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Glucose ist ein primäres Zwischenprodukt der Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe, wie z. B. Cellulose. Die wertsteigernde Weiterverarbeitung des Monosaccharids erfolgt häufig in Form vonFermentationsprozessen, jedoch kann der Rohstoff auch für zahlreiche chemische Verarbeitungsstufen genutzt werden. Ein großtechnisch relevanter Prozess ist die Herstellung von Gluconsäure (GS), die u. a. als Nahrungsmittelzusatz (E 574) eingesetzt wird. Die Darstellung der Säure erfolgt durch Oxidation von Glucose mit magnetisierbarem Gold-Nano-Katalysator. Die Rückgewinnung des Katalysators aus der Reaktionslösung wurde unter Einwirkung eines Magnetfeldgradienten verwirklicht. Die Synthese der magnetischen Goldkatalysatoren (sowohl Trägerpartikel als auch Gold-Nanopartikel) wurde durch nass-chemische Fällungsreaktionen durchgeführt. Die Charakteristiken der neuen Materialen konnte durch Messungen des PCD-Potenzials, Laserbeugung und REM/EDX untersucht werden. So wurden u. a. Partikeldurchmesser von 25 lm und ein Goldgehaltvon 1,03 % ermittelt. Weiterhin wurden für die Goldkatalysatoren optimale Reaktionsbedingungen für die Glucoseoxidation im geregelten Rührkesselreaktor etabliert. Hierdurch konnten eine Produktselektivität von 100 % und eine Wiederverwendbarkeit der Partikel über mindestens zehn Zyklen erreicht werden.
In der Biotechnologie stellt Einzelstrang-DNA (ssDNA) eine Schlüsselrolle dar und fungiert z. B. als Baustein für die nanoskalige Feinmechanik oder als Affinitätsligand, ein sog. Aptamer. Hinsichtlich der industriellen Verwendung bieten Aptamere im Vergleich zu Antikörpern viele Vorteile, wie z. B. eine gute Renaturierung bzw. die Selektion für cytotoxische Moleküle. Aktuell wächst die Nachfrage für chimäre Aptamere von bis zu 200 n, um die simultane Bindung bzw. die Modifikation mehrerer Moleküle zu realisieren. Bis heute wird ssDNA mittels einer sequentiellen Synthese hergestellt, die eine Effizienz von ca. 99,5 % je Zyklus und bereits bei einer Produktlänge von 100 n nur noc hAusbeuten von max. 60 % zeigt. Um dem Bedarf an ssDNA im Bereich > 100 n zu entsprechen, wurden zwei enzymatische Verfahren zur Produktion dieser Makronukleotide entworfen. Die erste Technik basiert auf einerFestphasen-PCR und ermöglicht sowohlein Primer- als auch ein Templatrecycling. Das zweite Verfahren beruht auf einer Plasmidbasierten In-vivo-Amplifikation, der sog. AptaGENE®-Technologie. In einer einzigen Klonierung werden bis zu 100 Kopien des Monomers in einen Vektor kloniert. Nach einer Transformation folgt der reguläre Produktionsprozess in Form einer Kultivierung, Plasmidpräparation und sequenziellen Aufarbeitung von bis zu 6 · 10¹⁵ Makronukleotiden pro Milliliter Fermentationsvolumen.
Grassilage stellt einen nachwachsenden Rohstoff mit großem Potenzial dar. Neben Cellulose und Hemicellulose enthält sie auch organische Säuren, insbesondere Milchsäure. In einem Bioraffinerie-Projekt wird die Milchsäure aus der Silage isoliert und mit gentechnisch optimierten Stämmen zu L-Lysin weiterverarbeitet. Die Lignocellulose wird hydrolysiert und zu Ethanol fermentiert. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Integration der unterschiedlichen Prozesse sowie der einzelnen Prozessschritte zu einem Gesamtprozess, der sämtliche Inhaltsstoffe der Silage verwertet.
