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Teilprojekt A

Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit, Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe durchgeführt. TEMPEST ist eine Plattformtechnologie für die in-vivo Modifikation von Alkoholen und organischen Säuren, welche in der modifizierten Form eine einfache in-situ Abtrennung und Aufreinigung dieser bio-basierten Zielprodukte in fermentativen Prozessen erlaubt. Somit adressiert TEMPEST eine zentrale Herausforderung von mikrobiellen Bioraffinerieprozessen: Die Produktaufreinigung von sehr gut wasserlöslichen Zielverbindungen aus der Fermentationsbrühe, die bis heute einer der größten Kostenfaktoren von bio-basiert hergestellten Produkten ist. Zusätzlich bietet die in-vivo Modifikation einen direkten Zugriff auf sekundäre Produkte wie Polymere oder Olefine, womit TEMPEST die Basis für eine breitere Anwendung in der Bioökonomie finden soll. Basierend auf Ansätzen der Synthetischen Biology werden Enzyme und Produktionsstämme zur Herstellung der modifizierten Alkohole und Säuren entwickelt. Während der beantragten Förderperiode soll der Beweis für die Funktionalität dieser Technologieplattform erbracht werden, indem ein Produktionsstamm erzeugt wird, welcher modifizierte Alkohole bzw. organische Säuren herstellt, der Herstellungsprozess und die Aufreinigung optimiert und ein Up-Scale-Konzept für einen Fermentations-Maßstab von 1.000 L erarbeitet wird.

Teilprojekt 'Herstellung von C2+-Alkoholen auf Basis von H2, CO und CO2 aus Kuppelgasen'

Das Projekt "Teilprojekt 'Herstellung von C2+-Alkoholen auf Basis von H2, CO und CO2 aus Kuppelgasen'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Technische Chemie und Makromolekulare Chemie durchgeführt. Die bei der Herstellung von Stahl anfallenden sogenannten 'Kuppelgase' sind reich an Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) und stellen eine alternative Kohlenstoff-Quelle für die Herstellung chemischer Wertprodukte dar. Sie bilden eine potentielle Quelle für Synthesegas und können damit einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion der Emission von Klimagasen eines Stahlwerkes beitragen. Im Rahmen dieses Vorhaben sollen diese Kuppelgase zu C2+-Alkoholen umgewandelt werden. Diese können sowohl direkt als Treibstoff wie auch als Ausgangspunkt für andere Chemiebausteine genutzt werden. Durch die Synergie zwischen Stahlindustrie und chemischer Industrie kann somit durch Fixierung von Kohlenstoff in den verwertbaren Produkten der spezifische CO2-Ausstoß des Stahlwerkes reduziert werden. Der zentrale Punkt des Vorhabens ist die Entwicklung eines maßgeschneiderten homogenen Katalysators zur Verarbeitung von CO/CO2/H2 aus Kuppelgasen zu kurzkettigen C2+-Alkoholen. Die homogen katalysierte Umsetzung erfolgt in der Flüssigphase und schließt folgende Aspekte ein: a) Modifikation von CO2-Hydrierkatalysatoren zur direkten Umsetzung von CO/CO2/H2 zu C2+ Alkoholen b) Parallele Entwicklung eines molekularen Katalysatorsystems, welches in der Flüssigphase die Carbonylierung von Methanol mit der Hydrierung der entstehenden Carbonsäuren kombiniert und damit die direkte Homologisierung ermöglicht. c) Zudem sollen im Rahmen des Projektes unterschiedliche reaktionstechnische Konzepte (loop Reaktor, Mehrphasenkatalyse, Katalysatorimmobilisierung) für die Durchführung der Flüssigphasenreaktionen evaluiert und für den aussichtsreichten Fall demonstriert werden.

