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Die Hochgradientenmagnetseparation (HGMS) ist eine Methode zur Aufreinigung von biopharmazeutischen Produkten. Mit dieser Methode lässt sich in nur einem Schritt eine Fest/Fest/Flüssig-Trennung erzielen, was zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis im Downstreaming führt. Dennoch steht ihr industrieller Einsatz noch aus, was u. a. am Mangel an Analysenmethoden liegt, um die HGMS quantifizierbar zu machen. Gerade in der Pharmaproduktion werden Prozesse gebraucht, die gemäß den einschlägigen Vorschriften (cGMP) validiert und deren verfahrenstechnische Anlagenteile qualifiziert werden können. Die Schwierigkeit ist die Messung der magnetischen Mikrosorbentien in der Suspension, in der auch Zellen oder Zelltrümmer vorliegen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes im „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand“ des BMWi wurden verschiedene Analysenmethoden untersucht. Die Durchflusszytometrie ermöglicht eine Charakterisierung von Partikeln und eine simultane quantitative Messung. Durch die multiparametrige Messung kann zwischen Zellen, Zelltrümmern und Magnetpartikeln unterschieden werden. Die At-line-Einbindung des Durchflusszytometers ist durch den Einsatz einer externen Pumpe möglich. Über eine automatisierte Messwertanalyse kann der HGMS-Prozess mittels der Durchflusszytometrie gesteuert werden.
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.
In der Molkeverarbeitung dominieren Membranfiltrationsverfahren die Prozessführung. Hierbei werden üblicherweise Aufkonzentrierungen der Proteine und deren Trennung von dem Milchzucker Lactose durchgeführt. Der Prozess der adsorptiven Aufreinigung soll als kostengünstige Alternative zu den bisher gebräuchlichen Verfahren dienen. Weiterhin eröffnet sich durch das Verfahren die Möglichkeit, einzelne Proteinfraktionen während der Verarbeitung anzureichern. Als Proteinquellen wurden für die Untersuchungen Modellproteine, Lösungen aus Molkenproteinisolat, Dünnmolke und Molkekonzentrat verwendet. Die Eignung zur Proteinbindung wurden an Tonmaterialien, Silicaten und y-Aluminiumoxiden in Pulverform, in Form von Granulaten sowie Extrudaten als auch sphärischen Partikeln überprüft. Adsorbentien aus Bentonit/Silica und c-Aluminiumoxid können sowohl a-Lactalbumin (aLA) als auch b-Lactoglobulin (bLG) binden, wohingegen Materialien aus Siliciumoxid lediglich ein starkes Adsorptionsverhalten gegenüber bLG zeigen. Mischmaterialien aus Siliciumoxid und a-Aluminiumoxid zeigen dasselbe Verhalten wie Materialien aus Siliciumoxid, weisen jedoch eine geringere Kapazität auf. Die Materialen wurden hinsichtlich ihres Einsatzes in chromatographischen Verfahren und Batch-Prozessen untersucht und ein Prozessentwurf für einen zweistufigen Batch-Prozess im Rührkessel erarbeitet.
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.
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.
In den letzten Jahren haben nachhaltige, biotechnologische Prozesse zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation (ABE-Fermentation) mit dem anaeroben Bakterium Clostridium acetobutylicum zur Gewinnung von Biobutanol könnte in diesem Zusammenhang eine Möglichkeit der nachhaltigen Kraftstoffproduktion darstellen. In dieser Arbeit wird der Einfluss zusätzlich verfügbarer Elektronen durch den Einsatz des Phenazin-Farbstoffs Neutralrot als Redoxmediator sowie das Anlegen eines elektrischen Potenzials während der ABE-Fermentation untersucht. Es wird gezeigt, dass das Neutralrot keinen Einfluss auf die Leerlaufspannung von ca. 500 mV vs. Ag/AgCl während der Fermentation hat. Der Mediator bewirkt allerdings eine frühere Butanolbildung sowie höhere Butanolkonzentrationen. Wird zudem die Mediatorkonzentration von 125 mM auf 250 mM angehoben, wird dabei auch die maximale Butanolkonzentration um 36 % ± 1,8 % innerhalb von28 Stunden gesteigert.
Gräser sind in der Lage, einen großen Teil der für eine biobasierte Wirtschaft benötigten Biomasse zur Verfügung zu stellen. Wie bei anderen lignocellulosehaltigen nachwachsenden Rohstoffen erfordert die Verwertung der im Gras enthaltenen Polysaccharide einen mehrstufigen Prozess aus Vorbehandlung, Hydrolyse und Fermentation. In Gräsern ist die Hemicellulose mitP henolcarbonsäuren wie Ferula- und p-Coumarsäure verestert, die die enzymatische Hydrolyse der Cellulose und Hemicellulose ebenso effektiv behindern wie Lignin. Anders als bei holzigen Rohstoffen ermöglicht dieser Aufbau aber eine enzymatische Vorbehandlung, mit der die Phenolcarbonsäuren abgespalten werden können. Da die bei der Vorbehandlung eingesetzten Enzyme in ihrer natürlichen Funktion synergistisch mit cellulytischen Enzymen zusammenarbeiten, besitzen sie ähnliche Optima wie die für die Hydrolyse der Polysaccharide eingesetzten Cellulasen und Hemicellulasen. Diese Eigenschaft ermöglicht die Integration von Vorbehandlung und Hydrolyse in einem einzigen Verfahrensschritt. Durch die Einführung der enzymatischen Vorbehandlung konnte das in der Literatur bekannte SSF-Verfahren für die Herstellung von Ethanol aus Gräsern um die Vorbehandlungsstufe erweitert werden. Das so realisierte simultaneous pretreatment, saccharification and fermentation (SPSF)-Verfahren stellt eine vollständige Integration der drei für die Nutzung von Lignocellulose nötigen Verfahrensschritte in der grünen Bioraffinerie dar.
Grasschnitt hat in Deutschland ein beträchtliches Potenzial als nachwachsender Rohstoff. Da frischer Grasschnitt nur in den Sommermonaten zur Verfügung steht und Gras bei der Lagerung verrottet, wird er unter anderem durch Silierung konserviert. Während der Silierung wird ein Teil der wasserlöslichen Kohlenhydrate unter anaeroben Bedingungen zu Milchsäure fermentiert. Die Kombination aus Luftabschluss und Ansäuerung bewirkt die Konservierung der Silage. Silage als weit verbreitetes landwirtschaftliches Erzeugnis ist somit ein potentieller, in großen Mengen verfügbarer Lieferant für eine Vielzahl von Substraten für mikrobielle Fermentationen. Diese können entweder durch die Hydrolyse der in den Pflanzen enthaltenen Cellulosen und Hemicellulosen oder durch die Verwendung eines Silagepresssaftes nutzbar gemacht werden. Die zu entwickelnden Prozesse sollen die verbleibenden Kohlenhydrate, inklusive der Cellulose und Hemicellulose, sowie die Milchsäure nutzen. Die in der Silage enthaltenen Zucker sollen zu Ethanol, Itakonsäure und Bernsteinsäure und die Milchsäure zu 1,2-Propandiol umgesetzt werden. Anfallende Reststoffe wie Hydrolyserückstände, Presskuchen und Fermentationsrückstände sollen bei allen zu etablierenden Prozessen entweder als Viehfutter verwendet oder der Biogasproduktion zugeführt werden können, wodurch eine vollständige stoffliche und energetische Nutzung der Silage erreicht wird.
Die stoffliche Nutzung von Lignin aus Bioraffinerien ist ein wichtiger Bestandteil für den Wertschöpfungsprozess von nachwachsenden, pflanzlichen Rohstoffen. Lignin zählt zu den wenigen erneuerbaren Quellen für phenolische Bestandteile, wird aber derzeit meist nur thermisch verwertet. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Funktionalisierung von Lignin zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften. Als funktionelle Gruppe wird die aromatische Aminosäure L-DOPA verwendet, die charakteristisch für die Adhäsionskraft von Muscheln ist. Lignin ist ein geeignetes Stützgerüst, da es ein Polymer ist, das durch enzymkatalysierte Polymerisation gebildet wird. Essenziell für die Entwicklung ist ein besseres Verständnis über die Bildung von Lignin-Polymeren und deren verschiedene Eigenschaften. Um die Einflussfaktoren auf Kettenlänge und Polymerisationseffizienz zu untersuchen, werden zurzeit sowohl Ligninmodellkomponenten (LMK) als auch gelöstes Organosolv-Lignin verwendet. Laufende Untersuchungen werden zeigen, ob sich die enzymatische Polymerisationsreaktion auf ein gelöstes Ligninpolymer aus einem Organosolv-Aufschluss übertragen lässt.
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.
Gräser sind in der Lage, einen großen Teil der für eine biobasierte Wirtschaft benötigten Biomasse zur Verfügung zustellen. Um eine ganzjährige Nutzung des Grases zu gewährleisten, muss eine stabile Lagerung des Grases erreicht werden, was z. B. durch Silieren möglich ist. Die konservierende Wirkung der Silierung beruht auf der Bildung organischer Säuren. Um diese zu gewinnen, wird die Silage gepresst, die organischen Säuren über Flüssig/Flüssig-Extraktion aus dem Presssaft abgetrenntund mittels chromatographischer Methoden weiter aufgereinigt. Im präsentierten Konzept werden die im Presskuchen enthaltenen Lignocellulosen hydrolysiert und die erhaltenen Monosaccharide zu Ethanol fermentiert. Die Phenolsäuren, die in Gräsern die Rolle des Lignins übernehmen, können simultan mit der Hydrolyse der Polysaccharide enzymatisch abgetrennt und als Nebenprodukt gewonnen werden. Die nach der Abtrennung des Ethanols verbleibenden Fermentationsreststoffe werden für die Herstellung von Biogas verwendet.
