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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.
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.
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.
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.
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.
Halophilic and halotolerant microorganisms represent a promising source of salt-tolerant enzymes suitable for various biotechnological applications where high salt concentrations would otherwise limit enzymatic activity. Considering the current growing enzyme market and the need for more efficient and new biocatalysts, the present study aimed at the characterization of a high-alkaline subtilisin from Alkalihalobacillus okhensis Kh10-101T. The protease gene was cloned and expressed in Bacillus subtilis DB104. The recombinant protease SPAO with 269 amino acids belongs to the subfamily of high-alkaline subtilisins. The biochemical characteristics of purified SPAO were analyzed in comparison with subtilisin Carlsberg, Savinase, and BPN'. SPAO, a monomer with a molecular mass of 27.1 kDa, was active over a wide range of pH 6.0–12.0 and temperature 20–80 °C, optimally at pH 9.0–9.5 and 55 °C. The protease is highly oxidatively stable to hydrogen peroxide and retained 58% of residual activity when incubated at 10 °C with 5% (v/v) H2O2 for 1 h while stimulated at 1% (v/v) H2O2. Furthermore, SPAO was very stable and active at NaCl concentrations up to 5.0 m. This study demonstrates the potential of SPAO for biotechnological applications in the future.
Subtilisins from microbial sources, especially from the Bacillaceae family, are of particular interest for biotechnological applications and serve the currently growing enzyme market as efficient and novel biocatalysts. Biotechnological applications include use in detergents, cosmetics, leather processing, wastewater treatment and pharmaceuticals. To identify a possible candidate for the enzyme market, here we cloned the gene of the subtilisin SPFA from Fictibacillus arsenicus DSM 15822ᵀ (obtained through a data mining-based search) and expressed it in Bacillus subtilis DB104. After production and purification, the protease showed a molecular mass of 27.57 kDa and a pI of 5.8. SPFA displayed hydrolytic activity at a temperature optimum of 80 °C and a very broad pH optimum between 8.5 and 11.5, with high activity up to pH 12.5. SPFA displayed no NaCl dependence but a high NaCl tolerance, with decreasing activity up to concentrations of 5 m NaCl. The stability enhanced with increasing NaCl concentration. Based on its substrate preference for 10 synthetic peptide 4-nitroanilide substrates with three or four amino acids and its phylogenetic classification, SPFA can be assigned to the subgroup of true subtilisins. Moreover, SPFA exhibited high tolerance to 5% (w/v) SDS and 5% H₂O₂ (v/v). The biochemical properties of SPFA, especially its tolerance of remarkably high pH, SDS and H₂O₂, suggest it has potential for biotechnological applications.
Bio-feedstocks
(2011)
Bestimmung der metabolischen Aktivität von Mikroorganismen während des Biogasbildungsprozesses
(2009)
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.
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.
Bacillus pumilus reveals a remarkably high resistance to hydrogen peroxide provoked oxidative stress
(2014)
Bacillus pumilus is characterized by a higher oxidative stress resistance than other comparable industrially relevant Bacilli such as B. subtilis or B. licheniformis. In this study the response of B. pumilus to oxidative stress was investigated during a treatment with high concentrations of hydrogen peroxide at the proteome, transcriptome and metabolome level. Genes/proteins belonging to regulons, which are known to have important functions in the oxidative stress response of other organisms, were found to be upregulated, such as the Fur, Spx, SOS or CtsR regulon. Strikingly, parts of the fundamental PerR regulon responding to peroxide stress in B. subtilis are not encoded in the B. pumilus genome. Thus, B. pumilus misses the catalase KatA, the DNA-protection protein MrgA or the alkyl hydroperoxide reductase AhpCF. Data of this study suggests that the catalase KatX2 takes over the function of the missing KatA in the oxidative stress response of B. pumilus. The genome-wide expression analysis revealed an induction of bacillithiol (Cys-GlcN-malate, BSH) relevant genes. An analysis of the intracellular metabolites detected high intracellular levels of this protective metabolite, which indicates the importance of bacillithiol in the peroxide stress resistance of B. pumilus.
Molke als Nebenprodukt der Käseherstellung wurde lange Zeit als Abfall betrachtet. Bedingt durch ihren hohen BOD (biological oxygen demand) war die direkte Einleitung in Gewässer, aber auch der mikrobielle Abbau in Kläranlagen bedenklich. Falls eine Weiterverarbeitung der Molke stattfand, so geschah dies meist zu Molkepulver oder Proteinkonzentrat. Als Untersuchungen der Molkeproteine jedoch unter pharmazeutischen Gesichtspunkten interessante Eigenschaften nahelegten, stieg das Interesse am Bioprodukt Molke und ihren Proteinen an. So stehen beispielsweise für die Molkeproteine a-Lactalbumin (ala) und b-Lactoglobulin (blg) antibakterielle, anticancerogene und diverse andere physiologische Effekte in der Diskussion. Gegenwärtig finden meist Membranverfahren zur Aufreinigung von Molkeproteinen Anwendung. Als alternatives Verfahren wurde am Institut für Bioverfahrenstechnik in Kaiserslautern ein chromatographisches Verfahren entwickelt, bei dem natürliche Tonminerale zum Einsatz kamen. Nach chemischer und physikalischer Modifikation des Ausgangsmaterials durch den Hersteller Süd-Chemie wurden drei der Adsorber für nähere Untersuchungen zur Auftrennung von Molkeproteinen aus Molkekonzentrat herangezogen. Nach einer Cross-Flow-Filtration des Molkekonzentrats erfolgte die Aufreinigung der Molkeproteine in einem FPLC-System.
