepte für die Optimierung von Biogasprozessen, Erfassung der hydrogenotrophen und methylotrophen Methanbildungskapazität in Biogasanlagen

Im Rahmen des BioProFi-Konsortiums BioPara ist das Ziel dieses Vorhabens die dynamische Erfassung des Wasserstoff- und Methyl-Gruppen-Stoffwechsels methanogener Archaeen in Biogasanlagen, sowohl auf metagenomischer, als auch biochemischer Ebene. In situ-Inventarisierung der mikrobiellen Bioönose in Biogasanlagen (mit Fokus auf H2-abhängige Bakterien und Archaeen sowie auf methylotrophe Archaeen), die biochemische Bestimmung des methanoarchaealen Anteils am jeweiligen Gesamt-Stoffwechsel (H2-Bildung, H2-Verbrauch, Oxidation und Reduktion von Methyl-Gruppen), soll diese Stoffwechselaktivitäten als mögliche Raten-limitierende Schritte im Biogasprozess identifizieren. Die erhaltenen Daten sollen für die Isolierung methanogener Stämme mit Eigenschaften, die den Biomasse-Umsatz steigern können, herangezogen werden. Das Vorhaben soll so detaillierte Erkenntnisse über die H2- und Methylgruppen-abhängigen biochemische Prozesse in Biogasanlagen liefern, und so Maßnahmen identifizieren, durch die Methanproduktivität in diesen Anlagen gesteigert werden kann. Aus Biogasanlage-Proben werden H2-Verbrauch, H2-Bildung, der Anteil der methanogenen Hydrogenase-Aktivität an der Gesamt-Hydrogenase-Aktivität, sowie der Anteil der methylotrophen Methanogenese an der Gesamt-Methanausbeute, bestimmt. Desweiteren werden Methanogene mit verbesserten Eigenschaften isoliert. Die erhaltenen Daten werden mit der mikrobiellen Biozönose in Bezug gesetzt.

Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion; Entwicklung eines optisch strukturierten 250 l Photo-Bioreaktors zur Wasserstoffproduktion^Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion - Nachhaltigkeitsbewertung und -optimierung der Erzeugung von Photobiowasserstoff mit Mikroalgen^Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion; Regulation der Atmung und die Entwicklung zell-interner Sauerstoffsensoren^HydroMicPro^Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion; Charakterisierung und biotechnologischen Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- u. H2-Produktion in Photobioreaktoren^Validierung und Optimierung der Wasserstoffproduktion in Photobioreaktoren mit neuen Sensorstrategien^Verifikation eines Bioreaktorsystems zur Wasserstoffproduktion für verschiedene Raumfahrtanwendungen, Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion

H2 als einer der Energieträger der Zukunft identifiziert worden. Einige Grünalgen können Licht in H2 umzuwandeln. Das Projekt strebt eine Verbesserung dieses H2-Produktionsverfahrens auf biologischer und technischer Ebene an. Dazu haben sich neun Forschungsgruppen zusammengefunden. Um den Organismus an die Bedingungen in einem Photobioreaktor (PBR) anzupassen, werden die Algen genetisch modifiziert. Ein Verständnis des O2-Regulation ermöglicht es, die O2-empfindlichen Hydrogenasen zu schützen und die physiologischen Reaktionswege zu verbessern. Die Entwicklung von in-situ O2-Sensoren wird die Messung von O2 innerhalb der Zelle ermöglichen und eine schnelle Prozessregulation erlauben. Um die Problematik der H2-Gewinnung als Bestandteil des PBR zu lösen, werden Forschungen zur Verfahrenstechnik der Gasabtrennung durchgeführt. Mit der Inbetriebnahme von Prototyp-PBR soll die technische und ökonomische Machbarkeit demonstriert werden. Im Vorhaben sollen optische O2-Messtechnik für den Niedrig O2-Bereich und eine maßgeschneiderte Steuersoftware für Bioreaktoren entwickelt werden. Es werden Messmethoden für neue zellinterne optische O2-Sensoren entwickelt. mit den Ergebnisse werden neue Algenstämme generiert werden. Letzter Schritt ist die Implementierung der erarbeiten Messtechnik in optimierte Photobioreaktoren.