Die selektive Isolierung von Cephalosporin C (CPC) aus komplexen Fermentationssuspensionen unter Einsatz magnetischer Separation ist das Ziel dieser Arbeit. Das Verfahren wird im frühen Stadium der Aufarbeitung genutzt, um CPC zu stabilisieren und somit die Produktausbeute zu erhöhen. Als Adsorbersysteme für CPC wurden neben einem projektinternen magnetischen Material ND 10322, dessen Oberflächenladungen spezifisch für die Bindung des Zielmoleküls synthetisiert wurden, verschiedene kommerzielle Partikelsysteme verglichen. Es konnten massenspezifische Maximalbeladungen von 51 mg g⁻¹ erreicht werden. Weiterhin wurde die Stabilität von CPC untersucht. Unter optimalen Adsorptionsbedingungen kann CPC stabilisiert werden, so dass die Geschwindigkeitskonstante der Degradation des b-Lactam-Rings unter diesen Bedingungen unter 0,005 h⁻¹ liegt. Untersuchungen zur Wiederverwertbarkeit der neuen Adsorbers zeigten eine irreversible Bindung geringer CPC-Mengen nach dem ersten Einsatz. Nach zwölf Zyklen tritt eine irreversible Bindung von CPC ein, was zu einer signifikanten Reduktion der Adsorptionsfähigkeit führt. Die Anhäufung des CPC auf dem Adsorber konnte durch IR-Untersuchungen auf die Bildung einer Peptidbindung zwischen Carboxylgruppen des CPC und Aminogruppe der Adsorberoberfläche zurückgeführt werden.
Das strikt anaerobe Bakterium Clostridium acetobutylicum bildet die Lösemittel Aceton, Butanol und Ethanol (ABE-Fermentation). Im Fall einer Eisenlimitierung kommt es zusätzlich zu einer Riboflavinsekretion (RF), was durch die gelbe Färbung des Kulturüberstands erkennbar ist. In dieser Arbeit wurde beobachtet, dass während Elektrofermentationen mit C. acetobutylicum bei –600 mV eine gelbe Färbung auftritt. Es wurde deshalb untersucht, ob eine Eisenlimitierung im bio-elektrochemischen System (BES) vorliegt. Hierzu wurden die Flavinspezien bei Kultivierungen in Medien mit einer Eisenlimitierung bzw. mit ausreichend Eisen in Serumflaschen sowie im BES mit und ohne angelegtem Potenzial verglichen. In den Serumflaschenversuchen wurden RF und Flavinadenindinukleotid (FAD)-Konzentrationen von ‡ 20 mg L⁻¹ sowie Flavinmononukleotid (FMN)-Konzentrationen von ca. 5 mg L⁻¹ detektiert. Bei ausreichender Eisenverfügbarkeit hingegen wurden in den Serumflaschen fast keine Flavine sekretiert. Im BES bei –600 mV hingegen wurde auch in diesen Kulturüberständen FMN und FAD (1–5 mg L⁻¹ ),jedoch kein RF gemessen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Flavinbildung im BES mit angelegtem Potenzial nicht mit der Flavinbildung unter Eisenlimitierung in Serumflaschen korreliert. Andere Faktoren für eine mögliche Flavinbildung werden aktuell näher betrachtet.
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.
Durch den Einsatz magnetisierbarer Partikel lassen sich Stoffwechselprodukte direkt und selektiv aus feststoffreichen Fermentationssuspensionen abtrennen. Im Gegensatz zu klassischen Adsorbermaterialien können magnetisierbare Partikel mit sehr geringen Durchmessern verwendet werden. Zur deren Abtrennung ist jedoch ein hoher Magnetfeldgradient notwendig. Dieser wird in der Regel durch in der Trennkammer bzw. dem Magnetfeld eingebrachte magnetisierbare Drähte realisiert. Bei der Auslegung der Drahtgitter ist ein Kompromiss zwischen Abtrennrate und Durchlässigkeit nötig. Die Ausrichtung der Drähte in Relation zum Magnetfeld, deren Abstand sowie die geometrische Anordnung können hierbei variiert werden. Zum Verständnis der Einflüsse auf das sich ausbildende Magnetfeld und die Fluiddynamik wurden Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt und experimentell überprüft. Hierfür wurden die Drähte unter Variation von Anzahl, Richtung und Anordnung in den Hochgradient-Magnetseparator eingebracht. Erste Verifizierungen der Simulationen zeigen, dass die in Magnetfeldrichtung ausgerichteten Drähte (x-Achse) über die geringste Partikelrückhaltefähigkeit verfügen. Die Drähte der y- und z-Achse halten den größten Anteil der Magnetpartikel zurück, wobei die Drähte in y-Richtung den höchsten Feldgradienten ausbilden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass eine rhomboedrische Drahtanordnung der kubischen vorzuziehen ist.
In order to efficiently convert lignocellulose, it is often necessary to conduct a pretreatment. The biomass considered in this study typically comprises of agricultural and horticultural residues, as well as beechwood. A very environmentally friendly method, namely, fungal pretreatment using white-rot fungi, leads to an enhanced enzymatic hydrolysis. In contrast to other processes presented, the energy input is extremely low. However, the fungal growth on the lignocellulosic substrates takes several weeks at least in order to be effective. Thus, the reduction of chemicals and energy for thermal processing is a target of our current research. Liquid hot water (LHW) and solvent-based pretreatment (OrganoSolv) require more complex equipment, as they depend on high temperatures (160 – 180 °C) and enhanced pressure (up to 20 bar). However, they prove to be promising processes in regard to the fractioning of lignocellulose. For optimal lignin recovery the parameters differ from those established in cellulose extraction. A novel screening system scaled down to a reaction volume of 100 mL has been developed and successfully tested for this purpose.
Aufgrund von EU-Regularien und Umweltinitiativen wächst der Markt für nachhaltige und abbaubare Klebstoffe stetig. Organosolv (OS)-Lignin ist ein kommerziell wenig ertragreicher Nebenstrom der Lignocellulose-Bioraffinerie. Durch das "Nachahmen" der Adhäsionseigenschaften mit strukturverwandten Muschel-Aminosäuren soll OS-Lignin in einen starkes, vollständig biobasiertes Adhäsiv umgewandelt werden. Funktionsweisend für die Adhäsion des Muschelklebstoffes ist die Catecholgruppe der Aminosäure L-DOPA. Die laccase-katalysierte Polymerisationsreaktion von Lignin und L-DOPA ist schwierig zu kontrollieren, da L-DOPA eine Ringschlussreaktion eingeht. Stattdessen wurde eine zweistufige Reaktion mit einem Diamin als Ankermolekül etabliert. Die Catecholgruppe, die im zweiten Schritt enzymatisch an das Lignin-Amin gebunden wird, kann durch Komplexbildung mit Fe(III)-Ionen sowohl zur Adhäsion als auch zur Kohäsion des Klebstoffes beitragen. Der Lignin-Catechol-Klebstoff ist frei von petrochemischen Chemikalien und biologisch abbaubar. In ersten Stirnzugversuchen konnte eine Haftkraft von 0,3 MPa erreicht werden.
In most beers, producers strive to minimize haze to maximize visual appeal. To detect the formation of particulates, a measurement system for sub-micron particles is required. Beer haze is naturally occurring, composed of protein or polyphenol particles; in their early stage of growth their size is smaller than 2 µm. Microscopy analysis is time and resource intensive; alternatively, backscattering is an inexpensive option for detecting particle sizes of interest.
Mit Palmöl beladene Bleicherde wurde auf die Anwendbarkeit als Rohstoff zur Bildung von Aceton, Ethanol und Butanol (ABE) untersucht. Nach der Abtrennung des entfärbten bzw. gebleichten Öls bestehen 20–40 % (w/w) des Bleicherderückstands aus adsorbiertem Öl. Somit stellt das Mineral einen wertvollen Rohstoff dar. Zur Produktion der Lösungsmittel wurde das gebundene Öl hydrolysiert. Das freigesetzte Glycerin diente als Substrat einer nachfolgenden anaeroben Fermentation zu den ABE-Lösungsmitteln. Die Fermentationen wurden mit verschiedenen Clostridien-Stämmen durchgeführt, von denen einige lipolytische Aktivität aufweisen. Der Ölgehalt der Bleicherde betrug 28 % der Adsorbermasse. Für die Hydrolyse wurden drei Ansätze untersucht:
1. die direkte Fermentation des Adsorbers mit lipolytisch aktiven Clostridien,
2. der Einsatz von Lipasen und die Fermentation des resultierenden Überstands und
3. die Kofermentation mit einer lipolytisch aktiven Hefe.