Grass silage provides a great potential as renewable feedstock. Two fractions of the grass silage, a press juice and the fiber fraction, were evaluated for their possible use for bioethanol production. Direct production of ethanol from press juice is not possible due to high concentrations of organic acids. For the fiber fraction, alkaline peroxide or enzymatic pretreatment was used, which removes the phenolic acids in the cell wall. In this study, we demonstrate the possibility to integrate the enzymatic pretreatment with a simultaneous saccharification and fermentation to achieve ethanol production from grass silage in a one-process step. Achieved yields were about 53 g ethanol per kg silage with the alkaline peroxide pretreatment and 91 g/kg with the enzymatic pretreatment at concentrations of 8.5 and 14.6 g/L, respectively. Furthermore, it was shown that additional supplementation of the fermentation medium with vitamins, trace elements and nutrient salts is not necessary when the press juice is directly used in the fermentation step.
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.
Die wachsende Produktpalette von z. B. Pharmazeutika geht mit einer steigenden Nachfrage für hochsensitive/schonende Aufreinigungstechniken einher. Bisherige Verfahren führen oft zu geringer Reinheit und verminderter Bioaktivität, zeigen eine Limitation der Analytengröße oder bedingen dessen Modifikation. Durch die Kombination von mikroskaligen Magnetpartikeln und spezifisch wechselwirkenden Einzelstrang-DNA-Oligonukleotiden, den sog. ssDNA-Aptameren, sind eine höhere Selektivität/Reinheit und eine Automatisierung möglich. In diesem Kontext werden zum einen ssDNA-Amplifikationstechniken und zum anderen der praktische Einsatz von Aptameren in einer Magnetseparation vorgestellt. Die ssDNA-Synthese basiert auf einem In-vivo-dsDNA-Produktionsschritt mittels eines rekombinanten Escherichia coli. Die als High-copy-Plasmid organisierte Sequenz wird in vitro durch Kombination verschiedener enzymatischer Reaktionen in die funktionelle ssDNA überführt. Diese Technik bedingt nur minimale Instrumentierung bzw. Prozessregelung. Die zweite Synthesetechnik wird in Form eines In-vitro-Amplifikationsverfahrens realisiert und beruht auf dem Prinzip einer PCR (Potenzial zu einer Automatisierung bzw. Miniaturisierung). Die gewonnenen Aptamere werden im Anschluss in einem auf Magnetpartikeln basierten Trennverfahren zur Isolationvon 6xHis-tag-Proteinen bezüglich ihrer Eigenschaften untersucht.
Bei der Stärkeproduktion entstehendes Kartoffelfruchtwasser besitzt mit 2 – 3 % einen hohen Anteil an ernährungsphysiologisch interessanten Proteinen. Die industrielle Gewinnung dieser Proteinfracht liefert jedoch lediglich ein minderwertiges, denaturiertes Produkt. Mit Hilfe der Membranadsorber-Technologie lassen sich aus Kartoffelfruchtwasser unter milden Reaktionsbedingungen native bioaktive Proteinfraktionen gewinnen. Geeignete Trennbedingungen wurden im Labormaßstab entwickelt und in den Technikumsmaßstab übertragen. An Anionenaustauscher-Membranadsorbern mit einer Membranfläche von 10 000 cm2 wurde eine Patatinhaltige Fraktion (44 kDa) mit Bindungskapazitäten von 0,37 mg/cm2 isoliert. Eine niedermolekulare Proteinfraktion mit Protease-Inhibitoren konnte durch Kationenaustauscher-Membranadsorber mit Bindungskapazitäten von 1,00 mg/cm2 gewonnen werden. Sie ist für verschiedenste Applikationen in der pharmazeutischen, kosmetischen und der Nahrungsmittelindustrie interessant z. B. für Appetitzügler oder muskelaufbauende Proteinpräparate. Der Aufreinigung der nativen Proteinfraktionen durch Ultra-/Diafiltration schließt sich die Konfektionierung durch Sprühtrocknung an. Die bioanalytische Charakterisierung der Produkte belegt die Reinheit und die enzymatische Aktivität sowie die Abreicherung von Störkomponenten wie Glykoalkaloide und Polyphenoloxidasen.