Cytochrom P450 sind Häm-Proteine, die zur Enzymklasse der Oxidoreduktasen (EC 1.14.xy) gehören. Eine wichtige Reaktion ist die Hydroxylierung nichtaktivierter C–H-Bindungen, die in technischen Systemen von großem Interesse ist. Durch die Verwendung von M-IDA-2-Partikeln ist eine direkte Aufreinigung mit gleichzeitiger Immobilisierung und die Applikation der Enzyme aus dem Zelllysat möglich. Damit ist das Verfahren mehr als fünf Stunden schneller als die konventionelle Chromatographie und mehr als 80 % der Aufreinigungszeit wird gespart. Mit dem isolierten nativen Enzym konnte die Plattformchemikalie 9,10-Dihydroxystearinsäure aus Ölsäure hergestellt werden. Unter anderem für die Kunststoffindustrie können aus diesem Produkt wichtige Monomere wie z. B. Azelainsäure hergestellt werden. Die Bildung des Produkts erfolgt in einem zweiphasigen Reaktionssystem an der Grenzfläche zwischen dem Öl und der wässrigen Phase als Feststoff. Um das immobilisierte Enzym aktiv in die obere Phase zu transportieren, wurde eine neue magnetische Mischvorrichtung entwickelt. Das Reaktionsprodukt wurde mit NMR, GC-MS und HPLC-MS analysiert und mit einem chemisch synthetisierten Standard von 9,10-Dihydroxystearinsäure verglichen. Derzeit werden Studien des immobilisierten Häms des Enzyms durchgeführt.
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.
b-Lactame gehören zu den wirkungsvollsten Antibiotika, jedoch lassen sich viele nur schwierig fermentativ erzeugen. Ein Problem bei der fermentativen Produktion ist die Hydrolyse des Lactamrings im wässrigen Milieu. Das Ziel des von der DBU geförderten Projekts ist die selektive In-situ-Adsorption der b-Lactamantibiotika unter anschließender magnetischer Separation. Durch die Isolation im Hochgradientenmagnetseparator (HGMS) ist eine Fest-fest-flüssig-Trennung und somit ein erheblicher Zeitgewinn im Downstreamprozess möglich. Zusätzlich kommt es zur Einsparung an Lösungsmittel und Energie, was neben Reduzierung der Antibiotikahydrolyse auch in ökologischer Hinsicht einen interessanten Aspekt darstellt. Als Trägermaterial für die Adsorbermatrix werden magnetisierbare Eisenoxidpartikel eingesetzt, die in einer Silikamatrix eingebettet sind. Diese Adsorber sollen auf Selektivität in Wasser und verschiedenen Medien getestet werden. Zusätzlich werden die Abbauprodukte des b-Lactams analysiert, um eine Aussage über die Stabilisierung des Antibiotikums durch die selektiven Adsorber treffen zu können. Diese Ergebnisse werden mit kommerziell erhältlichen Adsorbern verglichen. Die Aufreinigung der Antibiotika soll direkt aus der Fermentationsbrühe erfolgen. Um die Trennung der magnetischen, selektiven Adsorber von der Biomasse zu gewährleisten, soll der HGMS in die Fermentation integriert werden. Das filamentöse Wachstum des Mikroorganismus erfordert eine Neuauslegung der Filtermatrix.
Aufarbeitung von Polyphenolen aus Weizenmittels Zeolithen am Beispiel der Ferulasa¨ ureAlexander Thiel1, Kai Muffler1, Nils Tippko¨ tter1, Kirstin Suck2, Ulrich Sohling2, Friedrich Ruf3und Roland Ulber1,*DOI: 10.1002/cite.201400031Bei der Ferulasa¨ure handelt es sich um einen Wertstoff, der aus Weizen gewonnen und in der Lebensmittel- und Pharma-industrie eingesetzt werden kann. Der Einsatz von Weizen als nachwachsende Rohstoffquelle ist allerdings nur dann wirt-schaftlich durchfu¨hrbar, wenn eine Prozessintegration in die bestehenden industriellen Verfahren gewa¨hrleistet oder einedirekte Konkurrenz zur Mehl- und Sta¨rkeindustrie vermieden werden kann. In diesem Artikel wird ein Verfahren aufge-zeigt, welches hohe Ausbeuten ermo¨glicht und eine Konkurrenz zu bestehenden Verwertungspfaden vermeidet.
The Monte Carlo code FLUKA is used to simulate the production of a number of positron emitting radionuclides, ¹⁸F, ¹³N, ⁹⁴Tc, ⁴⁴Sc, ⁶⁸Ga, ⁸⁶Y, ⁸⁹Zr, ⁵²Mn, ⁶¹Cu and ⁵⁵Co, on a small medical cyclotron with a proton beam energy of 13 MeV. Experimental data collected at the TR13 cyclotron at TRIUMF agree within a factor of 0.6 ± 0.4 with the directly simulated data, except for the production of ⁵⁵Co, where the simulation underestimates the experiment by a factor of 3.4 ± 0.4. The experimental data also agree within a factor of 0.8 ± 0.6 with the convolution of simulated proton fluence and cross sections from literature. Overall, this confirms the applicability of FLUKA to simulate radionuclide production at 13 MeV proton beam energy.
Air- and water-stable phenyl complexes with nitridotechnetium(V) cores can be prepared by straightforward procedures. [TcNPh2(PPh3)2] is formed by the reaction of [TcNCl2(PPh3)2] with PhLi. The analogous N-heterocyclic carbene (NHC) compound [TcNPh2(HLPh)2], where HLPh is 1,3,4-triphenyl-1,2,4-triazol-5-ylidene, is available from (NBu4)[TcNCl4] and HLPh or its methoxo-protected form. The latter compound allows the comparison of different Tc–C bonds within one compound. Surprisingly, the Tc chemistry with such NHCs does not resemble that of corresponding Re complexes, where CH activation and orthometalation dominate.