Jeder der drei Ansätze führte zu einerHydrolyse des Öls und Wachstum der Mikroorganismen. Der Einsatz von Lipasen resultierte in einer vollständigen und der schnellsten Hydrolyse des Öls. Eine Glycerinkonzentration von 13,4 g/L konnte erreicht werden. Die anaerobe Fermentation der verschiedenen Clostridien auf Minimalmedien verlief erfolgreich. Der Vergleich der Fermentationen der Bleicherdehydrolysate zeigte, dass das Hydrolysat wachstumsinhibierende Substanzen enthält. Unter diesen Bedingungen konnte eine Ausbeute von Y P/S = 0,11 erzielt werden. Der Einsatz eines Ionenaustauschers zur Reinigung des Hydrolysats vor der Fermentation resultierte in einer Verbesserung des Wachstums
Electromicrobial engineering is an emerging, highly interdisciplinary research area linking bioprocesses with electrochemistry. In this work, microbial electrosynthesis (MES) of biobutanol is carried out during acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentations with Clostridium acetobutylicum. A constant electric potential of −600mV (vs. Ag/AgCl) with simultaneous addition of the soluble redox mediator neutral red is used in order to study the electron transfer between the working electrode and the bacterial cells. The results show an earlier initiation of solvent production for all fermentations with applied potential compared to the conventional ABE fermentation. The f inal butanol concentration can be more than doubled by the application of a negative potential combined with addition of neutral red. Moreover a higher biofilm formation on the working electrode compared to control cultivations has been observed. In contrast to previous studies, our results also indicate that direct electron transfer (DET) might be possible with C. acetobutylicum. The presented results make microbial butanol production economically attractive and therefore support the development of sustainable production processes in the chemical industry aspired by the “Centre for resource-efficient chemistry and raw material change” as well as the the project “NanoKat” working on nanostructured catalysts in Kaiserslautern.
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.
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.
Magnetisierbare Partikel als Träger von Katalysatoren können durch Anlegen eines magnetisches Feldes einfach und schnell abgetrennt werden. Die Wiedergewinnung von wertvollen Enzymen unter geringem Energie- und Materialeinsatz der magnetischen Abtrennung eröffnet einen Wettbewerbsvorteil für Produktionsprozesse. Die Abtrennung von magnetisierbaren Partikeln vom Überstand wird üblicherweise entweder durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds und der resultierenden Ablagerung der Partikel an den Reaktorwänden oder durch Hochgradientenmagnetseparation (HGMS)durchgeführt. Beide Verfahren resultieren meist in der Bildung eines Filterkuchens aus Magnetpartikeln und den Feststoffen des Reaktionsmediums. Das magnetische horizontale Wirbelbett ermöglicht simultan eine kontinuierliche Reaktionsführung und die Rückhaltung der Partikel im Durchfluss. Die Partikelsuspension fließt durch einen Rohrreaktor, der in einem Magnetfeld mit wechselnden Feldgradienten eingebracht ist. Die Änderung des Magnetfeldgradienten erfolgt entgegen der Strömungsrichtung der Reaktionslösung. Durch alternierende Feldmaxima an den beiden Seiten des Reaktors werden die magnetisierbaren Partikel zu dessen Wänden gezogen. Bei Umkehrung des Feldes wandern die Partikel an die gegenüberliegende Reaktorwand. Durch Wahl einer geeigneten Wechselfrequenz kann eine kontinuierliche Durchmischung und Rückhaltung der Mikropartikel im durchströmten Rohr erreicht werden. Somit können Immobilisierungsreaktionen und Biotransformationen mit den Partikelsystemen im Durchfluss durchgeführt werden.
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 Lösungsmittelherstellung durch Clostridien konnte wirtschaftlich nicht mit der chemischen Synthese von Lösungsmitteln auf Erdölbasis konkurrieren und wurde in den frühen 1960er Jahren nahezu vollständig eingestellt. Das Interesse an nachwachsenden Rohstoffen hat in den letzten Jahren zu einem Wiederaufleben der ABE-Fermentation geführt. Aufgrund seiner höheren Energiedichte im Vergleich zu Ethanol ist Biobutanol als Energieträgerbesonders interessant und bietet sich z. B. als Produkt einer Bioraffinerie der 2. Generation an. Für die beschriebenen Experimente wird durch das Organosolv-Verfahren aufgeschlossenes Buchenholz verwendet. Der Faserstoff wird mithilfe von CTec2-Enzymen hydrolysiert, wobei der erhaltene Überstand eine Glucosekonzentration von 66 g L⁻¹ aufweist. Auf der Basis dieses Materials können mit Clostridium acetobutylicum Butanol-Ausbeuten erzielt werden, die mit denen unter Verwendung von reinen Zuckern vergleichbar sind. Dem Problem der hohen Produktinhibierung wird mit einer In-situ-Produktaufarbeitung begegnet. Mithilfe von Lösungsmittelimprägnierten Partikeln (SIPs) kann die Produktausbeute drastisch gesteigert werden, indem die gebildeten Lösungsmittel durch das auf dem Partikel imprägnierte Lösungsmittel während der Fermentation extrahiert werden. Zudem wird hierdurch die weitere Produktaufarbeitungstark vereinfacht.
Hydrogen is playing an increasingly important role in research and politics as an energy carrier of the future. Since hydrogen has commonly been produced from methane by steam reforming, the need for climate-friendly, alternative production routes is emerging. In addition to electrolysis, fermentative routes for the production of so-called biohydrogen are "green" alternatives. The application of microorganisms offers the advantage of sustainable production from renewable resources using easily manageable technologies. In this project, the hyperthermophilic, anaerobic microorganism Thermotoga neapolitana is used for the productio nof biohydrogen from renewable resources. The enzymatically hydrolyzed resources were used in fermentation leading to yield coefficients of 1.8 mole H₂ per mole glucose when using hydrolyzed straw and ryegrass supplemented with medium, respectively. These results are similar to the hydrogen yields when using Thermotoga basal medium with glucose (TBGY) as control group. In order to minimize the supplementation of the hydrolysate and thus increase the economic efficiency of the process, the essential media components were identified. The experiments revealed NaCl, KCl, and glucose as essential components for cell growth as well as biohydrogen production. When excluding NaCl, a decrease of 96% in hydrogen production occured.
The emerging environmental issues due to the use of fossil resources are encouraging the exploration of new renewable resources. Biomasses are attracting more interest due to the low environmental impacts, low costs, and high availability on earth. In this scenario, green biorefineries are a promising platform in which green biomasses are used as feedstock. Grasses are mainly composed of cellulose and hemicellulose, and lignin is available in a small amount. In this work, a perennial ryegrass was used as feedstock to develop a green bio-refinery platform. Firstly, the grass was mechanically pretreated, thus obtaining a press juice and a press cake fraction. The press juice has high nutritional values and can be employed as part of fermentation media. The press cake can be employed as a substrate either in enzymatic hydrolysis or in solid-state fermentation. The overall aim of this work was to demonstrate different applications of both the liquid and the solid fractions. For this purpose, the filamentous fungus A. niger and the yeast Y. lipolythica were selected for their ability to produce citric acid. Finally, the possibility was assessed to use the press juice as part of fermentation media to cultivate S. cerevisiae and lactic acid bacteria for ethanol and lactic acid fermentation.
Lolium perenne (perennial ryegrass) is aproductive and high-quality forage grass indigenous to Southern Europe, temperate Asia, and North Africa. Nowadays it is widespread and the dominant grass species on green areas in temperate climates. This abundant source of biomass is suitable for the development of bioeconomic processes because of its high cellulose and water-soluble carbohydrate content. In this work, novel breeds of the perennial ryegrass are being examined with regards to their quality parameters and biotechnological utilization options within the context of bioeconomy. Three processing operations are presented. In the first process, the perennial ryegrass is pretreated by pressing or hydrothermal extraction to derive glucosevia subsequent enzymatic hydrolysis of cellulose. A yield of up to 82 % glucose was achieved when using the hydrothermal ex-traction as pretreatment. In a second process, the ryegrass is used to produce lactic acid in high concentrations. The influence of the growth conditions and the cutting time on the carboxylic acid yield is investigated. A yield of lactic acid of above 150 g kg⁻¹ dry matter was achieved. The third process is to use Lolium perenne as a substrate in the fermentation of K. marxianus for the microbial production of single-cell proteins. The perennial ryegrass is screw-pressed and the press juice is used as medium. When supplementing the press juice with yeast media components, a biomass concentration of up to 16 g L⁻¹ could be achieved.
A method for the integrated extraction and separation of fatty acids from algae using supercritical CO2 is presented. Desmodesmus obliquus and Chlorella sorokiniana were used as algae. First, a method for chromatographic separation of fatty acids of different degrees of saturation was established and optimized. Then, an integrated method for supercritical extraction was developed for both algal species. It was also verified whether prior cell disruption was beneficial for extraction. In developing the method for chromatographic separation, statistical experimental design was used to determine the optimal parameter settings. The methanol content in the mobile phase proved to be the most important parameter for successful separation of the three unsaturated fatty acids oleic acid, linoleic acid, and linolenic acid. Supercritical extraction with dried algae showed that about four times more fatty acids can be extracted from C. sorokiniana relative to the dry mass used.
The concept of energy conversion into platform chemicals using bioelectrochemical systems (BES) has gained increasing attention in recent years, as the technology simultaneously provides an opportunity for sustainable chemical production and tackles the challenge of Power-to-X technologies. There are many approaches to realize the industrial scale of BES. One concept is to equip standard bioreactors with static electrodes. However, large installations resulted in a negative influence on various reactor parameters. In this study, we present a new single-chamber BES based on a stirred tank reactor in which the stirrer was replaced by a carbon fiber brush, performing the functions of the working electrode and the stirrer. The reactor is characterized in abiotic studies and electro-fermentations with Clostridium acetobutylicum. Compared to standard reactors an increase in butanol production of 20.14±3.66 % shows that the new BES can be efficiently used for bioelectrochemical processes.