Teilprojekt Uni Frankfurt

Das Projekt "Teilprojekt Uni Frankfurt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Frankfurt am Main, Institut für Molekulare Biowissenschaften durchgeführt. In dem Verbundvorhaben BioC4 aus privaten und öffentlichen Europäischen Partnern soll ein industrieller Prozess zur fermentativen Herstellung von Bio-Isobutanol aus Miscanthus-Energiepflanzen sowie pflanzlichen Reststoffen entwickelt werden. Isobutanol ist eine vielversprechende Basischemikalie mit hohem Marktpotential, die zu anderen wertvollen Chemikalien umgewandelt oder als hochwertiger Biokraftstoff eingesetzt werden kann. Seine Herstellung mit Hilfe von rekombinanten Hefen als robusten Mikroorganismen ist ansatzweise gelungen, die bisher erreichten Produktionsraten und Ausbeuten genügen allerdings nicht den Anforderungen einer ökonomisch vertretbaren industriellen Herstellung. In diesem Teilprojekt sollen daher die Limitierungen der Isobutanol-Synthese in Hefen analysiert und Optimierungsmöglichkeiten entwickelt werden. Isobutanol kann in Hefen durch eine Kombination aus Valin-Biosynthese und -Abbau synthetisiert werden. Hefen vergären Zucker normalerweise über das Stoffwechselintermediat Pyruvat hauptsächlich zu Ethanol. Pyruvat ist aber auch das Ausgangssubstrat der Isobutanol-Synthese. Zur Steigerung der Isobutanol-Produktion wird daher zunächst durch genetische Modifikationen die Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol blockiert. Danach soll die Einspeisung von Pyruvat in den Isobutanol-Weg verbessert und die Synthese anderer Nebenprodukte blockiert werden. Die einzelnen Enzyme des Isobutanol-Weges werden biochemisch charakterisiert und mittels genetischer Methoden optimiert. Ebenso wird die Redoxcofaktor-Balance angepasst. Letztendlich erfolgt eine Feinabstimmung des gesamten Biosynthese-Wegs zur weiteren Steigerung der Isobutanol-Produktionsraten und -Ausbeuten. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Steigerung der Isobutanol-Toleranz untersucht. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wird letztlich ein industrieller Hefestamm entwickelt, der sowohl die Hexosen als auch Xylose in lignocellulosischen Hydrolysaten optimal zu Isobutanol vergären kann.

Teilprojekt B

Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, Institutsteil Straubing, Bio-, Elektro- und Chemokatalyse durchgeführt. TEMPEST ist eine Plattformtechnologie für die in-vivo Modifikation von Alkoholen und organischen Säuren, welche in der modifizierten Form eine einfache in-situ Abtrennung und Aufreinigung dieser bio-basierten Zielprodukte in fermentativen Prozessen erlaubt. Somit adressiert TEMPEST eine zentrale Herausforderung von mikrobiellen Bioraffinerieprozessen: Die Produktaufreinigung von sehr gut wasserlöslichen Zielverbindungen aus der Fermentationsbrühe, die bis heute einer der größten Kostenfaktoren von bio-basiert hergestellten Produkten ist. Zusätzlich bietet die in-vivo Modifikation einen direkten Zugriff auf sekundäre Produkte wie Polymere oder Olefine, womit TEMPEST die Basis für eine breitere Anwendung in der Bioökonomie finden soll. Basierend auf Ansätzen der Synthetischen Biology werden Enzyme und Produktionsstämme zur Herstellung der modifizierten Alkohole und Säuren entwickelt. Während der beantragten Förderperiode soll der Beweis für die Funktionalität dieser Technologieplattform erbracht werden, indem ein Produktionsstamm erzeugt wird, welcher modifizierte Alkohole bzw. organische Säuren herstellt, der Herstellungsprozess und die Aufreinigung optimiert und ein Up-Scale-Konzept für einen Fermentations-Maßstab von 1.000 L erarbeitet wird.