Simulation und Experiment bei der Aufarbeitung von Polyphenolen durch neue Silicatmaterialien
(2010)
Nachwachsende Rohstoffe stellen eine reichhaltige Quelle für die Gewinnung von wirtschaftlich interessanten Biomolekülen dar. Die Gruppe der Polyphenole ist dabei für mehrere Industriezweige bedeutend. Ihre antioxidativen Eigenschaften sind z. B. für die Pharmaindustrie interessant. Im derzeit bearbeiteten Projekt sollen Polyphenole aus Pflanzenbestandteilen isoliert und aufgereinigt werden, um sie dann als Komponenten für eine Vernetzung von Polymeren auf der Basis von Fettsäuren einzusetzen. Bisher sind im Wesentlichen Prozesse zur Entfernung von Polyphenolen aus Getränken wie Bier und Wein bekannt. Eine Wiedergewinnung der Polyphenole war in diesen Anwendungen bisher nicht relevant. Die Gewinnung bzw. Abtrennung der Polyphenole erfolgt u. a. durch kommerziell erhältliche Adsorbentien wie PVPP, Adsorberharze XAD16 (Rhöm & Haas) oder SP70 (Sepabeads), deren Partikelgrößen im Bereichvon 0,1 ± 0,8 mm und spezifischen Oberflächen von 700 ± 900 m 2 /g liegen. Als Alternative zu diesen Adsorbern sollen neue Materialien auf Basis von anorganischen Trennmedien, wie z. B. natürlichen Tonmineralien, für die Polyphenolabtrennung verwendet werden. Derzeit wird durch Abgleich von Experiment und Simulation ein Materialscreening durchgeführt. Durch den Einsatz molekulardynamischer Bindungssimulationen wird die Adsorbersuche beschleunigt und Vorhersagen zu Modifikationen bei der Herstellung der neuen Adsorbentien ermöglicht.
Die ökonomische Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und der klimatische Wandel durch die Nutzung dieser haben zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Rohstoffen für die Produktion von Chemikalien und Treibstoffen geführt. Ein viel versprechender Rohstoff in diesem Zusammenhang sind Zucker, die mittels enzymatischer Hydrolyse aus Lignocellulose gewonnen werden können. Die Fermentation erfolgt mit Cellulose- bzw. Hemicellulose-Fraktionen, welche durch thermo-chemische Vorbehandlung von Holz gewonnen und anschließend enzymatisch hydrolysiert werden. Die in den Hydrolysaten enthaltenen Zuckermonomere dienen als Kohlenstoffquelle für die Produktion von Ethanol. Da sowohl Glucose als auch Xylose in den unterschiedlichen Fraktionen enthalten sind, wird zur Umsetzung dieser eine Co-Fermentation zweier Hefen durchgeführt. Im Rahmen der Optimierung dieser Fermentationen werden neben der Ergänzung der Hydrolysate durch notwendige Salze auch Verfahrenweisen wie Fed-Batch-Fermentationen untersucht. Ein weiterer interessanter Ansatz, welcher in diesem Rahmen geprüft wird, ist die enzymatische Hydrolyse der Lignocellulose-Fraktionen und die simultane Fermentation der dabei entstehenden Zucker in einem Schritt. Des Weiteren wurde die Eignung der Hydrolysate für die Biomasseproduktion anderer Mikroorganismen wie Escherichia coli getestet.
Mannoheptulose is a seven-carbon sugar. It is an inhibitor of glucose-induced insulin secretion due to its ability to selectively inhibit the enzyme glucokinase. An improved procedure for mannoheptulose isolation from avocados is described in this study (based upon the original method by La Forge). The study focuses on the combination of biotransformation and downstream processing (preparative chromatography) as an efficient method to produce a pure extract of mannoheptulose. The experiments were divided into two major phases. In the first phase, several methods and parameters were compared to optimize the mannoheptulose extraction with respect to efficiency and purity. In the second phase, a mass balance of mannoheptulose over the whole extraction process was undertaken to estimate the yield and efficiency of the total extraction process. The combination of biotransformation and preparative chromatography allowed the production of a pure mannoheptulose extract. In a biological test, the sugar inhibited the glucokinase enzyme activity efficiently.
