Das Projekt "Entwicklung eines innovativen Sensorsystems zur ressourcenschonenden Steuerung alkoholischer Gärungen am Beispiel der Most- und Sektgrundweinverarbeitung - Förderschwerpunkt: Biotechnologie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die Herstellung von Wein ist ein Handwerk mit alter Tradition und wird bestimmt vom Wissen und der Erfahrung der Winzer. Die Biotechnologie hat in der Kellerwirtschaft bisher nur wenig Einzug gehalten. In den letzten Jahren kam es bei der Herstellung von Wein und Sekt zunehmend zu nicht aufgeklärten Gärstörungen, die aufgrund mangelnder Steuerung zu spät erkannt wurden und somit zur Produktion qualitativ minderwertiger Weine und Sekte oder zu Fehlchargen führten. Zielsetzung des Projekts war die Entwicklung eines Sensorsystems auf Basis der biologischen Aktivität der Hefen, das die Vergärbarkeit des einzusetzenden Gärsubstrats (Most oder Sektgrundwein) überprüft und zur Steuerung der alkoholischen Gärung eingesetzt werden kann. Eine Vorabprüfung der Vergärbarkeit soll eine Vorhersage von Gärstörungen ermöglichen und durch den gezielten Einsatz von Gärhilfsstoffen Fehlchargen vermindern. Aus ökologischer Sicht können aus den Erkenntnissen zur Qualität der Moste und Grundweine Strategien für eine umweltschonende Düngung und Bearbeitung der jeweiligen Rebanlagen abgeleitet werden. Zweites Ziel war die Entwicklung eines Sensors, mit dessen Hilfe die physiologischen Vorgänge bei der alkoholischen Gärung online oder zumindest zeitnah verfolgt werden können. Ein solches Messsystem existiert bislang nicht; die Gäransätze in den Kellereien werden vielmehr noch als black-box-Systeme gehandhabt. So können Gärstörungen erst dann festgestellt werden, wenn es für Maßnahmen zu ihrer Beseitigung in der Regel zu spät ist. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Das Messsystem beruht auf der amperometrischen Detektion redoxaktiver Stoffwechselintermediate der Hefen. Die Hefen oxidieren Fruktose und Glukose mittels verschiedener Enzyme zu Kohlendioxid und Ethanol. Enzyme, Reaktionsprodukte von Enzymreaktionen sowie die Moleküle der Elektronentransportkette sind elektrochemisch aktive Substanzen. Für erste grundlegende Arbeiten wurde eine Messzelle entwickelt, die mit standardisierten Elektroden ausgestattet wurde. Die Elektroden werden an einen Potentiostaten angeschlossen. Außerdem können weitere Elektroden eingesetzt werden, um Parameter wie das Redoxpotenzial parallel online zu messen. Die analogen Signale der Elektroden bzw. des Potentiostaten werden über einen Analog-/Digital-Wandler in einen Computer gespeist. Die Zelle besteht aus Glas und verfügt über einen Doppelmantel zur Temperierung des Inhalts. Das Volumen der Zelle beträgt etwa 270 ml. Es ist möglich die Zelle im Batchbetrieb zu führen oder einen Bypass anzuschließen. Es wurden erste Versuche zur Vergärbarkeit mit verschiedenen Medien und zum online-Monitoring in dieser Zelle durchgeführt. Nachteilig an dem Elektrodenaufbau ist die relativ schlecht reproduzierbare Anströmung der Elektrodenoberfläche, was zu Abweichungen in den absolut gemessenen Strömen führte. ...
