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In diesem Beitrag geht es um die Integration von Stoffströmen einer Lignocellulose-Bioraffinerie in Verfahren zur Batterieherstellung. Pflanzliche Reststoffe aus der Biokraftstoffherstellung wie Lignin sollen zur Herstellung neuer Batteriematerialien verwendet werden. Hierbei wird das Lignin als Matrix für die vorgraphitischen C-haltigen Einlagerungsverbindungen in den Elektroden genutzt. Die Si-C-Komposite werden durch das Einbetten von Si in eine Ligninmatrix mit anschließender Carbonisierung hergestellt. Das Lignin hierfür wird durch die sequentielle hydrothermale Vorbehandlung von Buchenholz bei variablen Bedingungen gewonnen und mit Si-Nanopartikel sowie als Referenz ohne Si-Nanopartikel gefällt. Die Ergebnisse zeigen, dass die sequenzielle Vorbehandlung höhere Ausbeuten im Vergleich zum LHW- oder Organosolv-Aufschluss liefert. Um eine Anode herzustellen, wurde das resultierende Si–C-Kompositmaterial carbonisiert, auf einen Stromsammler aufgetragen und elektro-chemisch charakterisiert. Der Einfluss der Vorbehandlungsschritte auf den Herstellungsprozess und die ökonomische Bewertung des untersuchten Bioraffinerie-Prozesses wurde mithilfe eines Stoffstrommodells analysiert.
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.
Bestimmung der metabolischen Aktivität von Mikroorganismen während des Biogasbildungsprozesses
(2009)
Bio-feedstocks
(2011)
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.
The terms bioeconomy and biorefineries are used for a variety of processes and developments. This short introduction is intended to provide a delimitation and clarification of the terminology as well as a classification of current biorefinery concepts. The basic process diagrams of the most important biorefinery types are shown.
Biotechnologie und die mit ihr verbundenen technischen Prozesse prägen seit Jahrtausenden die Entwicklung der Menschheit. Ausgehend von empirischen Verfahren, insbesondere zur Herstellung von Lebensmitteln und täglichen Gebrauchsgütern, haben sich diese Disziplinen zu einem der innovativsten Zukunftsfelder entwickelt. Durch das immer detailliertere Verständnis zellulärer Vorgänge können mittlerweile Produktionsstämme gezielt optimiert werden. Im Zusammenspiel mit moderner Prozesstechnik können so eine Vielzahl von Bulk- und Feinchemikalien sowie Pharmazeutika effizient hergestellt werden. In diesem Artikel werden exemplarisch einige der aktuellen Trends vorgestellt.
Biotechnologische Wertstoffgewinnung entlang der Prozessketten Grüner und Pflanzenöl-Bioraffinerien
(2014)
Der nachwachsende Rohstoff Raps ist in großen Mengen verfügbar und eine Quelle für Biomoleküle mit hohem Wertschöpfungspotenzial. Entwicklungen zur biotechnologischen Wertstoffgewinnung werden dabei schwerpunktmäßig in den Bereichen Aufarbeitung und Funktionalisierung von Polyphenolen und Fetten betrieben. Bei der Verarbeitung der Pflanzenmaterialien werden dabei insbesondere Verfahren zur adsorptiven Aufreinigung und Auftrennung mittels Materialien mit modifizierten Bleicherden und anderen organischen oder anorganischen Adsorbentien untersucht. Ferner wurden für die Aufreinigung von Polyphenolen adsorptive sowie extraktive Prozesse entwickelt. Bei den Entwicklungen wird berücksichtigt, dass Bioraffinerien auf eine fortwährende Gewährleistung eines hohen Produktions- bzw. Lieferbedarfs nachwachsender Rohstoffe angewiesen sind. Somit werden Optionen dezentraler regionaler Vorbehandlungs- und Wertschöpfungsketten in der Nähe landwirtschaftlicher Betriebe einbezogen. Neben neuen Aufreinigungsverfahren werden mikrobielle und enzymatische Prozesse zur wertsteigernden Umsetzung von Glycerin, Polyphenolen und Zuckermonomeren vorgestellt sowie Limitierungen nachwachsender Rohstoffe der 2. Generation diskutiert.
