TY - GEN A1 - Duwe, A. A1 - Sieker, T. A1 - Tippkötter, Nils A1 - Ulber, Roland T1 - Grasssilage als Substrat zur fermentativen Produktion organischer Säuren T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Der zunehmende Bedarf an fossilen Rohstoffen bei gleichzeitig abnehmender Versorgungssicherheit führt zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Ressourcen. Ein vielversprechendes Ausgangsmaterial mit einer weltweiten Verfügbarkeit stellt Gras dar. In 2012 wurden in Deutschland 33 Millionen Tonnen (Heugewicht) Gras auf 4,82 Millionen Hektar Ackerland produziert, davon wurden 60,5 % siliert. Durch die Silierung kann Gras als Substrat zeitlich uneingeschränkt verfügbar sein, ohne dem Risiko des schnellen Verderbs ausgesetzt zu sein. Eine Schlüsselrolle im Rahmen des Silierprozesses nimmt die Produktion von Milchsäure ein. Milchsäure ist einbedeutendes biotechnologisches Produkt für die Lebensmittel- und die chemische Industrie. Im Rahmen dieser Arbeit wird die vollständige Umwandlung der fermentierbaren Zucker in der Silage zu Milchsäure angestrebt, um die maximale Ausbeute der organischen Säure zu erreichen. Im ersten Verfahrensschritt wird die Silage gepresst und der erhaltene Presskuchen einer Liquid-Hot-Water-Behandlung unterzogen. Durch diese einfache Vorbehandlung können hohe Glucoseausbeuten im nachfolgenden SSF-Schritt bei gleichzeitig geringem Enzymeinsatz und Chemikalienverbrauch realisiert werden. Zur Aufreinigung der Milchsäure wurden extraktive und chromatographische Methoden untersucht. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450345 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1400 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Möhring, S. T1 - Nutzung von Fäulepilzen für die selektive Gewinnung von Cellulose und Lignin aus nicht vorbehandelter lignocellulosehaltiger Biomasse T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Einige Arten der Braun- und Weißfäulepilze sind in der Lage, selektiv entweder Lignin oder Cellulose im Holz abzubauen. Diese Pilze können für eine energiesparende Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Biomasse für Bioraffinerien genutzt werden, ohne auf technisch aufwändige Aufschlussapparate zurückgreifen zu müssen. Weißfäulepilze bauen bevorzugt Lignin ab, wodurch die verbleibende Cellulose leichter für enzymatische Hydrolysen in das Monosaccharid Glucose zugänglich wird. Braunfäulepilze bauen dagegen Cellulose und Hemicellulose ab. Die Auswirkungen der Behandlung von Weizenstroh mit verschiedenen Pilzarten werden zurzeit untersucht. Dabei werden die Veränderung der enzymatischen Hydrolysierbarkeit des Substrats sowie die gebildeten Ligninderivate bestimmt. Detaillierte Betrachtungen der Biomasseveränderung werden mithilfe spezifischer Färbemethoden durchgeführt, durch die morphologische Veränderungen der Pflanzengewebe in der 3D-Lichtmikroskopie dargestellt werden können. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450353 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen N1 - Diese Arbeit wird durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über die FNR e.V. unter dem Projektnamen „Lokale Vorbehandlung nachwachsender Rohstoffe für Bioraffinerien“ gefördert (FKZ 22028411) VL - 86 IS - 9 SP - 1385 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Wasserscheid, P. T1 - Rapid-Prototyping-Strukturen für ressourceneffiziente Prozesse in Chemie und Biotechnologie T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Die Teilefertigung durch Rapid Prototyping (RP) verkürzt den Weg von der Idee bis zum Produkt, wobei unter anderem Optimierungszyklen in geringer Zeit durchlaufen werden können. Ferner eröffnen neue Entwicklungen in diesem Bereich die Möglichkeit individueller Produktionsverfahren. Im Unterschied zur klassischen Fertigung von Prototypen wird beim RP mit additiver Schichtfertigung (Additive Layer Manufacturing, ALM) gearbeitet. Je nach Methode werden Flüssigkeiten oder Pulver nach Vorgaben eines 3D-Computermodells sequentiell aufgetragen. Diese Verfahren existieren seit ca. 25 Jahren, jedoch sind seit kurzem ausgesprochen günstige Geräte verfügbar, die Objekte mit Genauigkeiten bis 20 lm fertigen können. Das RP hat in klinischen Anwendungsgebieten bzw. im Bereich des Tissue Engineering bereits vielfach Einzug gefunden. Aber auch chemisch-biotechnologische Entwicklungen können von den Verfahren profitieren. So wurden Mikrofluidiksysteme und Bioreaktoren bereits erfolgreich durch RP gefertigt. Durch ALM ist ebenso die Herstellung von Reaktionseinheiten aus biokompatiblen Materialien wie ionotropen Gelen möglich. Ferner sind sehr komplexe Strukturierungen von Oberflächen im Nanometerbereich realisierbar, die für die Auftragung heterogener Katalysatoren oder auch