Das Projekt "InnovationsCentrum Biokatalyse ICBio - Enzymatische Altfettalkoholyse zur Herstellung von Wertstoffen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Braunschweig, Institut für Ökologische Chemie und Abfallanalytik durchgeführt. In der metallverarbeitenden Industrie werden Mineralölprodukte zum Kühlen und Schmieren der Werkzeuge und Werkstücke eingesetzt. Diese Kühlschmierstoffe (KSS) gelten nach ihrem Standzeitende in der Regel als besonders überwachungsbedürftige Abfälle. Trotz technologischer Vorteile finden biologisch abbaubare Esteröle wegen ihres hohen Preises kaum Verwendung als KSS. Ziel des Projektes war es, mit Hilfe biotechnologischer Verfahren und unter Einsatz von Altfetten preisgünstige Alternativen der Esterölherstellung und des Einsatzes als Kühlschmierstoff zu entwickeln. Die bekannte chemische Reaktion Fett + Alkohol Ester(öl) + Glycerol läuft bei hoher Temperatur um 250 Grad C, hohem Druck und/oder unter Verwendung von Katalysatoren ab. Mit Hilfe von Enzymen (Lipasen) war es der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) möglich, die Reaktion in einem einstufigen Prozess bei Temperaturen von 50 bis 70 Grad C mit hohen msatzraten durchzuführen. Durch die Kombination unterschiedlicher Modell- und Altfette mit verschiedenen Alkoholen wurden von der BAM über 40 Esteröle hergestellt und Eigenschaften wie Flammpunkte, Dichten, Viskositäten und Pour-Points bestimmt. Anhand dieser Kennzahlen, der Umsatzraten und der Alkoholpreise wurden drei Esteröle aus Altfett, Erdnussfett und Rindertalg ausgewählt und in größeren Mengen im 100 Liter-Reaktor hergestellt. Die Einsatztauglichkeit dieser drei Esteröle als Kühlschmierstoffe wurde durch Metallbearbeitungstests am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig (IWF) ermittelt. In einem nächsten Schritt wurden nach Optimierungsuntersuchungen über den Prozess der enzymatischen Alkoholyse in einem 3 t-Reaktor 3000 L Esteröl aus Altfett und 2-Ethyl-1-Hexanol hergestellt. Die Testung des Esteröls als Kühlschmierstoff erfolgte in der Serienfertigung von Pkw-Komponenten. Das Ergebnis der Untersuchungen ist, dass die enzymatisch hergestellten Esteröle hinsichtlich ihrer schleif- und kühlspezifischen Eigenschaften den Anforderungen prinzipiell gerecht werden. Technologische Probleme gab es dagegen mit der Filtrierung. Diese Unregelmäßigkeiten hatten ihre Ursache in der Reaktion des Ca-haltigen Filtermaterials mit im Esteröl enthaltenen freien Fettsäuren unter Bildung von Carboxylaten (Ca-Seifen). Parallel zu den technologischen Untersuchungen wurde der gesamte Lebensweg des Produkts Kühlschmierstoff ökobilanziert und es wurden Kostenrechnungen aufgestellt.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Chemische Derivatisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Technologie der Kohlenhydrate - Zuckerinstitut durchgeführt. Durch die Immobilisierung des Biokatalysators können gegebenenfalls die Prozeßkosten zur Herstellung der Zwischenprodukte DFA-III/FOS entscheidend verringert werden. Da es sich um extrazelluläre Enzyme handelt soll die Immobilisierung durch ionische Bindung an Anionenaustauscher-Harze näher untersucht werden. AlkylfructosideAls Ausgangssubstanzen für die Fischer-Synthese zu den Alkylfructosiden wird kristallines DFA-III eingesetzt. Messungen zur Stabilität der beiden glycosidischen Bindungen sollen neben der Umsetzung zu den Alkylfructosiden die Möglichkeit einer differenzierten Umsetzung zu Disaccharid-Tensiden abgrenzen. Die Synthese von längerkettigen Alkylfructosiden kann entweder durch direkte Umsetzung von DFA-III in Fettalkohol oder durch Umsetzung von DFA-III zu kurzkettigen Alkylfructosiden mit anschließender Transglycosidierung in Fettalkohol erfolgen. Für beide Möglichkeiten sollen Verfahrensweisen erarbeitet werden. Die Immobilisierung wurde an unterschiedlichen Anionenaustauscher-Harzen in verschiedenen Beladungsformen (OH-, PO43- und CL--Form) durchgeführt. Dabei erfolgte eine Adsorption unter Erhalt der Aktivität der Inulasen II nur an den schwach basischen Harz IRA 68 in der OH--Form reproduzierbar. Die Immobilisierung der Enzyme ist in dieser Form nicht stabil. Bei Umsetzungen mit salzhaltigen Inulinlösungen erfolgt eine Ablösung der Enzyme. Um eine festere Bindung zwischen Träger und Enzym zu erhalten, wurde nach der Immobilisierung das Immobilisat mit Glutardialdehyd behandelt. Dies führt zu einer Quervernetzung der Enzyme untereinander und ergibt somit eine stärkere Fixierung der Inulasen II an den Tauscher, was zu einem deutlich stabilerem Immobilisat führt.AlkylfructosideDas Katalysatorscreening zeigt, daß Reaktionen mit stark sauren Katalysatoren nur zu Abbauprodukten führen und mit schwachen Säuren keine Reaktion stattfindet. Katalysatoren von mittlerer Acidität (pKa ca. 1) haben sich für die Umsetzung von DFA-III zu Alkylfructosiden als geeignet erwiesen. Die Synthese von Disaccharid-Produkten ist nicht in akzeptablem Umfang durchführbar. Die Direktsynthese von Dodecylfructosiden aus 1-Dodecanol und DFA-III ermöglicht lediglich Ausbeuten von 1-2 Prozent. Butylfructoside können durch Umsetzung von DFA-III in 1-Butanol mit Clays als Katalysatoren in einer Ausbeute von 25 Prozent erhalten werden, die in der folgenden Transglycosidierung zu den Dodecylfructosiden umgesetzt werden. Aufgrund der geringen thermischen Stabilität der Produkte wurde statt der Destillation ein Festphasen-Extraktionsverfahren entwickelt, mit dem sich Dodecanol von den Dodecylfructosiden ohne thermische Belastung abtrennen läßt.