Im vom BMELV/FNR geförderten SynRg-Projekt wurde unter anderem Rapsschrot untersucht, um Polyphenole zu isolieren und aufzureinigen. Diese sollen anschließend als Basisbausteine für Polymere dienen und ihnen neuartige Eigenschaften verleihen. Derzeit wird an der Polyphenolextraktion gearbeitet, da bei organischen oder wässrigen Extraktionsprozessen überwiegend Sinapin, ein Cholinester der Sinapinsäure, vorliegt und dieses nicht für die Polymerbildung eingesetzt werden kann. Für die im Fokus stehende Sinapinsäure wird deshalb eine simultane Extraktion und enzymatische oder chemische Hydrolyse von Sinapin zu Sinapinsäure durchgeführt. Durch die Hydrolyse konnte die Sinapinsäureausbeute bereits um den Faktor 6,2 auf 15,8 mg g⁻¹ gegenüber einer reinwässrigen Extraktion gesteigert werden. Für die Aufreinigung des an Sinapinsäure reichen Extrakts erfolgt anschließend ein adsorptiver Aufarbeitungsschritt, bei dem Zeolithe zum Einsatz kommen. Mit diesem Material ist es möglich, die Sinapinsäure quantitativ zu adsorbieren und später mit 70 %igem Ethanol bei 60 °C zu desorbieren. Bei den Adsorbern handelt es sich um b-Zeolithe von der Süd-Chemie AG.
In diesem Beitrag geht es um die Integration von Stoffströmen einer Lignocellulose-Bioraffinerie in Verfahren zur Batterieherstellung. Pflanzliche Reststoffe aus der Biokraftstoffherstellung wie Lignin sollen zur Herstellung neuer Batteriematerialien verwendet werden. Hierbei wird das Lignin als Matrix für die vorgraphitischen C-haltigen Einlagerungsverbindungen in den Elektroden genutzt. Die Si-C-Komposite werden durch das Einbetten von Si in eine Ligninmatrix mit anschließender Carbonisierung hergestellt. Das Lignin hierfür wird durch die sequentielle hydrothermale Vorbehandlung von Buchenholz bei variablen Bedingungen gewonnen und mit Si-Nanopartikel sowie als Referenz ohne Si-Nanopartikel gefällt. Die Ergebnisse zeigen, dass die sequenzielle Vorbehandlung höhere Ausbeuten im Vergleich zum LHW- oder Organosolv-Aufschluss liefert. Um eine Anode herzustellen, wurde das resultierende Si–C-Kompositmaterial carbonisiert, auf einen Stromsammler aufgetragen und elektro-chemisch charakterisiert. Der Einfluss der Vorbehandlungsschritte auf den Herstellungsprozess und die ökonomische Bewertung des untersuchten Bioraffinerie-Prozesses wurde mithilfe eines Stoffstrommodells analysiert.
Aus hölzernen Cellulosen und Hemicellulosen können durch enzymatische Hydrolyse fermentierbare Zucker für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen gewonnen werden. Die bisherige Forschung fokussiert sich oft auf die Nutzung dieser Zucker zur Gewinnung von Ethanol. Daneben muss aber auch die stoffliche Nutzung zur Gewinnung von Grundchemikalien berücksichtigt werden. Eine solche Grundchemikalie ist Itakonsäure. Obwohl die biotechnologische Itaconsäureproduktion bereits eingehend untersucht und etabliert ist, gestaltet sie sich im Rahmen von Bioraffinerien der zweiten Generation als schwierig, da der überwiegend verwendete Produktionsorganismus gegen eine weite Bandbreite von Inhibitoren sensibel ist. Die Herstellung von Itaconsäure aus Buchenholzhydrolysaten wird im Rahmen der deutschen Lignocellulose-Bioraffinerie entwickelt. Die unbehandelten Hydrolysate ermöglichen weder das Wachstum von Aspergillus terreus noch die Bildung von Itaconsäure. Daher werden Möglichkeiten zur Konditionierung des Hydrolysates mit dem Ziel einer Itaconsäureproduktion mit hohen Ausbeuten und Konzentrationen vorgestellt.
