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Molke fällt im Rahmen der Käseherstellung allein in Deutschland in Mengen von über 11 Mio. Tonnen jährlich an. Dieses Nebenprodukt wurde trotz seines Reichtums an Milchzucker und Proteinen lange Zeit kaum industriell weiterverarbeitet und stellte ein bedeutendes Problem bei der Abwasserreinigung dar. Derzeit kommen meist kosten- und reinigungsintensive Membranfiltrationsverfahren bei der Auftrennung von Molke in ihre Hauptkomponenten Lactose und Molkenprotein zum Einsatz. Die Produkte finden vorwiegend in der Nahrungsmittelindustrie Anwendung als Süßungsmittel, Proteinzusatz oder Texturbildner. Die Mehrheit des Proteins wird dabei als Konzentrat bzw. Proteinpulver verarbeitet. Wegen der antibakteriellen, antiviralen und weiteren wertvollen physiologischen Eigenschaften der Molkeproteine stellt eine weitere Aufreinigung der einzelnen Molkeproteine für die pharmazeutische Industrie einen naheliegenden zusätzlichen Wertschöpfungsschritt dar. In Kooperation mit der Süd Chemie AG wurde damit begonnen, ein Verfahren zu entwickeln, das kostengünstige mineralische Adsorbentien verwendet. Bisher konnte die Abtrennung von Lactose von den Molkenproteinen aus verdünntem Molkekonzentrat in einem Verfahrensschritt ohne Vorbehandlung des Rohstoffs erfolgreich realisiert werden. Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der Verbesserung der Proteinbindekapazitätund chromatographischen Proteinauftrennung sowie dem Upscaling zum direkten Einsatz von Molkekonzentrat ohne Vorverdünnung.
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.
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.
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.
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.
Dexamethasone (DEX) is a potent and widely used anti-inflammatory and immunosuppressant glucocorticoid. It can bind and activate the pregnane X receptor (PXR), which plays a critical role as xenobiotic sensor in mammals to induce the expression of many enzymes, including cytochromes P450 in the CYP3A family. This induction results in its own metabolism. We have used a series of transgenic mouse lines, including a novel, improved humanized PXR line, to compare the induction profile of PXR-regulated drug-metabolizing enzymes after DEX administration, as well as looking at hepatic responses to rifampicin (RIF). The new humanized PXR model has uncovered further intriguing differences between the human and mouse receptors in that RIF only induced Cyp2b10 in the new humanized model. DEX was found to be a much more potent inducer of Cyp3a proteins in wild-type mice than in mice humanized for PXR. To assess whether PXR is involved in the detoxification of DEX in the liver, we analyzed the consequences of high doses of the glucocorticoid on hepatotoxicity on different PXR genetic backgrounds. We also studied these effects in an additional mouse model in which functional mouse Cyp3a genes have been deleted. These strains exhibited different sensitivities to DEX, indicating a protective role of the PXR and CYP3A proteins against the hepatotoxicity of this compound.
Mouse nongenotoxic hepatocarcinogens phenobarbital (PB) and chlordane induce hepatomegaly characterized by hypertrophy and hyperplasia. Increased cell proliferation is implicated in the mechanism of tumor induction. The relevance of these tumors to human health is unclear. The xenoreceptors, constitutive androstane receptors (CARs), and pregnane X receptor (PXR) play key roles in these processes. Novel “humanized” and knockout models for both receptors were developed to investigate potential species differences in hepatomegaly. The effects of PB (80 mg/kg/4 days) and chlordane (10 mg/kg/4 days) were investigated in double humanized PXR and CAR (huPXR/huCAR), double knockout PXR and CAR (PXRKO/CARKO), and wild-type (WT) C57BL/6J mice. In WT mice, both compounds caused increased liver weight, hepatocellular hypertrophy, and cell proliferation. Both compounds caused alterations to a number of cell cycle genes consistent with induction of cell proliferation in WT mice. However, these gene expression changes did not occur in PXRKO/CARKO or huPXR/huCAR mice. Liver hypertrophy without hyperplasia was demonstrated in the huPXR/huCAR animals in response to both compounds. Induction of the CAR and PXR target genes, Cyp2b10 and Cyp3a11, was observed in both WT and huPXR/huCAR mouse lines following treatment with PB or chlordane. In the PXRKO/CARKO mice, neither liver growth nor induction of Cyp2b10 and Cyp3a11 was seen following PB or chlordane treatment, indicating that these effects are CAR/PXR dependent. These data suggest that the human receptors are able to support the chemically induced hypertrophic responses but not the hyperplastic (cell proliferation) responses. At this time, we cannot be certain that hCAR and hPXR when expressed in the mouse can function exactly as the genes do when they are expressed in human cells. However, all parameters investigated to date suggest that much of their functionality is maintained.