Teilprojekt A

Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse durchgeführt. Das beantragte Vorhaben verfolgt die vom Cluster BioEconomy angestrebten Hauptziele der nachhaltigen Maximierung der Wertschöpfung von Non-Food Biomasse mit dem Schwerpunkt Holz und der Beschleunigung der Innovation durch die integrierte Skalierung von Prozessen und Anlagen bis zum Demonstrationsmaßstab. Der Aufschluss von Holz mit Alkohol-Wasser-Mischungen ermöglicht die Gewinnung aller Komponenten von Lignozellulose sowie die Herstellung von biobasierten Plattformchemikalien auf Zellulose-, Hemizellulose- und Ligninbasis und damit die vollständige stoffliche Nutzung der Lignozellulose. Im hier skizzierten Projekt geht es nun um die Fortsetzung des Projektes im Spitzencluster BioEconomy mit dem Ziel, die Umsetzung des Verfahrens in einer Demonstrationsanlage auf verschiedenen Ebenen voranzutreiben. Neben der Klärung technischer und wirtschaftlicher Fragen als Voraussetzung der Umsetzung des Biomasse-Aufschlusses im Demonstrationsmaßstab werden verschiedener Standortoptionen für die Demonstrationsanlage recherchiert und Betriebskonzeptes entwickelt. Des Weiteren werden Untersuchungen zur Anwendbarkeit der Produktströme 'Zucker' und 'Lignin' in Produktionsverfahren für marktfähige Produkte durchgeführt. Das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) bearbeitet dabei federführend die Prozessentwicklung und -optimierung und stellt die Versorgung assoziierter Spitzencluster-Projekte mit Reststoffen zur energetischen Nutzung sicher.

New Burner Technologies for Low Grade Biofuels to Supply Clean Energy for Processes in Biorefineries (BIO-PRO)

Das Projekt "New Burner Technologies for Low Grade Biofuels to Supply Clean Energy for Processes in Biorefineries (BIO-PRO)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Fakultät für Energietechnik, Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen durchgeführt. Mit Techniken der flammlosen Oxidation und der kontinuierlichen Luftstufung sollen die Emissionen beispielsweise von Stickoxiden um mehr als 50 Prozent gesenkt werden. Durch diese speziell für heizwertarme Brennstoffe geeigneten Technologien kann zudem das Spektrum an Brennstoffen wesentlich verbreitert werden. Vor allem Reststoffe aus so genannten Bio-Refineries - damit bezeichnet man Industrieprozesse mit biogenen Rohstoffen - sollen auf diese Weise genutzt werden. Dies können Abfälle aus Mühlen-betrieben sein, Gas aus Biogasanlagen, Abfallgase aus der Herstellung von Bio-Kunststoffen oder Gär-Rückstände aus der Biogas- oder Bio-Alkoholproduktion. Durch diese Art der Reststoffverwertung kann bei Verbrennungsprozessen in Zukunft auf wertvolles Erdgas verzichtet werden. Ziel ist es, zwei Brennertypen zu entwickeln, einen für gasförmige und flüssige Brennstoffe und einen für feste Brennstoffe. Während der dreijährigen Projektlaufzeit soll die Entwicklung über verschiedene Prototypen in die industrielle Erprobung münden.

Energy saving in the manufacture of ethanol with simultaneous reduction of pollution

Das Projekt "Energy saving in the manufacture of ethanol with simultaneous reduction of pollution" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hans-Egon Frangmeier durchgeführt. Objective: The aim of the project is to include two innovative unit operations in an ethanol from biomass total system plant so as first to reduce the energy demand of the plant which becomes more energy self sufficient and, secondly, to improve its economics. The two unit operations are the pervaporation of the dilute ethanol-containing fractions originating from the distillation unit and the electrophoresis of the effluent from the biogas digesters treating the spent liquor after distillation. The yearly expected energy saving is slightly below 3 GWh for a production of about 8 x 1000 hl ethanol and the treatment of about 28 x 1000 m3 effluent. The payback is 3.5 years on average for the two innovative unit operations, by comparison with a similar total system plant without the two improved unit operations. General Information: The pervaporation process uses synthetic membranes to separate water from a dilute ethanol-containing solution in order to concentrate the ethanol in the latter. The membrane consists of an inactive porous backing-layer and an active pore-free layer, a few micrometre tick, consisting of cross-linked and specially treated polyvinylalcohol. The electrophoresis plant consists of a semi permeable filter which separates two chambers. The lower chamber contains a moving brine (NaCl) solution and the positive electrode. The upper chamber (floating on top of the brine) contains the effluent to be treated and the negative electrode. The pervaporation unit is linked with the distillation treating the dilute plant ethanol-containing mash originating from the fermentation plant and the electrophoresis unit is linked to treat the effluent from methane digesters treating anaerobically the spent liquor from the distillation unit before final disposal. The dilute ethanol-containing stream is heated and introduced in a fractionation distillation tower. Anhydrous ethanol is removed at one particular height of the tower. High ethanol-containing condensates are recycled. Low ethanol-containing condensates pass through the pervaporation plant before being recycled. Energy and mass balances as well as pressures and temperatures will be continuously monitored for the pervaporator as a function of quantitative and qualitative changes in membrane modules. Achievements: The project had to be abandoned in 1992 for two main reasons: - the permit for building the digester next to the factory was not granted by the Municipality and no agreement had been reached so far concerning another site. Consequently, it was no possible to implement the electrophoresis unit; - there was a lack of techno-economic success prospect for the pervaporation step. 2 pervaporation units of different makes were tested. None of them were able to reach the initial specifications, i.e. 2,000 l/d ethanol at 99.8 vol per cent on a stable basis. One of the 2 units succeeded in reaching the specified concentration. However, with the time, the flow rate and concentration were