The objective of this study is the establishment of a differential scanning calorimetry (DSC) based method for online analysis of the biodegradation of polymers in complex environments. Structural changes during biodegradation, such as an increase in brittleness or crystallinity, can be detected by carefully observing characteristic changes in DSC profiles. Until now, DSC profiles have not been used to draw quantitative conclusions about biodegradation. A new method is presented for quantifying the biodegradation using DSC data, whereby the results were validated using two reference methods.
The proposed method is applied to evaluate the biodegradation of three polymeric biomaterials: polyhydroxybutyrate (PHB), cellulose acetate (CA) and Organosolv lignin. The method is suitable for the precise quantification of the biodegradability of PHB. For CA and lignin, conclusions regarding their biodegradation can be drawn with lower resolutions. The proposed method is also able to quantify the biodegradation of blends or composite materials, which differentiates it from commonly used degradation detection methods.
A future bio-economy should not only be based on renewable raw materials but also in the raise of carbon yields of existing production routes. Microbial electrochemical technologies are gaining increased attention for this purpose. In this study, the electro-fermentative production of biobutanol with C. acetobutylicum without the use of exogenous mediators is investigated regarding the medium composition and the reactor design. It is shown that the use of an optimized synthetic culture medium allows higher product concentrations, increased biofilm formation, and higher conductivities compared to a synthetic medium supplemented with yeast extract. Moreover, the optimization of the reactor system results in a doubling of the maximum product concentrations for fermentation products. When a working electrode is polarized at −600 mV vs. Ag/AgCl, a shift from butyrate to acetone and butanol production is induced. This leads to an increased final solvent yield of Yᴀᴃᴇ = 0.202 gg⁻¹ (control 0.103 gg⁻¹), which is also reflected in a higher carbon efficiency of 37.6% compared to 23.3% (control) as well as a fourfold decrease in simplified E-factor to 0.43. The results are promising for further development of biobutanol production in bioelectrochemical systems in order to fulfil the principles of Green Chemistry.
Bacterial cell appendix formation supports cell-cell interaction, cell adhesion and cell movement. Additionally, in bioelectrochemical systems (BES), cell appendages have been shown to participate in extracellular electron transfer. In this work, the cell appendix formation of Clostridium acetobutylicum in biofilms of a BES are imaged and compared with conventional biofilms. Under all observed conditions, the cells possess filamentous appendages with a higher number and density in the BES. Differences in the amount of extracellular polymeric substance in the biofilms of the electrodes lead to the conclusion that the cathode can be used as electron donor and the anode as electron acceptor by C. acetobutylicum. When using conductive atomic force microscopy, a current response of about 15 nA is found for the cell appendages from the BES. This is the first report of conductivity for clostridial cell appendices and represents the basis for further studies on their role for biofilm formation and electron transfer.
Paracoccus denitrificans for the effluent recycling during continuous denitrification of liquid food
(2010)
Nitrate is an undesirable component of several foods. A typical case of contamination with high nitrate contents is whey concentrate, containing nitrate in concentrations up to 25 l. The microbiological removal of nitrate by Paracoccus denitrificans under formation of harmless nitrogen in combination with a cell retention reactor is described here. Focus lies on the resource-conserving design of a microbal denitrification process. Two methods are compared. The application of polyvinyl alcohol-immobilized cells, which can be applied several times in whey feed, is compared with the implementation of a two step denitrification system. First, the whey concentrate's nitrate is removed by ion exchange and subsequently the eluent regenerated by microorganisms under their retention by crossflow filtration. Nitrite and nitrate concentrations were determined by reflectometric color measurement with a commercially available Reflectoquant® device. Correction factors for these media had to be determined. During the pilot development, bioreactors from 4 to 250 mg·L-1 and crossflow units with membrane areas from 0.02 to 0.80 m2 were examined. Based on the results of the pilot plants, a scaling for the exemplary process of denitrifying 1,000 tons per day is discussed.