New insights into the influence of pre-culture on robust solvent production of C. acetobutylicum
(2024)
Clostridia are known for their solvent production, especially the production of butanol. Concerning the projected depletion of fossil fuels, this is of great interest. The cultivation of clostridia is known to be challenging, and it is difficult to achieve reproducible results and robust processes. However, existing publications usually concentrate on the cultivation conditions of the main culture. In this paper, the influence of cryo-conservation and pre-culture on growth and solvent production in the resulting main cultivation are examined. A protocol was developed that leads to reproducible cultivations of Clostridium acetobutylicum. Detailed investigation of the cell conservation in cryo-cultures ensured reliable cell growth in the pre-culture. Moreover, a reason for the acid crash in the main culture was found, based on the cultivation conditions of the pre-culture. The critical parameter to avoid the acid crash and accomplish the shift to the solventogenesis of clostridia is the metabolic phase in which the cells of the pre-culture were at the time of inoculation of the main culture; this depends on the cultivation time of the pre-culture. Using cells from the exponential growth phase to inoculate the main culture leads to an acid crash. To achieve the solventogenic phase with butanol production, the inoculum should consist of older cells which are in the stationary growth phase. Considering these parameters, which affect the entire cultivation process, reproducible results and reliable solvent production are ensured.
Drought and water shortage are serious problems in many arid and semi-arid regions. This problem is getting worse and even continues in temperate climatic regions due to climate change. To address this problem, the use of biodegradable hydrogels is increasingly important for the application as water-retaining additives in soil. Furthermore, efficient (micro-)nutrient supply can be provided by the use of tailored hydrogels. Biodegradable polyaspartic acid (PASP) hydrogels with different available (1,6-hexamethylene diamine (HMD) and L-lysine (LYS)) and newly developed crosslinkers based on diesters of glycine (GLY) and (di-)ethylene glycol (DEG and EG, respectively) were synthesized and characterized using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM) and regarding their swelling properties (kinetic, absorbency under load (AUL)) as well as biodegradability of PASP hydrogel. Copper (II) and zinc (II), respectively, were loaded as micronutrients in two different approaches: in situ with crosslinking and subsequent loading of prepared hydrogels. The results showed successful syntheses of di-glycine-ester-based crosslinkers. Hydrogels with good water-absorbing properties were formed. Moreover, the developed crosslinking agents in combination with the specific reaction conditions resulted in higher water absorbency with increased crosslinker content used in synthesis (10% vs. 20%). The prepared hydrogels are candidates for water-storing soil additives due to the biodegradability of PASP, which is shown in an exemple. The incorporation of Cu(II) and Zn(II) ions can provide these micronutrients for plant growth.
Throughout the last decade, and particularly in 2022, water scarcity has become a critical concern in Morocco and other Mediterranean countries. The lack of rainfall during spring was worsened by a succession of heat waves during the summer. To address this drought, innovative solutions, including the use of new technologies such as hydrogels, will be essential to transform agriculture. This paper presents the findings of a study that evaluated the impact of hydrogel application on onion (Allium cepa) cultivation in Meknes, Morocco. The treatments investigated in this study comprised two different types of hydrogel-based soil additives (Arbovit® polyacrylate and Huminsorb® polyacrylate), applied at two rates (30 and 20 kg/ha), and irrigated at two levels of water supply (100% and 50% of daily crop evapotranspiration; ETc). Two control treatments were included, without hydrogel application and with both water amounts. The experiment was conducted in an open field using a completely randomized design. The results indicated a significant impact of both hydrogel-type dose and water dose on onion plant growth, as evidenced by various vegetation parameters. Among the hydrogels tested, Huminsorb® Polyacrylate produced the most favorable outcomes, with treatment T9 (100%, HP, 30 kg/ha) yielding 70.55 t/ha; this represented an increase of 11 t/ha as compared to the 100% ETc treatment without hydrogel application. Moreover, the combination of hydrogel application with 50% ETc water stress showed promising results, with treatment T4 (HP, 30 kg, 50%) producing almost the same yield as the 100% ETc treatment without hydrogel while saving 208 mm of water.
This book is based on a multimedia course for biological and chemical engineers, which is designed to trigger students' curiosity and initiative. A solid basic knowledge of thermodynamics and kinetics is necessary for understanding many technical, chemical, and biological processes.
The one-semester basic lecture course was divided into 12 workshops (chapters). Each chapter covers a practically relevant area of physical chemistry and contains the following didactic elements that make this book particularly exciting and understandable:
- Links to Videos at the start of each chapter as preparation for the workshop
- Key terms (in bold) for further research of your own
- Comprehension questions and calculation exercises with solutions as learning checks
- Key illustrations as simple, easy-to-replicate blackboard pictures
Humorous cartoons for each workshop (by Faelis) additionally lighten up the text and facilitate the learning process as a mnemonic. To round out the book, the appendix includes a summary of the most popular experiments in basic physical chemistry courses, as well as suggestions for designing workshops with exhibits, experiments, and "questions of the day."
Suitable for students minoring in chemistry; chemistry majors are sure to find this slimmed-down, didactically valuable book helpful as well. The book is excellent for self-study.
Experimental determination of the cross sections of proton capture on radioactive nuclei is extremely difficult. Therefore, it is of substantial interest for the understanding of the production of the p-nuclei. For the first time, a direct measurement of proton-capture cross sections on stored, radioactive ions became possible in an energy range of interest for nuclear astrophysics. The experiment was performed at the Experimental Storage Ring (ESR) at GSI by making use of a sensitive method to measure (p,γ) and (p,n) reactions in inverse kinematics. These reaction channels are of high relevance for the nucleosyn-thesis processes in supernovae, which are among the most violent explosions in the universe and are not yet well understood. The cross section of the ¹¹⁸Te(p,γ) reaction has been measured at energies of 6 MeV/u and 7 MeV/u. The heavy ions interacted with a hydrogen gas jet target. The radiative recombination process of the fully stripped ¹¹⁸Te ions and electrons from the hydrogen target was used as a luminosity monitor. An overview of the experimental method and preliminary results from the ongoing analysis will be presented.
Preprint: Studies on the enzymatic reduction of levulinic acid using Chiralidon-R and Chiralidon-S
(2023)
The enzymatic reduction of levulinic acid by the chiral catalysts Chiralidon-R and Chiralidon-S which are commercially available superabsorbed alcohol dehydrogenases is described. The Chiralidon®-R/S reduces the levulinic acid to the (R,S)-4-hydroxy valeric acid and the (R)- or (S)- gamma-valerolactone.
The feasibility of light-addressed detection and manipulation of pH gradients inside an electrochemical microfluidic cell was studied. Local pH changes, induced by a light-addressable electrode (LAE), were detected using a light-addressable potentiometric sensor (LAPS) with different measurement modes representing an actuator-sensor system. Biosensor functionality was examined depending on locally induced pH gradients with the help of the model enzyme penicillinase, which had been immobilized in the microfluidic channel. The surface morphology of the LAE and enzyme-functionalized LAPS was studied by scanning electron microscopy. Furthermore, the penicillin sensitivity of the LAPS inside the microfluidic channel was determined with regard to the analyte’s pH influence on the enzymatic reaction rate. In a final experiment, the LAE-controlled pH inhibition of the enzyme activity was monitored by the LAPS.
Utilizing an appropriate enzyme immobilization strategy is crucial for designing enzyme-based biosensors. Plant virus-like particles represent ideal nanoscaffolds for an extremely dense and precise immobilization of enzymes, due to their regular shape, high surface-to-volume ratio and high density of surface binding sites. In the present work, tobacco mosaic virus (TMV) particles were applied for the co-immobilization of penicillinase and urease onto the gate surface of a field-effect electrolyte-insulator-semiconductor capacitor (EISCAP) with a p-Si-SiO₂-Ta₂O₅ layer structure for the sequential detection of penicillin and urea. The TMV-assisted bi-enzyme EISCAP biosensor exhibited a high urea and penicillin sensitivity of 54 and 85 mV/dec, respectively, in the concentration range of 0.1–3 mM. For comparison, the characteristics of single-enzyme EISCAP biosensors modified with TMV particles immobilized with either penicillinase or urease were also investigated. The surface morphology of the TMV-modified Ta₂O₅-gate was analyzed by scanning electron microscopy. Additionally, the bi-enzyme EISCAP was applied to mimic an XOR (Exclusive OR) enzyme logic gate.
Bacterial cellulose (BC) is a biopolymer produced by different microorganisms, but in biotechnological practice, Komagataeibacter xylinus is used. The micro- and nanofibrillar structure of BC, which forms many different-sized pores, creates prerequisites for the introduction of other polymers into it, including those synthesized by other microorganisms. The study aims to develop a cocultivation system of BC and prebiotic producers to obtain BC-based composite material with prebiotic activity. In this study, pullulan (PUL) was found to stimulate the growth of the probiotic strain Lactobacillus rhamnosus GG better than the other microbial polysaccharides gellan and xanthan. BC/PUL biocomposite with prebiotic properties was obtained by cocultivation of Komagataeibacter xylinus and Aureobasidium pullulans, BC and PUL producers respectively, on molasses medium. The inclusion of PUL in BC is proved gravimetrically by scanning electron microscopy and by Fourier transformed infrared spectroscopy. Cocultivation demonstrated a composite effect on the aggregation and binding of BC fibers, which led to a significant improvement in mechanical properties. The developed approach for “grafting” of prebiotic activity on BC allows preparation of environmentally friendly composites of better quality.