Mikroorganismen eingesetzt werden können. Auch der Bereich Reaktoren- und Apparatebau kann von den Fortschritten in der additiven Fertigung profitieren. Verfahren wie selektives Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen erlauben es, metallische Komponenten in nahezu beliebigen Geometrien zu fertigen. Somit können Strukturen verwirklicht werden, die mit konventionellen Fertigungstechniken nur sehr schwer oder überhauptnicht herstellbar wären. Durch Anwendung von rechnergestützter Modellierung können optimale Strukturen identifiziert und additiv gefertigt werden. Eine anschließende katalytische Funktionalisierung der Oberfläche ermöglicht die Herstellung strukturierter Reaktoren mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450451 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1369 EP - 1370 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Wulfhorst, H. A1 - Mogue, N. A1 - Möhring, S. A1 - Roth, J. A1 - Ulber, Roland T1 - Spektrometrische Messung und Modellierung der enzymatischen Hydrolyse von Biomasse nach Organosolv- und Liquid Hot Water-Aufschlüssen (LHW) T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - In diesem Beitrag wird die NIR- und MIR-Spektrometrie in Kombination mit multivariaten Kalibrationsmodellen zur Analyse von Monosacchariden und Cellulose aus Biomasse etabliert. Spektrengemischter Standardlösungen mit definierten Glucose- und Xylosekonzentrationen in Wasser werden im NIR-(Lambda 750, Perkin Elmer, USA) und MIR-Bereich (Spektrum 100, PerkinElmer) in Gegenwart von entweder Carboxymethylcellulose oder Grasfasern aufgenommen. Darauf basierend werden Kalibrationsmodelle (Unscrambler®, CAMO-Software AS, Norwegen) entwickelt und zur Vorhersage der Zuckerkonzentration in den Hydrolyseproben und der Celluloseanteile angewendet. Darüber hinaus wird die Partikelgröße der Rohstoffe bestimmt. Die Messergebnisse bilden die experimentelle Basis für die numerische Modellierung der Reaktionskinetik der enzymatischen Hydrolyse von Lignocellulose. Das Modell kombiniert die Bilanzierung der Partikelgrößenverteilungen mit der Multienzymkinetik. Dabei werden neben der Partikelgrößenverteilung und der Substratkonzentration die Zusammensetzung der Rohstoffe nach Vorbehandlung sowie die Produktinhibierung und mehrere enzymatische Aktivitäten berücksichtigt. Das Modell ermöglicht es, die Partikelgrößenverteilungen und die Konzentrationen der Substrate und Produkte während der Hydrolyse vorherzusagen und die kinetischen Parameter im Batch- sowie im Fed-Batch-Reaktor zu bestimmen. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450269 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1584 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Duwe, A. A1 - Schlegel, C. A1 - Tippkötter, Nils A1 - Ulber, Roland T1 - Sequentielle Extraktion von Cellulose zur effizienten Nutzung der Stoffströme in der Holzbioraffinerie T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - In der Reihe der nachwachsenden Rohstoffe besitzt Holz als erneuerbare und umweltfreundliche Ressource ein großes Potenzial. Über 11 Mio. ha Holz, das laut der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) auch für industrielle Zwecke genutzt werden kann, wuchsen im Jahr 2013 allein auf bundesdeutscher Fläche. 56,8 Mio. m³ jährlicher Holzeinschlag in den letzten zehn Jahren wurde zu knapp der Hälfte stofflich und der Rest energetisch verwertet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte auf der Basis vom Holz der Buche, die nach Fichte und Kiefer die dritthäufigste Baumart in Deutschland ist und 15% der deutschen Waldfläche ausmacht, die Fraktionierung der polymeren Hauptbestandteile mit niedrigem energetischen Einsatz erreicht werden. Hierbei werden in einem nachgeschalteten Extraktionsprozess die beiden Komponenten Hemicellulose und Lignin in flüssiger Form von der finalen festen Cellulosefraktion abgetrennt. Die Extraktion der Hemicellulose erfolgt durch eine Liquid Hot Water (LHW)-Behandlung. Untersucht wird der katalytische Zusatz anorganischer Säuren wie H₃PO₄ und H₂SO₄. Im Hinblick auf die weitere Verwertung von Lignin zu aromatischen Synthesebausteinen kommt die Organosolv-Extraktion mit einem Ethanol/Wasser-Gemisch zum Einsatz. Von Vorteil ist die weitere Verwendung beider Stoffströme ohne Fällungsschritt und nachteiliger Verdünnung der Hemicellulose. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450308 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1400 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Tippkötter, Nils A1 - Sieker, T. A1 - Wiesen, S. A1 - Duwe, A. A1 - Roth, J. A1 - Ulber, Roland T1 - Simultane Saccharifizierung und Fermentierung (SSF) sowie Produktion von Aceton, Butanol, Ethanol (ABE) und Dicarbonsäuren aus technischer Cellulose T2 - Chemie Ingenieur Technik N2 - Technische Cellulose wurde als möglicher Rohstoff zur fermentativen Produktbildung untersucht. Hierfür wird Cellulose in der Lignocellulose-Bioraffinerie hergestellt und daraus Hydrolysat gewonnen. Die Prüfung der technischen Hydrolysate als Substrate erfolgte anhand eines breiten Spektrums an Bioprodukten, von Kraftstoffen wie Ethanolund Butanol, bis zu den Dicarbonsäuren Itacon- und Bernsteinsäure. Dabei werden Bakterien, Hefen und Pilze als Produktionsorganismen eingesetzt. Die einzelnen Herstellverfahren stellen unterschiedliche Anforderungen an die Substrathandhabung. Im Fall der Ethanol- und Butanol-Gewinnung kann eine simultane Saccharifizierung und Fermentierung (SSF) durchgeführt werden. Aufgrund der Produkttoxizität erfordert die Butanol-Herstellung dabei eine In-situ-Produktabtrennung durch Lösemittelimprägnierte Partikel. Die Herstellung der beiden Dicarbonsäuren unterscheidet sich in der Sensitivität der verwendeten Mikroorganismen gegenüber Inhibitoren, die in Spuren im Hydrolysat enthalten sind. Die Bernteinsäurebildung mit Actinobacillussuccinogenes kann mit unbehandeltem Hydrolysat erfolgen. Dagegen erfordert die Gewinnung von Itaconsäure mit A. terreus eine Detoxifizierung des Hydrolysats. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sämtliche Bioraffinerie-Hydrolysate als Substrate für unterschiedliche Fermentationen geeignet sind. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/cite.201450297 SN - 0009-286X SN - 1522-2640 (eISSN) N1 - ProcessNet-Jahrestagung 2014 und 31. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 30. September - 2. Oktober 2014, Eurogress Aachen VL - 86 IS - 9 SP - 1518 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Hentschke, Reinhard A1 - Hager, Jonathan A1 - Hojdis, Nils T1 - Molecular Modeling Approach to the Prediction of Mechanical Properties of Silica-Reinforced Rubbers JF - Journal of Applied Polymer Science N2 - Recently, we have suggested a nanomechanical model for dissipative loss in filled elastomer networks in the context of the Payne effect. The mechanism is based on a total interfiller particle force exhibiting an intermittent loop, due to the combination of short-range repulsion and dispersion forces with a long-range elastic attraction. The sum of these forces leads, under external strain, to a spontaneous instability of “bonds” between the aggregates in a filler network and attendant energy dissipation. Here, we use molecular dynamics simulations to obtain chemically realistic forces between surface modified silica particles. The latter are combined with the above model to estimate the loss modulus and the low strain storage modulus in elastomers containing the aforementioned filler-compatibilizer systems. The model is compared to experimental dynamic moduli of silica filled rubbers. We find good agreement between the model predictions and the experiments as function of the compatibilizer's molecular structure and its bulk concentration. KW - theory and modeling KW - supramolecular structures KW - rubber KW - mechanical properties KW - elastomers Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1002/app.40806 SN - 1097-4628 VL - 131 IS - 18 SP - 1 EP - 9 PB - Wiley CY - New York, NY ER - TY - JOUR A1 - Scheer, Nico A1 - Wolf, C. Roland T1 - Genetically humanized mouse models of drug metabolizing enzymes and transporters and their applications JF - Xenobiotica N2 - 1. Drug metabolizing enzymes and transporters play important roles in the absorption, metabolism, tissue distribution and excretion of various compounds and their metabolites and thus can significantly affect their efficacy and safety. Furthermore, they can be involved in drug–drug interactions which can result in adverse responses, life-threatening toxicity or impaired efficacy. Significant species differences in the interaction of compounds with drug metabolizing enzymes and transporters have been described. 2. In order to overcome the limitation of animal models in accurately predicting human responses, a large variety of mouse models humanized for drug metabolizing enzymes and to a lesser extent drug transporters have been created. 3. This review summarizes the literature describing these mouse models and their key applications in studying the role of drug metabolizing enzymes and transporters in drug bioavailability, tissue distribution, clearance and drug–drug interactions as well as in human metabolite testing and risk assessment. 