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The development of a cost-effective hydrolysis for crude cellulose is an essential part of biorefinery developments. To establish such high solid hydrolysis, a new solid state reactor with static mixing is used. However, concentrations >10% (w/w) cause a rate and yield reduction of enzymatic hydrolysis. By optimizing the synergetic activity of cellulolytic enzymes at solid concentrations of 9%, 17% and 23% (w/w) of crude Organosolv cellulose, glucose concentrations of 57, 113 and 152 g L⁻¹ are reached. However, the glucose yield decreases from 0.81 to 0.72gg⁻¹ at 17% (w/w). Optimal conditions for hydrolysis scale-up under minimal enzyme addition are identified. As result, at 23% (w/w) crude cellulose the glucose yield increases from 0.29 to 0.49gg⁻¹. As proof of its applicability, biobutanol, succinic and itaconic acid are produced with the crude hydrolysate. The potential of the substrate is proven e.g. by a high butanol yield of 0.33gg⁻¹.
Biotechnologie und die mit ihr verbundenen technischen Prozesse prägen seit Jahrtausenden die Entwicklung der Menschheit. Ausgehend von empirischen Verfahren, insbesondere zur Herstellung von Lebensmitteln und täglichen Gebrauchsgütern, haben sich diese Disziplinen zu einem der innovativsten Zukunftsfelder entwickelt. Durch das immer detailliertere Verständnis zellulärer Vorgänge können mittlerweile Produktionsstämme gezielt optimiert werden. Im Zusammenspiel mit moderner Prozesstechnik können so eine Vielzahl von Bulk- und Feinchemikalien sowie Pharmazeutika effizient hergestellt werden. In diesem Artikel werden exemplarisch einige der aktuellen Trends vorgestellt.
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.
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.
For several thousand years, biotechnology and its associated technical processes have had a great impact on the development of mankind. Based on empirical methods, in particular for the production of foodstuffs and daily commodities, these disciplines have become one of the most innovative future issues. Due to the increasing detailed understanding of cellular processes, production strains can now be optimized. In combination with modern bioprocesses, a variety of bulk and fine chemicals as well as pharmaceuticals can be produced efficiently. In this article, some of the current trends in biotechnology are discussed.
Bio-feedstocks
(2011)
In Anbetracht des zu erwartenden Rückgangs der Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe müssen nicht nur für den Energiesektor, sondern auch für die Herstellung industrieller Produkte alternative Rohstoffe gefunden werden. Ein Beispiel für einen nicht in Nahrungsmittelkonkurrenz stehenden nachwachsenden Rohstoff ist grüne Biomasse wie Gras und Klee. Diese lassen sich in Deutschland auf großen Flächen anbauen und enthalten eine Vielzahl potenzieller Substrate für Fermentationen.
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.
Gras hat ein hohes Potenzial als nachwachsender Rohstoff. Bei ungeeigneter Lagerung verderben Gräser allerdings innerhalb weniger Tage. Dieser Nachteil kann durch die Silierung des Grasschnittes behoben werden. Eines der wichtigsten in der Silage enthaltenen Produkte ist die Milchsäure. Um diese für weitere Aufarbeitungsschritte zugänglich zu machen, wird aus der Silage ein Presssaft hergestellt. Die Milchsäure wird aus einem Silagepresssaft mittels Extraktion durch ionische Flüssigkeiten isoliert. Dabei wird zum einen eine reine Milchsäure hergestellt, die z. B. für die Herstellung von Polymilchsäure genutzt werden kann. Zum anderen wird ein weniger aufgereinigter Extrakt gewonnen, der für die fermentative Produktion von L-Lysin und 1,2-Propandiol genutzt werden soll. Im Rahmen des Projekts erfolgt die gentechnische Optimierung von Corynebacterium glutamicum für die Umsetzung von Milchsäurezu L-Lysin. Die im nach der Pressung verbleibenden Presskuchen enthaltenen Grasfasern bestehen zu einem großen Teil aus Polysacchariden. Diese werden hydrolysiert und die dabei freigesetzten Zucker zu Grundchemikalien wie Ethanol oder Itakonsäure fermentiert. Im Rahmen einer vollständigen Nutzung der Silage wird das Raffinat aus der Milchsäureextraktion als Mediumsupplement in der Fermentation eingesetzt, was die Zugabe weiterer Medienbestandteile überflüssig macht. Die Rückstände der Hydrolysen und Fermentationen sollen darüberhinaus für die Herstellung von Biogas genutzt werden.