We present a concise mini overview on the approaches to the disposal of nuclear waste currently used or deployed. The disposal of nuclear waste is the end point of nuclear waste management (NWM) activities and is the emplacement of waste in an appropriate facility without the intention to retrieve it. The IAEA has developed an internationally accepted classification scheme based on the end points of NWM, which is used as guidance. Retention times needed for safe isolation of waste radionuclides are estimated based on the radiotoxicity of nuclear waste. Disposal facilities usually rely on a multi-barrier defence system to isolate the waste from the biosphere, which comprises the natural geological barrier and the engineered barrier system. Disposal facilities could be of a trench type, vaults, tunnels, shafts, boreholes, or mined repositories. A graded approach relates the depth of the disposal facilities’ location with the level of hazard. Disposal practices demonstrate the reliability of nuclear waste disposal with minimal expected impacts on the environment and humans.
Acetoin and diacetyl have a major impact on the flavor of alcoholic beverages such as wine or beer. Therefore, their measurement is important during the fermentation process. Until now, gas chromatographic techniques have typically been applied; however, these require expensive laboratory equipment and trained staff, and do not allow for online monitoring. In this work, a capacitive electrolyte–insulator–semiconductor sensor modified with tobacco mosaic virus (TMV) particles as enzyme nanocarriers for the detection of acetoin and diacetyl is presented. The enzyme acetoin reductase from Alkalihalobacillus clausii DSM 8716ᵀ is immobilized via biotin–streptavidin affinity, binding to the surface of the TMV particles. The TMV-assisted biosensor is electrochemically characterized by means of leakage–current, capacitance–voltage, and constant capacitance measurements. In this paper, the novel biosensor is studied regarding its sensitivity and long-term stability in buffer solution. Moreover, the TMV-assisted capacitive field-effect sensor is applied for the detection of diacetyl for the first time. The measurement of acetoin and diacetyl with the same sensor setup is demonstrated. Finally, the successive detection of acetoin and diacetyl in buffer and in diluted beer is studied by tuning the sensitivity of the biosensor using the pH value of the measurement solution.
An improved and convenient ninhydrin assay for aminoacylase activity measurements was developed using the commercial EZ Nin™ reagent. Alternative reagents from literature were also evaluated and compared. The addition of DMSO to the reagent enhanced the solubility of Ruhemann's purple (RP). Furthermore, we found that the use of a basic, aqueous buffer enhances stability of RP. An acidic protocol for the quantification of lysine was developed by addition of glacial acetic acid. The assay allows for parallel processing in a 96-well format with measurements microtiter plates.
The subtilase family (S8), a member of the clan SB of serine proteases are ubiquitous in all kingdoms of life and fulfil different physiological functions. Subtilases are divided in several groups and especially subtilisins are of interest as they are used in various industrial sectors. Therefore, we searched for new subtilisin sequences of the family Bacillaceae using a data mining approach. The obtained 1,400 sequences were phylogenetically classified in the context of the subtilase family. This required an updated comprehensive overview of the different groups within this family. To fill this gap, we conducted a phylogenetic survey of the S8 family with characterised holotypes derived from the MEROPS database. The analysis revealed the presence of eight previously uncharacterised groups and 13 subgroups within the S8 family. The sequences that emerged from the data mining with the set filter parameters were mainly assigned to the subtilisin subgroups of true subtilisins, high-alkaline subtilisins, and phylogenetically intermediate subtilisins and represent an excellent source for new subtilisin candidates.
Aspergillus oryzae is an industrially relevant organism for the secretory production of heterologous enzymes, especially amylases. The activities of potential heterologous amylases, however, cannot be quantified directly from the supernatant due to the high background activity of native α-amylase. This activity is caused by the gene products of amyA, amyB, and amyC. In this study, an in vitro CRISPR/Cas9 system was established in A. oryzae to delete these genes simultaneously. First, pyrG of A. oryzae NSAR1 was mutated by exploiting NHEJ to generate a counter-selection marker. Next, all amylase genes were deleted simultaneously by co-transforming a repair template carrying pyrG of Aspergillus nidulans and flanking sequences of amylase gene loci. The rate of obtained triple knock-outs was 47%. We showed that triple knockouts do not retain any amylase activity in the supernatant. The established in vitro CRISPR/Cas9 system was used to achieve sequence-specific knock-in of target genes. The system was intended to incorporate a single copy of the gene of interest into the desired host for the development of screening methods. Therefore, an integration cassette for the heterologous Fpi amylase was designed to specifically target the amyB locus. The site-specific integration rate of the plasmid was 78%, with exceptional additional integrations. Integration frequency was assessed via qPCR and directly correlated with heterologous amylase activity. Hence, we could compare the efficiency between two different signal peptides. In summary, we present a strategy to exploit CRISPR/Cas9 for gene mutation, multiplex knock-out, and the targeted knock-in of an expression cassette in A. oryzae. Our system provides straightforward strain engineering and paves the way for development of fungal screening systems.
In proton therapy, the dose from secondary neutrons to the patient can contribute to side effects and the creation of secondary cancer. A simple and fast detection system to distinguish between dose from protons and neutrons both in pretreatment verification as well as potentially in vivo monitoring is needed to minimize dose from secondary neutrons. Two 3 mm long, 1 mm diameter organic scintillators were tested for candidacy to be used in a proton–neutron discrimination detector. The SCSF-3HF (1500) scintillating fibre (Kuraray Co. Chiyoda-ku, Tokyo, Japan) and EJ-260 plastic scintillator (Eljen Technology, Sweetwater, TX, USA) were irradiated at the TRIUMF Neutron Facility and the Proton Therapy Research Centre. In the proton beam, we compared the raw Bragg peak and spread-out Bragg peak response to the industry standard Markus chamber detector. Both scintillator sensors exhibited quenching at high LET in the Bragg peak, presenting a peak-to-entrance ratio of 2.59 for the EJ-260 and 2.63 for the SCSF-3HF fibre, compared to 3.70 for the Markus chamber. The SCSF-3HF sensor demonstrated 1.3 times the sensitivity to protons and 3 times the sensitivity to neutrons as compared to the EJ-260 sensor. Combined with our equations relating neutron and proton contributions to dose during proton irradiations, and the application of Birks’ quenching correction, these fibres provide valid candidates for inexpensive and replicable proton-neutron discrimination detectors
Optical Fibers as Dosimeter Detectors for Mixed Proton/Neutron Fields - A Biological Dosimeter
(2023)
In recent years, proton therapy has gained importance as a cancer treatment modality due to its conformality with the tumor and the sparing of healthy tissue. However, in the interaction of the protons with the beam line elements and patient tissues, potentially harmful secondary neutrons are always generated. To ensure that this neutron dose is as low as possible, treatment plans could be created to also account for and minimize the neutron dose. To monitor such a treatment plan, a compact, easy to use, and inexpensive dosimeter must be developed that not only measures the physical dose, but which can also distinguish between proton and neutron contributions. To that end, plastic optical fibers with scintillation materials (Gd₂O₂S:Tb, Gd₂O₂S:Eu, and YVO₄:Eu) were irradiated with protons and neutrons. It was confirmed that sensors with different scintillation materials have different sensitivities to protons and neutrons. A combination of these three scintillators can be used to build a detector array to create a biological dosimeter.
The molecular weight properties of lignins are one of the key elements that need to be analyzed for a successful industrial application of these promising biopolymers. In this study, the use of 1H NMR as well as diffusion-ordered spectroscopy (DOSY NMR), combined with multivariate regression methods, was investigated for the determination of the molecular weight (Mw and Mn) and the polydispersity of organosolv lignins (n = 53, Miscanthus x giganteus, Paulownia tomentosa, and Silphium perfoliatum). The suitability of the models was demonstrated by cross validation (CV) as well as by an independent validation set of samples from different biomass origins (beech wood and wheat straw). CV errors of ca. 7–9 and 14–16% were achieved for all parameters with the models from the 1H NMR spectra and the DOSY NMR data, respectively. The prediction errors for the validation samples were in a similar range for the partial least squares model from the 1H NMR data and for a multiple linear regression using the DOSY NMR data. The results indicate the usefulness of NMR measurements combined with multivariate regression methods as a potential alternative to more time-consuming methods such as gel permeation chromatography.
In this study, a recently proposed NMR standardization approach by 2H integral of deuterated solvent for quantitative multicomponent analysis of complex mixtures is presented. As a proof of principle, the existing NMR routine for the analysis of Aloe vera products was modified. Instead of using absolute integrals of targeted compounds and internal standard (nicotinamide) from 1H-NMR spectra, quantification was performed based on the ratio of a particular 1H-NMR compound integral and 2H-NMR signal of deuterated solvent D2O. Validation characteristics (linearity, repeatability, accuracy) were evaluated and the results showed that the method has the same precision as internal standardization in case of multicomponent screening. Moreover, a dehydration process by freeze drying is not necessary for the new routine. Now, our NMR profiling of A. vera products needs only limited sample preparation and data processing. The new standardization methodology provides an appealing alternative for multicomponent NMR screening. In general, this novel approach, using standardization by 2H integral, benefits from reduced sample preparation steps and uncertainties, and is recommended in different application areas (purity determination, forensics, pharmaceutical analysis, etc.).
The investigation of the possibility to determine various characteristics of powder heparin (n = 115) was carried out with infrared spectroscopy. The evaluation of heparin samples included several parameters such as purity grade, distributing company, animal source as well as heparin species (i.e. Na-heparin, Ca-heparin, and heparinoids). Multivariate analysis using principal component analysis (PCA), soft independent modelling of class analogy (SIMCA), and partial least squares – discriminant analysis (PLS-DA) were applied for the modelling of spectral data. Different pre-processing methods were applied to IR spectral data; multiplicative scatter correction (MSC) was chosen as the most relevant.