For several thousand years, biotechnology and its associated technical processes have had a great impact on the development of mankind. Based on empirical methods, in particular for the production of foodstuffs and daily commodities, these disciplines have become one of the most innovative future issues. Due to the increasing detailed understanding of cellular processes, production strains can now be optimized. In combination with modern bioprocesses, a variety of bulk and fine chemicals as well as pharmaceuticals can be produced efficiently. In this article, some of the current trends in biotechnology are discussed.
C-terminal truncation of a metagenome-derived detergent protease for effective expression in E. coli
(2010)
Recently, a new alkaline protease named HP70 showing highest homology to extracellular serine proteases of Stenotrophomonas maltophilia and Xanthomonas campestris was found in the course of a metagenome screening for detergent proteases (Niehaus et al., submitted for publication). Attempts to efficiently express the enzyme in common expression hosts had failed. This study reports on the realization of overexpression in Escherichia coli after structural modification of HP70. Modelling of HP70 resulted in a two-domain structure, comprising the catalytic domain and a C-terminal domain which includes about 100 amino acids. On the basis of the modelled structure the enzyme was truncated by deletion of most of the C-terminal domain yielding HP70-C477.
This structural modification allowed effective expression of active enzyme using E. coli BL21-Gold as the host. Specific activity of HP70-C477 determined with suc-l-Ala-l-Ala-l-Pro-l-Phe-p-nitroanilide as the substrate was 30 ± 5 U/mg compared to 8 ± 1 U/mg of the native enzyme. HP70-C477 was most active at 40 °C and pH 7–11; these conditions are prerequisite for a potential application as detergent enzyme. Determination of kinetic parameters at 40 °C and pH = 9.5 resulted in KM = 0.23 ± 0.01 mM and kcat = 167.5 ± 3.6 s⁻¹. MS-analysis of peptide fragments obtained from incubation of HP70 and HP70-C477 with insulin B indicated that the C-terminal domain influences the cleavage preferences of the enzyme. Washing experiments confirmed the high potential of HP70-C477 as detergent protease.
Members of the species Bacillus pumilus get more and more in focus of the biotechnological industry as potential new production strains. Based on exoproteome analysis, B. pumilus strain Jo2, possessing a high secretion capability, was chosen for an omics-based investigation. The proteome and metabolome of B. pumilus cells growing either in minimal or complex medium was analyzed. In total, 1542 proteins were identified in growing B. pumilus cells, among them 1182 cytosolic proteins, 297 membrane and lipoproteins and 63 secreted proteins. This accounts for about 43% of the 3616 proteins encoded in the B. pumilus Jo2 genome sequence. By using GC–MS, IP-LC/MS and H NMR methods numerous metabolites were analyzed and assigned to reconstructed metabolic pathways. In the genome sequence a functional secretion system including the components of the Sec- and Tat-secretion machinery was found. Analysis of the exoproteome revealed secretion of about 70 proteins with predicted secretion signals. In addition, selected production-relevant genome features such as restriction modification systems and NRPS clusters of B. pumilus Jo2 are discussed.
Characterization and evaluation of lignocellulosic biomass 130 hydrolysates for ABE fermentation
(2016)
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.
Der effektive Diffusionskoeffizient Deff von Gasen in einem porösen Medium hängt im Knudsen- bzw. Übergangsgebiet vom effektiven Porenradius 〈r〉 der Struktur ab. 〈r〉 kann aus Deff ermittelt werden, sofern der Labyrinthfaktor χ der Struktur aus der Kinetik des Stoffaustausches in den mit einer flüssigen Phase gefüllten Poren separat bestimmt wird. An einem Trägerkatalysator (CuO auf γ-Al₂O₃) ergab sich auf diese Weise ein für die Diffusion maßgebender effektiver Porenradius, der in den Bereich der Makroporen fällt. Ein Vergleich mit dem aus reaktionskinetischen Daten ermittelten effektiven Diffusionskoeffizienten läßt auf eine ungleichmäßige Verteilung der aktiven Komponente im Kontaktkorn schließen.