HydroMicPro^Verifikation eines Bioreaktorsystems zur Wasserstoffproduktion für verschiedene Raumfahrtanwendungen, Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion; Charakterisierung und biotechnologischen Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- u. H2-Produktion in Photobioreaktoren

Ziel diese Projektes ist die Charakterisierung und biotechnologische Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- und H2-Produktion in Photobioreaktoren sowie die Identifizierung neuer Arten für die H2-Produktion. In zwei Projektmodulen soll in enger Kooperation mit den beteiligten Partnergruppen der Aufbau von Biomasse und der Ertrag der Wasserstoffproduktion in C. reinhardtii für die Nutzung in geschlossenen Photobioreaktoren optimiert und eine systematische Identifizierung weiterer H2-produziernder Stämme und Arten, die für die industrielle Produktion von Bio-H2 interessant sind, durchgeführt werden. Nach Vortests in Minibioreaktoren in Bielefeld werden die neuen und optimierten Stämme anschließend in den neu entwickelten Bioreaktoren der Partnerlaboratorien auf ihre Effizienz getestet. Zur Verbesserung des Aufbaus der Biomasse und des Ertrags der Wasserstoffproduktion in C. reinhardtii sollen in diesem Projekt verschiedene molekulare Parameter der Versorgungsmechanismen der Hydrogenasen mit (H+) und (e-) optimiert werden. Eine optimale Grundlage dieses Forschungsprojektes bietet die in Bielefeld hergestellten Wasserstoffproduktionsmutanten Stm6 und Stm6glc4, die in der Lage sind, je nach Bedingungen ca. 5 mal mehr Wasserstoff als der Wildtyp zu produzieren. Schwerpunkte der Optimierungsstrategien sind die Anpassung der Lichtsammelantennen an die Verhältnisse in einem Photobioreaktor und die Optimierung der Nutzung des internen Stärkelagers der Zelle für die H2-Produktion. Beim systematischen Screen nach neuen Stämmen für Biomassen- und H2-Produktion werden sowohl Zufallsmutagenese Ansätze mit C. reinhardtii durchgeführt als auch weitere Stämme mit teilweise extremophilen Eigenschaften für ihre Eignung untersucht. Die biologische Optimierung der Algenbiomassenanzucht eröffnet neben der Nutzung zur H2-Produktion weitere Perspektiven der Umwandlung von produzierter Biomasse in Bioenergie in neuen Bioraffineriekonzepten.

Geometrische und elektronische Struktur von (NiFe)- und (FeFe)-Hydrogenasen: H2-Produktivität und O2-Toleranz^Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Einsatz von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen für die lichtgetriebene Wasserstoffproduktion^Design und Synthese redox-aktiver linker für die effiziente Kopplung von Photosystem und Hydrogenase^Synchrotronspektroskopie zur Optimierung katalytischer Zentren und Funktion/Effizienz im zellulären System, Design der natürlichen Katalysatoren sowie der Bioreaktoren für eine optimale H2-Produktion mit begleitender technischer Evaluierung

Ziel des Teilvorhabens der Ruhr-Universität Bochum ist die Verbesserung der für dieses Projekt essentiellen biologischen Katalysatoren - des Photosystem 2 (Wasserspaltungsmodul) sowie der Hydrogenase (Wasserstofferzeugungsmodul). Erst nach Optimierung dieser Module - O2-Toleranz der Hydrogenase sowie höhere Stabilität von PS2 - können diese in einer cyanobakteriellen 'Designzelle' miteinander optimal kombiniert werden. Hierfür wird der Metabolismus dieser Zelle in mehreren Einzelschritten so verändert, dass ein Großteil der Energie für Bioenergie (H2-Erzeugung) statt für Biomasseerzeugung verwendet wird. Die Auswirkungen dieser Änderungen sollen auf zellulärem Niveau als auch für die Zellkultur als Ganzes verfolgt werden. Diese Erkenntnisse sollen direkt in das Design und den Prozessablauf optimierter Photobioreaktoren einfließen, deren Effizienz durch begleitende energetische, ökologische und wirtschaftliche Evaluierung analysiert wird.

Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen^Einsatz von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen für die lichtgetriebene Wasserstoffproduktion^Design und Synthese redox-aktiver linker für die effiziente Kopplung von Photosystem und Hydrogenase^Synchrotronspektroskopie zur Optimierung katalytischer Zentren und Funktion/Effizienz im zellulären System, Geometrische und elektronische Struktur von (NiFe)- und (FeFe)-Hydrogenasen: H2-Produktivität und O2-Toleranz

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