Obtained results were confirmed by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Good predictive ability of this approach demonstrates the potential of IR spectroscopy and chemometrics for screening of heparin quality. This approach, however, is designed as a screening tool and is not considered as a replacement for either of the methods required by USP and FDA.
Quantitative nuclear magnetic resonance (qNMR) is routinely performed by the internal or external standardization. The manuscript describes a simple alternative to these common workflows by using NMR signal of another active nuclei of calibration compound. For example, for any arbitrary compound quantification by NMR can be based on the use of an indirect concentration referencing that relies on a solvent having both 1H and 2H signals. To perform high-quality quantification, the deuteration level of the utilized deuterated solvent has to be estimated.
In this contribution the new method was applied to the determination of deuteration levels in different deuterated solvents (MeOD, ACN, CDCl3, acetone, benzene, DMSO-d6). Isopropanol-d6, which contains a defined number of deuterons and protons, was used for standardization. Validation characteristics (precision, accuracy, robustness) were calculated and the results showed that the method can be used in routine practice. Uncertainty budget was also evaluated. In general, this novel approach, using standardization by 2H integral, benefits from reduced sample preparation steps and uncertainties, and can be applied in different application areas (purity determination, forensics, pharmaceutical analysis, etc.).
Heparin is a natural polysaccharide, which plays essential role in many biological processes. Alterations in building blocks can modify biological roles of commercial heparin products, due to significant changes in the conformation of the polymer chain. The variability structure of heparin leads to difficulty in quality control using different analytical methods, including infrared (IR) spectroscopy. In this paper molecular modelling of heparin disaccharide subunits was performed using quantum chemistry. The structural and spectral parameters of these disaccharides have been calculated using RHF/6-311G. In addition, over-sulphated chondroitin sulphate disaccharide was studied as one of the most widespread contaminants of heparin. Calculated IR spectra were analyzed with respect to specific structure parameters. IR spectroscopic fingerprint was found to be sensitive to substitution pattern of disaccharide subunits. Vibrational assignments of calculated spectra were correlated with experimental IR spectral bands of native heparin. Chemometrics was used to perform multivariate analysis of simulated spectral data.
Lignin is a promising renewable biopolymer being investigated worldwide as an environmentally benign substitute of fossil-based aromatic compounds, e.g. for the use as an excipient with antioxidant and antimicrobial properties in drug delivery or even as active compound. For its successful implementation into process streams, a quick, easy, and reliable method is needed for its molecular weight determination. Here we present a method using 1H spectra of benchtop as well as conventional NMR systems in combination with multivariate data analysis, to determine lignin’s molecular weight (Mw and Mn) and polydispersity index (PDI). A set of 36 organosolv lignin samples (from Miscanthus x giganteus, Paulownia tomentosa and Silphium perfoliatum) was used for the calibration and cross validation, and 17 samples were used as external validation set. Validation errors between 5.6% and 12.9% were achieved for all parameters on all NMR devices (43, 60, 500 and 600 MHz). Surprisingly, no significant difference in the performance of the benchtop and high-field devices was found. This facilitates the application of this method for determining lignin’s molecular weight in an industrial environment because of the low maintenance expenditure, small footprint, ruggedness, and low cost of permanent magnet benchtop NMR systems.
NMR standardization approach that uses the 2H integral of deuterated solvent for quantitative multinuclear analysis of pharmaceuticals is described. As a proof of principle, the existing NMR procedure for the analysis of heparin products according to US Pharmacopeia monograph is extended to the determination of Na+ and Cl- content in this matrix. Quantification is performed based on the ratio of a 23Na (35Cl) NMR integral and 2H NMR signal of deuterated solvent, D2O, acquired using the specific spectrometer hardware. As an alternative, the possibility of 133Cs standardization using the addition of Cs2CO3 stock solution is shown. Validation characteristics (linearity, repeatability, sensitivity) are evaluated. A holistic NMR profiling of heparin products can now also be used for the quantitative determination of inorganic compounds in a single analytical run using a single sample. In general, the new standardization methodology provides an appealing alternative for the NMR screening of inorganic and organic components in pharmaceutical products.
Although several successful applications of benchtop nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy in quantitative mixture analysis exist, the possibility of calibration transfer remains mostly unexplored, especially between high- and low-field NMR. This study investigates for the first time the calibration transfer of partial least squares regressions [weight average molecular weight (Mw) of lignin] between high-field (600 MHz) NMR and benchtop NMR devices (43 and 60 MHz). For the transfer, piecewise direct standardization, calibration transfer based on canonical correlation analysis, and transfer via the extreme learning machine auto-encoder method are employed. Despite the immense resolution difference between high-field and low-field NMR instruments, the results demonstrate that the calibration transfer from high- to low-field is feasible in the case of a physical property, namely, the molecular weight, achieving validation errors close to the original calibration (down to only 1.2 times higher root mean square errors). These results introduce new perspectives for applications of benchtop NMR, in which existing calibrations from expensive high-field instruments can be transferred to cheaper benchtop instruments to economize.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometric methods for the quantitative analysis of pure heparin in crude heparin is proposed. For quantification, a two-step routine was developed using a USP heparin reference sample for calibration and benzoic acid as an internal standard. The method was successfully validated for its accuracy, reproducibility, and precision. The methodology was used to analyze 20 authentic porcine heparinoid samples having heparin content between 4.25 w/w % and 64.4 w/w %. The characterization of crude heparin products was further extended to a simultaneous analysis of these common ions: sodium, calcium, acetate and chloride. A significant, linear dependence was found between anticoagulant activity and assayed heparin content for thirteen heparinoids samples, for which reference data were available. A Diffused-ordered NMR experiment (DOSY) can be used for qualitative analysis of specific glycosaminoglycans (GAGs) in heparinoid matrices and, potentially, for quantitative prediction of molecular weight of GAGs. NMR spectrometry therefore represents a unique analytical method suitable for the simultaneous quantitative control of organic and inorganic composition of crude heparin samples (especially heparin content) as well as an estimation of other physical and quality parameters (molecular weight, animal origin and activity).
Physikalische Chemie kompakt
(2022)
Most drugs are no longer produced in their own countries by the pharmaceutical companies, but by contract manufacturers or at manufacturing sites in countries that can produce more cheaply. This not only makes it difficult to trace them back but also leaves room for criminal organizations to fake them unnoticed. For these reasons, it is becoming increasingly difficult to determine the exact origin of drugs. The goal of this work was to investigate how exactly this is possible by using different spectroscopic methods like nuclear magnetic resonance and near- and mid-infrared spectroscopy in combination with multivariate data analysis. As an example, 56 out of 64 different paracetamol preparations, collected from 19 countries around the world, were chosen to investigate whether it is possible to determine the pharmaceutical company, manufacturing site, or country of origin. By means of suitable pre-processing of the spectra and the different information contained in each method, principal component analysis was able to evaluate manufacturing relationships between individual companies and to differentiate between production sites or formulations. Linear discriminant analysis showed different results depending on the spectral method and purpose. For all spectroscopic methods, it was found that the classification of the preparations to their manufacturer achieves better results than the classification to their pharmaceutical company. The best results were obtained with nuclear magnetic resonance and near-infrared data, with 94.6%/99.6% and 98.7/100% of the spectra of the preparations correctly assigned to their pharmaceutical company or manufacturer.
Nacre-mimetic nanocomposites based on high fractions of synthetic high-aspect-ratio nanoclays in combination with polymers are continuously pushing boundaries for advanced material properties, such as high barrier against oxygen, extraordinary mechanical behavior, fire shielding, and glass-like transparency. Additionally, they provide interesting model systems to study polymers under nanoconfinement due to the well-defined layered nanocomposite arrangement. Although the general behavior in terms of forming such layered nanocomposite materials using evaporative self-assembly and controlling the nanoclay gallery spacing by the nanoclay/polymer ratio is understood, some combinations of polymer matrices and nanoclay reinforcement do not comply with the established models. Here, we demonstrate a thorough characterization and analysis of such an unusual polymer/nanoclay pair that falls outside of the general behavior. Poly(ethylene oxide) (PEO) and sodium fluorohectorite form nacre-mimetic, lamellar nanocomposites that are completely transparent and show high mechanical stiffness and high gas barrier, but there is only limited expansion of the nanoclay gallery spacing when adding increasing amounts of polymer. This behavior is maintained for molecular weights of PEO varied over four orders of magnitude and can be traced back to depletion forces. By careful investigation via X-ray diffraction and proton low-resolution solid-state NMR, we are able to quantify the amount of mobile and immobilized polymer species in between the nanoclay galleries and around proposed tactoid stacks embedded in a PEO matrix. We further elucidate the unusual confined polymer dynamics, indicating a relevant role of specific surface interactions.
As a low-input crop, Miscanthus offers numerous advantages that, in addition to agricultural applications, permits its exploitation for energy, fuel, and material production. Depending on the Miscanthus genotype, season, and harvest time as well as plant component (leaf versus stem), correlations between structure and properties of the corresponding isolated lignins differ. Here, a comparative study is presented between lignins isolated from M. x giganteus, M. sinensis, M. robustus and M. nagara using a catalyst-free organosolv pulping process. The lignins from different plant constituents are also compared regarding their similarities and differences regarding monolignol ratio and important linkages. Results showed that the plant genotype has the weakest influence on monolignol content and interunit linkages. In contrast, structural differences are more significant among lignins of different harvest time and/or season. Analyses were performed using fast and simple methods such as nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Data was assigned to four different linkages (A: β-O-4 linkage, B: phenylcoumaran, C: resinol, D: β-unsaturated ester). In conclusion, A content is particularly high in leaf-derived lignins at just under 70% and significantly lower in stem and mixture lignins at around 60% and almost 65%. The second most common linkage pattern is D in all isolated lignins, the proportion of which is also strongly dependent on the crop portion. Both stem and mixture lignins, have a relatively high share of approximately 20% or more (maximum is M. sinensis Sin2 with over 30%). In the leaf-derived lignins, the proportions are significantly lower on average. Stem samples should be chosen if the highest possible lignin content is desired, specifically from the M. x giganteus genotype, which revealed lignin contents up to 27%. Due to the better frost resistance and higher stem stability, M. nagara offers some advantages compared to M. x giganteus. Miscanthus crops are shown to be very attractive lignocellulose feedstock (LCF) for second generation biorefineries and lignin generation in Europe.