Tricarbonylrhenium(I) and -technetium(I) halide (halide = Cl and Br) complexes of ligands derived from 4,5-diazafluoren-9-one (df) and 1,10-phenanthroline-5,6-dione (phen) derivatives of benzoic and 2-hydroxybenzoic acid hydrazides have been prepared. The complexes have been characterized by elemental analysis, MS, IR, 1H NMR and absorption and emission UV/Vis spectroscopic methods. The metal centres (ReI and TcI) are coordinated through the nitrogen imine atoms and establish five-membered chelate rings, whereas the hydrazone groups stand uncoordinated. The 1H NMR spectra suggest the same behaviour in solution on the basis of only marginal variations in the chemical shifts of the hydrazine protons.
AgTcO4 reacts with R3ECl compounds (E = C, Si, Ge, Sn, Pb; R = Me, iPr, tBu, Ph), tBu2SnCl2, or PhMgCl under formation of novel trioxotechnetium(VII) derivatives. The carbon and silicon derivatives readily undergo decomposition, which was proven by 99Tc NMR spectroscopy and the isolation of decomposition products such as [TcOCl3(THF)(OH2)]. Compounds [Ph3GeOTcO3], [(THF)Ph3SnOTcO3], [(O3TcO)SntBu2(OH)]2, and [(THF)4Mg(OTcO3)2] are more stable and were isolated in crystalline form and characterized by X-ray diffraction.
Oxorhenium(V) complexes [ReOX3(PPh3)2] (X = Cl, Br) react with phenylacetylene under formation of complexes with ylide-type ligands. Compounds of the compositions [ReOCl3(PPh3){C(Ph)C(H)(PPh3)}] (1), [ReOBr3(OPPh3){C(Ph)C(H)(PPh3)}] (2), and [ReOBr3(OPPh3){C(H)C(Ph)(PPh3)}] (3) were isolated and characterized by X-ray diffraction. They contain a ligand, which was formed by a nucleophilic attack of released PPh3 at coordinated phenylacetylene. The structures of the products show that there is no preferable position for this attack. Cleavage of the Re–C bond in 3 and dimerization of the organic ligand resulted in the formation of the [{(PPh3)(H)CC(Ph)}2]2+ cation, which crystallized as its [(ReOBr4)(OReO3)]2– salt.
Ein viel versprechender erneuerbarer Rohstoff für die Produktion von Chemikalien und Treibstoffen ist Lignocellulose aus pflanzlicher Biomasse. Die darin enthaltenen Zucker können mittels enzymatischer Hydrolyse freigesetzt und fermentativ zu Ethanol umgesetzt werden. Ein interessanter Ansatz ist dabei die simultane Verzuckerung und Fermentation. Hefen und Enzyme haben mit 30 °C bzw. 50 °C zwar unterschiedliche Temperaturoptima, es konnte aber gezeigt werden, dass auch bei den niedrigeren Temperaturen eine Umsetzung der Cellulose zu Glucose erfolgt, wenn auch langsamer als bei optimalen Bedingungen. Außerdem konnte in Vorversuchen gezeigt werden, dass Ethanol in den zu erwartenden Konzentrationen keinen Einfluss auf die enzymatische Umsetzung hat.
Grassilage stellt einen nachwachsenden Rohstoff mit großem Potenzial dar. Neben Cellulose und Hemicellulose enthält sie auch organische Säuren, insbesondere Milchsäure. In einem Bioraffinerie-Projekt wird die Milchsäure aus der Silage isoliert und mit gentechnisch optimierten Stämmen zu L-Lysin weiterverarbeitet. Die Lignocellulose wird hydrolysiert und zu Ethanol fermentiert. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Integration der unterschiedlichen Prozesse sowie der einzelnen Prozessschritte zu einem Gesamtprozess, der sämtliche Inhaltsstoffe der Silage verwertet.
Paracoccus denitrificans for the effluent recycling during continuous denitrification of liquid food
(2010)
Nitrate is an undesirable component of several foods. A typical case of contamination with high nitrate contents is whey concentrate, containing nitrate in concentrations up to 25 l. The microbiological removal of nitrate by Paracoccus denitrificans under formation of harmless nitrogen in combination with a cell retention reactor is described here. Focus lies on the resource-conserving design of a microbal denitrification process. Two methods are compared. The application of polyvinyl alcohol-immobilized cells, which can be applied several times in whey feed, is compared with the implementation of a two step denitrification system. First, the whey concentrate's nitrate is removed by ion exchange and subsequently the eluent regenerated by microorganisms under their retention by crossflow filtration. Nitrite and nitrate concentrations were determined by reflectometric color measurement with a commercially available Reflectoquant® device. Correction factors for these media had to be determined. During the pilot development, bioreactors from 4 to 250 mg·L-1 and crossflow units with membrane areas from 0.02 to 0.80 m2 were examined. Based on the results of the pilot plants, a scaling for the exemplary process of denitrifying 1,000 tons per day is discussed.