Teilprojekt B

Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Biologie II, Bereich Mikrobiologie durchgeführt. Die Verarmung fossiler Ressourcen und die Emission von Treibhaus-Gasen erfordern neue Strategien zur Nutzung von alternativen, nachhaltigen Ressourcen wie z.B. Lignocellulose. Derzeitig genutzte Verfahren benötigen jedoch aufgrund der stabilen und widerspenstigen Beschaffenheit von Lignocellulose weitere Optimierung. Archaeen wurden als dritte Domäne des Lebens vor ca. 40 Jahren etabliert. Sie dominieren extreme Habitate und gewinnen aufgrund ihrer Robustheit, ihrer einzigartigen Stoffwechseleigenschaften und stabilen Enzyme 'Extremozyme' ein wachsendes Interesse. Jedoch sind Archaeen in Bezug auf biotechnologische Anwendungen weitgehend ungenutzt. Wir haben Sulfolobus acidocaldarius (Wachstum bei 75-80°C und pH 2-3) als unseren 'in vivo' Plattform-Organismus ausgewählt, da seine Wachstumsbedingungen denen zur Vorbehandlung von Lignocellulose (verdünnte Säure und Hitze) entsprechen. Für S. acidocaldarius sind genetische Werkzeuge und Methoden etabliert, die es ermöglichen neue Stoffwechseleigenschaften in den Organismus einzubringen ('metabolic engineering').Das Ziel des Projektes ist es S. acidocaldarius als Chassis für die Produktion von Chemikalien aus Lignocellulose und als thermoacidophilen Biodetektor zu entwickeln. Dabei soll exemplarisch die Produktion von Bioalkoholen/Biotreibstoffen (hier Ethanol und Isobutanol) mit S. acidocaldarius entwickelt sowie an der Optimierung thermophiler Enzymkaskaden (in vitro 'metabolic engineering') gearbeitet werden. Der Einsatz von hitzestabilen Biokatalysatoren und die Durchführung von Reaktionen bei höheren Temperaturen bieten zahlreiche Vorteile wie z.B. erhöhte Löslichkeit, Vermeidung von Kontaminationsproblemen und vereinfachte Weiterverarbeitung für die Produktgewinnung (z.B. für flüchtige Produkte). Der Einsatz von S. acidocaldarius eröffnet somit neue Horizonte für alternative Prozesstechnologien (neue 'Ein-Topf' Strategien) mit Vorteilen bei der Rohstoffvorbehandlung, Prozessdurchführung und Produktgewinnung.