The enantioselective synthesis of α-hydroxy ketones and vicinal diols is an intriguing field because of the broad applicability of these molecules. Although, butandiol dehydrogenases are known to play a key role in the production of 2,3-butandiol, their potential as biocatalysts is still not well studied. Here, we investigate the biocatalytic properties of the meso-butanediol dehydrogenase from Bacillus licheniformis DSM 13T (BlBDH). The encoding gene was cloned with an N-terminal StrepII-tag and recombinantly overexpressed in E. coli. BlBDH is highly active towards several non-physiological diketones and α-hydroxyketones with varying aliphatic chain lengths or even containing phenyl moieties. By adjusting the reaction parameters in biotransformations the formation of either the α-hydroxyketone intermediate or the diol can be controlled.
In this article, we describe the structure, the functioning, and the tests of parabolic trough solar thermal cooker (PSTC). This oven is designed to meet the needs of rural residents, including Urban, which requires stable cooking temperatures above 200 °C. The cooking by this cooker is based on the concentration of the sun's rays on a glass vacuum tube and heating of the oil circulate in a big tube, located inside the glass tube. Through two small tubes, associated with large tube, the heated oil, rise and heats the pot of cooking pot containing the food to be cooked (capacity of 5 kg). This cooker is designed in Germany and extensively tested in Morocco for use by the inhabitants who use wood from forests.
During a sunny day, having a maximum solar radiation around 720 W/m2 and temperature ambient around 26 °C, maximum temperatures recorded of the small tube, the large tube and the center of the pot are respectively: 370 °C, 270 °C and 260 °C. The cooking process with food at high (fries, ..), we show that the cooking oil temperature rises to 200 °C, after 1 h of heating, the cooking is done at a temperature of 120 °C for 20 min. These temperatures are practically stable following variations and decreases in the intensity of irradiance during the day. The comparison of these results with those of the literature shows an improvement of 30–50 % on the maximum value of the temperature with a heat storage that could reach 60 min of autonomy. All the results obtained show the good functioning of the PSTC and the feasibility of cooking food at high temperature (>200 °C).
The application of atomic layer deposition in the production of sorbents for ⁹⁹Mo/⁹⁹ᵐTc generator
(2020)
New production routes for ⁹⁹Mo are steadily gaining importance. However, the obtained specific activity is much lower than currently produced by the fission of U-235. To be able to supply hospitals with ⁹⁹Mo/⁹⁹ᵐTc generators with the desired activity, the adsorption capacity of the column material should be increased. In this paper we have investigated whether the gas phase coating technique Atomic Layer Deposition (ALD), which can deposit ultra-thin layers on high surface area materials, can be used to attain materials with high adsorption capacity for ⁹⁹Mo. For this purpose, ALD was applied on a silica-core sorbent material to coat it with a thin layer of alumina. This sorbent material shows to have a maximum adsorption capacity of 120 mg/g and has a ⁹⁹ᵐTc elution efficiency of 55 ± 2% based on 3 executive elutions.
Die Erfindung betrifft eine schwefelvernetzbare Kautschukmischung, deren Vulkanisat und einen Fahrzeugreifen. Die schwefelvernetzbare Kautschukmischung enthält wenigstens die folgenden Bestandteile: - wenigstens einen Dienkautschuk; und - 10 bis 300 phr wenigstens einer Kieselsäure; und - 1 bis 30 phf wenigstens eines Silans A mit der allgemeinen Summenformel A-I) A-I)(R1)oSi-R2-(S-R3)q-S-X; und - 0,5 bis 30 phf wenigstens eines Silans B mit der allgemeinen Summenformel B-I) B-I) (R1)oSi-R2-(S-R3)u-S-R2-Si(R1)o wobei q =1, 2 oder 3 ist; und u = 1, 2 oder 3 ist; und X ein Wasserstoffatom oder eine –C(=O)-R8 Gruppe ist wobei R8 ausgewählt ist aus Wasserstoff, C1-C20 Alkylgruppen, vorzugsweise C1-C17, C6-C20- Arylgruppen, vorzugsweise Phenyl, C2-C20-Alkenylgruppen und C7-C20-Aralkylgruppen.
Die Erfindung betrifft eine schwefelvernetzbare Kautschukmischung, deren Vulkanisat und einen Fahrzeugreifen. Die erfindungsgemäße Kautschukmischung enthält wenigstens folgende Bestandteile: - Wenigstens einen Dienkautschuk; - wenigstens eine Kohle (HTC-Kohle), die mittels hydrothermaler Karbonisierung von wenigstens einer Ausgangssubstanz hergestellt ist. Der erfindungsgemäße Fahrzeugreifen weist in wenigstens einem Bauteil wenigstens ein erfindungsgemäßes Vulkanisat der Kautschukmischung auf.
Fahrzeugreifen
(2018)
Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugreifen mit zumindest einem radial außen befindlichen Gummilaufstreifen, Wulstbereichen für den Anschluss an eine Felge und mit auf einer Gummimischung basierenden Seitenwandbereichen zwischen Gummilaufstreifen und den Wulstbereichen. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Fahrzeugreifen. Um den Anteil der umweltschädlichen Substanzen, insbesondere im Innenstadtbereich, zu reduzieren weisen die Seitenwandbereiche auf der äußeren Oberfläche eine für den oxidativen Abbau von Molekülen photokatalytisch aktive Substanz auf.
Die Erfindung betrifft eine schwefelvernetzbare Kautschukmischung, deren Vulkanisat und einen Fahrzeugreifen.Die schwefelvernetzbare Kautschukmischung enthält wenigstens die folgenden Bestandteile:- wenigstens einen Dienkautschuk; und- 10 bis 300 phr wenigstens einer Kieselsäure ; und- 1 bis 30 phf wenigstens eines Silans A mit der allgemeinen Summenformel A-I)und- 0,5 bis 30 phf wenigstens eines Silans B mit der allgemeinen Summenformel B-I)wobei u gleich 0, 1, 2 oder 3 und v gleich 0 oder 1 ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Sitzeinstellung (23) eines Sitzes (3) eines Kraftfahrzeugs (1), bei welchem folgende Schritte durchgeführt werden:- Bereitstellen einer Körperabmessung (12) eines Nutzers (6) des Kraftfahrzeugs (1);- Bereitstellen einer Sitzeigenschaft (13) des Sitzes (3) des Kraftfahrzeugs (1);- Bereitstellen eines mit zumindest einer Referenzsitzeigenschaft (20), zumindest einer Referenzkörperabmessung (21) und zumindest einer Referenzsitzeinstellung (22) trainiertes künstliches neuronales Netz (14); und- Bestimmen der Sitzeinstellung (23) durch Eingabe der Körperabmessung (12) und der Sitzeigenschaft (13) in das künstliche neuronale Netz (14).
Dargestellt und beansprucht ist eine Funkeinheit mit einem Funkbauteil, einer elektrisch leitfähigen Antenne und einem Kunststoffverbindungsmittel. Das Funkbauteil weist einen Antennenanschluss auf. Das Kunststoffverbindungsmittel weist ein erstes Elastomermaterial mit elektrisch leitfähigem Zusatzmaterial auf, so dass das Kunststoffverbindungsmittel elektrisch leitfähig ist. Das Kunststoffverbindungsmittel bildet eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Antennenanschluss und der Antenne. Weiterhin wird eine Vorrichtung mit einem ein Matrixmaterial mit oder aus einem zweiten Elastomermaterial und einer Funkeinheit beschrieben und beansprucht, wobei die Funkeinheit vollständig in das Matrixmaterial eingebettet ist. Die Vorrichtung kann insbesondere ein Fahrzeugreifen sein.
Sekundäre galvanische Zelle
(2020)
Die vorliegende Erfindung betrifft eine sekundäre galvanische Zelle, umfassend eine Kathode, eine Anode und einen Separator, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, wobei die Kathode ein erstes elastomeres Polymer umfasst, welches mit einem ersten Füllstoff als Kathodenmaterial gefüllt ist, wobei die Anode ein zweites elastomeres Polymer umfasst, welches mit einem zweiten Füllstoff als Anodenmaterial gefüllt ist, wobei der Separator ein drittes elastomeres Polymer umfasst, wobei das erste elastomere Polymer, das zweite elastomere Polymer und das dritte elastomere Polymer unabhängig voneinander aus vernetzungsfähigen Dienkautschuken ausgewählt sind, und wobei zumindest eines von dem ersten elastomeren Polymer, dem zweiten elastomeren Polymer und dem dritten elastomeren Polymer eine ionische Flüssigkeit und/oder ein elektrisch leitfähiges Polymer enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine wiederaufladbare Batterie, umfassend die erfindungsgemäße sekundäre galvanische Zelle, ein Verfahren zur Herstellung einer sekundären galvanischen Zelle sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen sekundären galvanischen Zelle sowie der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie.