4. Though such humanized mouse models have certain limitations, there is great potential for their use in basic research and for testing and development of new medicines. These limitations and future potentials will be discussed. KW - transporters KW - human metabolites KW - drug metabolising enzymes KW - drug–drug interactions KW - bioavailability Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.3109/00498254.2013.815831 SN - 1366-5928 VL - 44 IS - 2 SP - 96 EP - 108 PB - Taylor & Francis CY - Abingdon ER - TY - JOUR A1 - Scheer, Nico A1 - Mclaughlin, Lesley A. A1 - Rode, Anja A1 - MacLeod, Alastair Kenneth A1 - Henderson, Colin J. A1 - Wolf, Roland C. T1 - Deletion of thirty murine cytochrome P450 genes results in viable mice with compromised drug metabolism JF - Drug Metabolism and Disposition N2 - In humans, 75% of all drugs are metabolized by the cytochrome P450-dependent monooxygenase system. Enzymes encoded by the CYP2C, CYP2D, and CYP3A gene clusters account for ∼80% of this activity. There are profound species differences in the multiplicity of cytochrome P450 enzymes, and the use of mouse models to predict pathways of drug metabolism is further complicated by overlapping substrate specificity between enzymes from different gene families. To establish the role of the hepatic and extrahepatic P450 system in drug and foreign chemical disposition, drug efficacy, and toxicity, we created a unique mouse model in which 30 cytochrome P450 genes from the Cyp2c, Cyp2d, and Cyp3a gene clusters have been deleted. Remarkably, despite a wide range of putative important endogenous functions, Cyp2c/2d/3a KO mice were viable and fertile, demonstrating that these genes have evolved primarily as detoxification enzymes. Although there was no overt phenotype, detailed examination showed Cyp2c/2d/3a KO mice had a smaller body size (15%) and larger livers (20%). Changes in hepatic morphology and a decreased blood glucose (30%) were also noted. A five-drug cocktail of cytochrome P450 isozyme probe substrates were used to evaluate changes in drug pharmacokinetics; marked changes were observed in either the pharmacokinetics or metabolites formed from Cyp2c, Cyp2d, and Cyp3a substrates, whereas the metabolism of the Cyp1a substrate caffeine was unchanged. Thus, Cyp2c/2d/3a KO mice provide a powerful model to study the in vivo role of the P450 system in drug metabolism and efficacy, as well as in chemical toxicity. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1124/dmd.114.057885 SN - 1521-009X VL - 42 IS - 6 SP - 1022 EP - 1030 PB - ASPET CY - Bethesda, Md. ER - TY - JOUR A1 - Salpati, Laurent A1 - Chu, Xiaoyan A1 - Chen, Liangfu A1 - Prasad, Bhagwat A1 - Dallas, Shannon A1 - Evers, Raymond A1 - Mamaril-Fishman, Donna A1 - Geier, Ethan G. A1 - Kehler, Jonathan A1 - Kunta, Jeevan A1 - Mezler, Mario A1 - Laplanche, Loic A1 - Pang, Jodie A1 - Soars, Matthew G. A1 - Unadkat, Jashvant D. A1 - van Waterschoot, Robert A.B. A1 - Yabut, Jocelyn A1 - Schinkel, Alfred H. A1 - Scheer, Nico A1 - Rode, Anja T1 - Evaluation of organic anion transporting polypeptide 1B1 and 1B3 humanized mice as a translational model to study the pharmacokinetics of statins JF - Drug Metabolism and Disposition N2 - Organic anion transporting polypeptide (Oatp) 1a/1b knockout and OATP1B1 and -1B3 humanized mouse models are promising tools for studying the roles of these transporters in drug disposition. Detailed characterization of these models will help to better understand their utility for predicting clinical outcomes. To advance this approach, we carried out a comprehensive analysis of these mouse lines by evaluating the compensatory changes in mRNA expression, quantifying the amounts of OATP1B1 and -1B3 protein by liquid chromatography–tandem mass spectrometry, and studying the active uptake in isolated hepatocytes and the pharmacokinetics of some prototypical substrates including statins. Major outcomes from these studies were 1) mostly moderate compensatory changes in only a few genes involved in drug metabolism and disposition, 2) a robust hepatic expression of OATP1B1 and -1B3 proteins in the respective humanized mouse models, and 3) functional activities of the human transporters in hepatocytes isolated from the humanized models with several substrates tested in vitro and with pravastatin in vivo. However, the expression of OATP1B1 and -1B3 in the humanized models did not significantly alter liver or plasma concentrations of rosuvastatin and pitavastatin compared with Oatp1a/1b knockout controls under the conditions used in our studies. Hence, although the humanized OATP1B1 and -1B3 mice showed in vitro and/or in vivo functional activity with some statins, further characterization of these models is required to define their potential use and limitations in the prediction of drug disposition and drug-drug interactions in humans. Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1124/dmd.114.057976 SN - 1521-009X VL - 42 IS - 8 SP - 1301 EP - 1313 PB - ASPET CY - Bethesda, Md. ER -