Teilprojekt E

Das Projekt "Teilprojekt E" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Braunschweig, Institut für Biochemie und Biotechnologie, Abteilung Bioinformatik und Biochemie durchgeführt. Die Verarmung fossiler Ressourcen und die Emission von Treibhaus-Gasen erfordern neue Strategien zur Nutzung von alternativen, nachhaltigen Ressourcen wie z.B. Lignocellulose. Derzeitig genutzte Verfahren benötigen jedoch aufgrund der stabilen und widerspenstigen Beschaffenheit von Lignocellulose weitere Optimierung. Archaeen wurden als dritte Domäne des Lebens vor ca. 40 Jahren etabliert. Sie dominieren extreme Habitate und gewinnen aufgrund ihrer Robustheit, ihrer einzigartigen Stoffwechseleigenschaften und stabilen Enzyme 'Extremozyme' ein wachsendes Interesse. Jedoch sind Archaeen in Bezug auf biotechnologische Anwendungen weitgehend ungenutzt. Wir haben Sulfolobus acidocaldarius (Wachstum bei 75-80°C und pH 2-3) als unseren 'in vivo' Plattform-Organismus ausgewählt, da seine Wachstumsbedingungen denen zur Vorbehandlung von Lignocellulose (verdünnte Säure und Hitze) entsprechen. Für S. acidocaldarius sind genetische Werkzeuge und Methoden etabliert, die es ermöglichen neue Stoffwechseleigenschaften in den Organismus einzubringen ('metabolic engineering').Das Ziel des Projektes ist es S. acidocaldarius als Chassis für die Produktion von Chemikalien aus Lignocellulose und als thermoacidophilen Biodetektor zu entwickeln. Dabei soll exemplarisch die Produktion von Bioalkoholen/Biotreibstoffen (hier Ethanol und Isobutanol) mit S. acidocaldarius entwickelt sowie an der Optimierung thermophiler Enzymkaskaden (in vitro 'metabolic engineering') gearbeitet werden. Der Einsatz von hitzestabilen Biokatalysatoren und die Durchführung von Reaktionen bei höheren Temperaturen bieten zahlreiche Vorteile wie z.B. erhöhte Löslichkeit, Vermeidung von Kontaminationsproblemen und vereinfachte Weiterverarbeitung für die Produktgewinnung (z.B. für flüchtige Produkte). Der Einsatz von S. acidocaldarius eröffnet somit neue Horizonte für alternative Prozesstechnologien (neue 'Ein-Topf' Strategien) mit Vorteilen bei der Rohstoffvorbehandlung, Prozessdurchführung und Produktgewinnung.

Teilprojekt D

Das Projekt "Teilprojekt D" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Institut für Bioinformatik und Systembiologie durchgeführt. Die Verarmung fossiler Ressourcen und die Emission von Treibhaus-Gasen erfordern neue Strategien zur Nutzung von alternativen, nachhaltigen Ressourcen wie z.B. Lignocellulose. Derzeitig genutzte Verfahren benötigen jedoch aufgrund der stabilen und widerspenstigen Beschaffenheit von Lignocellulose weitere Optimierung. Archaeen wurden als dritte Domäne des Lebens vor ca. 40 Jahren etabliert. Sie dominieren extreme Habitate und gewinnen aufgrund ihrer Robustheit, ihrer einzigartigen Stoffwechseleigenschaften und stabilen Enzyme 'Extremozyme' ein wachsendes Interesse. Jedoch sind Archaeen in Bezug auf biotechnologische Anwendungen weitgehend ungenutzt. Wir haben Sulfolobus acidocaldarius (Wachstum bei 75-80°C und pH 2-3) als unseren 'in vivo' Plattform-Organismus ausgewählt, da seine Wachstumsbedingungen denen zur Vorbehandlung von Lignocellulose (verdünnte Säure und Hitze) entsprechen. Für S. acidocaldarius sind genetische Werkzeuge und Methoden etabliert, die es ermöglichen neue Stoffwechseleigenschaften in den Organismus einzubringen ('metabolic engineering'). Das Ziel des Projektes ist es S. acidocaldarius als Chassis für die Produktion von Chemikalien aus Lignocellulose und als thermoacidophilen Biodetektor zu entwickeln. Dabei soll exemplarisch die Produktion von Bioalkoholen/Biotreibstoffen (hier Ethanol und Isobutanol) mit S. acidocaldarius entwickelt sowie an der Optimierung thermophiler Enzymkaskaden (in vitro 'metabolic engineering') gearbeitet werden. Der Einsatz von hitzestabilen Biokatalysatoren und die Durchführung von Reaktionen bei höheren Temperaturen bieten zahlreiche Vorteile wie z.B. erhöhte Löslichkeit, Vermeidung von Kontaminationsproblemen und vereinfachte Weiterverarbeitung für die Produktgewinnung (z.B. für flüchtige Produkte). Der Einsatz von S. acidocaldarius eröffnet somit neue Horizonte für alternative Prozesstechnologien (neue 'Ein-Topf' Strategien) mit Vorteilen bei der Rohstoffvorbehandlung, Prozessdurchführung und Produktgewinnung.

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