Molecular Modeling Approach to the Prediction of Mechanical Properties of Silica-Reinforced Rubbers
(2014)
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.
Elastomers are exceptional materials owing to their ability to undergo large deformations before failure. However, due to their very low stiffness, they are not always suitable for industrial applications. Addition of filler particles provides reinforcing effects and thus enhances the material properties that render them more versatile for applications like tyres etc. However, deformation behavior of filled polymers is accompanied by several nonlinear effects like Mullins and Payne effect. To this day, the physical and chemical changes resulting in such nonlinear effect remain an active area of research. In this work, we develop a heterogeneous (or multiphase) constitutive model at the mesoscale explicitly considering filler particle aggregates, elastomeric matrix and their mechanical interaction through an approximate interface layer. The developed constitutive model is used to demonstrate cluster breakage, also, as one of the possible sources for Mullins effect observed in non-crystallizing filled elastomers.
Rubber materials filled with reinforcing fillers display nonlinear rheological behavior at small strain amplitudes below γ0 < 0.1. Nevertheless, rheological data are analyzed mostly in terms of linear parameters, such as shear moduli (G′, G″), which loose their physical meaning in the nonlinear regime. In this work styrene butadiene rubber filled with carbon black (CB) under large amplitude oscillatory shear (LAOS) is analyzed in terms of the nonlinear parameter I3/1. Three different CB grades are used and the filler load is varied between 0 and 70 phr. It is found that I3/1(φ) is most sensitive to changes of the total accessible filler surface area at low strain amplitudes (γ0 = 0.32). The addition of up to 70 phr CB leads to an increase of I3/1(φ) by a factor of more than ten. The influence of the measurement temperature on I3/1 is pronounced for CB levels above the percolation threshold.
We present an effective and simple multiscale method for equilibrating Kremer Grest model polymer melts of varying stiffness. In our approach, we progressively equilibrate the melt structure above the tube scale, inside the tube and finally at the monomeric scale. We make use of models designed to be computationally effective at each scale. Density fluctuations in the melt structure above the tube scale are minimized through a Monte Carlo simulated annealing of a lattice polymer model. Subsequently the melt structure below the tube scale is equilibrated via the Rouse dynamics of a force-capped Kremer-Grest model that allows chains to partially interpenetrate. Finally the Kremer-Grest force field is introduced to freeze the topological state and enforce correct monomer packing. We generate 15 melts of 500 chains of 10.000 beads for varying chain stiffness as well as a number of melts with 1.000 chains of 15.000 monomers. To validate the equilibration process we study the time evolution of bulk, collective, and single-chain observables at the monomeric, mesoscopic, and macroscopic length scales. Extension of the present method to longer, branched, or polydisperse chains, and/or larger system sizes is straightforward.
The Kremer-Grest (KG) bead-spring model is a near standard in Molecular Dynamic simulations of generic polymer properties. It owes its popularity to its computational efficiency, rather than its ability to represent specific polymer species and conditions. Here we investigate how to adapt the model to match the universal properties of a wide range of chemical polymers species. For this purpose we vary a single parameter originally introduced by Faller and Müller-Plathe, the chain stiffness. Examples include polystyrene, polyethylene, polypropylene, cis-polyisoprene, polydimethylsiloxane, polyethyleneoxide and styrene-butadiene rubber. We do this by matching the number of Kuhn segments per chain and the number of Kuhn segments per cubic Kuhn volume for the polymer species and for the Kremer-Grest model. We also derive mapping relations for converting KG model units back to physical units, in particular we obtain the entanglement time for the KG model as function of stiffness allowing for a time mapping. To test these relations, we generate large equilibrated well entangled polymer melts, and measure the entanglement moduli using a static primitive-path analysis of the entangled melt structure as well as by simulations of step-strain deformation of the model melts. The obtained moduli for our model polymer melts are in good agreement with the experimentally expected moduli.
The Kremer–Grest (KG) polymer model is a standard model for studying generic polymer properties in molecular dynamics simulations. It owes its popularity to its simplicity and computational efficiency, rather than its ability to represent specific polymers species and conditions. Here we show that by tuning the chain stiffness it is possible to adapt the KG model to model melts of real polymers. In particular, we provide mapping relations from KG to SI units for a wide range of commodity polymers. The connection between the experimental and the KG melts is made at the Kuhn scale, i.e., at the crossover from the chemistry-specific small scale to the universal large scale behavior. We expect Kuhn scale-mapped KG models to faithfully represent universal properties dominated by the large scale conformational statistics and dynamics of flexible polymers. In particular, we observe very good agreement between entanglement moduli of our KG models and the experimental moduli of the target polymers.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers. Dieser besteht aus einem Träger (1) und einer damit verbundenen, in einem Winkelbereich von mehr als 0 ° bis maximal 90 ° neigbaren Ebene (8) mit einer darin ausgebildeten Abrollbahn (9) für den flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körper. An der Ebene (8) sind mehrere Sensoren (11,12) zur Erfassung der Rolldauer des Körpers entlang der Rollstrecke angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einstellung des Neigungswinkels der Ebene (8) über ein Winkelmessgerät (10) erfolgt, wodurch ein Abrollwinkel erfassbar ist, bei dem der Körper in Bewegung gerät. Aus der Rolldauer, der Rollstrecke und dem Abrollwinkel wird der Kontaktwinkel des Körpers ermittelt.
System und Verfahren zur Durchführung von chemischen, biologischen oder physikalischen Reaktionen
(2015)
The invention relates to a method for production of single-stranded macronucleotides by amplifying and ligating an extended monomeric single-stranded target nucleic acid sequence (targetss) into a repetitive cluster of double-stranded target nucleic acid sequences (targetds), and subsequently cloning the construct into a vector (aptagene vector). The aptagene vector is transformed into host cells for replication of the aptagene and isolated in order to optain single-stranded target sequences (targetss). The invention also relates to single-stranded nucleic acids, produced by a method of the invention.
Analyse von Lignocellulose mittels dynamischer Differenzkalorimetrie und Infrarot – Spektrometrie
(2015)
Characterizing volcanic ash elements from the 2015 eruptions of bromo and raung volcanoes, Indonesia
(2020)
The volcanic eruptions of Mt. Bromo and Mt. Raung in East Java, Indonesia, in 2015 perturbed volcanic materials and affected surface-layer air quality at surrounding locations. During the episodes, the volcanic ash from the eruptions influenced visibility, traffic accidents, flight schedules, and human health. In this research, the volcanic ash particles were collected and characterized by relying on the detail of physical observation. We performed an assessment of the volcanic ash elements to characterize the volcanic ash using two different methods which are aqua regia extracts followed by MP-AES and XRF laboratory test of bulk samples. The analysis results showed that the volcanic ash was mixed of many materials, such as Al, Si, P, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, and others. Fe, Si, Ca, and Al were found as the major elements, while the others were the trace elements Ba, Cr, Cu, Mn, P, Mn, Ni, Zn, Sb, Sr, and V with the minor concentrations. XRF analyses showed that Fe dominated the elements of the volcanic ash. The XRF analysis showed that Fe was at 35.40% in Bromo and 43.00% in Raung of the detected elements in bulk material. The results of aqua regia extracts analyzed by MP-AES were 1.80% and 1.70% of Fe element for Bromo and Raung volcanoes, respectively.
α-hydroxy ketones (HK) and 1,2-diols are important building blocks for fine chemical synthesis. Here, we describe the R-selective 2,3-butanediol dehydrogenase from B. clausii DSM 8716ᵀ (BcBDH) that belongs to the metal-dependent medium chain dehydrogenases/reductases family (MDR) and catalyzes the selective asymmetric reduction of prochiral 1,2-diketones to the corresponding HK and, in some cases, the reduction of the same to the corresponding 1,2-diols. Aliphatic diketones, like 2,3-pentanedione, 2,3-hexanedione, 5-methyl-2,3-hexanedione, 3,4-hexanedione and 2,3-heptanedione are well transformed. In addition, surprisingly alkyl phenyl dicarbonyls, like 2-hydroxy-1-phenylpropan-1-one and phenylglyoxal are accepted, whereas their derivatives with two phenyl groups are not substrates. Supplementation of Mn²⁺ (1 mM) increases BcBDH's activity in biotransformations. Furthermore, the biocatalytic reduction of 5-methyl-2,3-hexanedione to mainly 5-methyl-3-hydroxy-2-hexanone with only small amounts of 5-methyl-2-hydroxy-3-hexanone within an enzyme membrane reactor is demonstrated.
The SG1-mediated solution polymerization of methyl methacrylate (MMA) and oligo(ethylene glycol) methacrylate (OEGMA, Mₙ = 300 g mol⁻¹) in the presence of a small amount of functional/reactive styrenic comonomer is investigated. Moieties such as pentafluorophenyl ester, triphenylphosphine, azide, pentafluorophenyl, halide, and pyridine are considered. A comonomer fraction as low as 5 mol% typically results in a controlled/living behavior, at least up to 50% conversion. Chain extensions with styrene for both systems were successfully performed. Variation of physical properties such as refractive index (for MMA) and phase transition temperature (for OEGMA) were evaluated by comparing to 100% pure homopolymers. The introduction of an activated ester styrene derivative in the polymerization of OEGMA allows for the synthesis of reactive and hydrophilic polymer brushes with defined thickness. Finally, using the example of pentafluorostyrene as controlling comonomer, it is demonstrated that functional PMMA-b-PS are able to maintain a phase separation ability, as evidenced by the formation of nanostructured thin films.
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.
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.