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Stärke und Zucker

Stärke ist ein pflanzlicher Reservestoff, der in Form von Stärkekörnern in Speicherorganen von Pflanzen (Körner, Knollen, Wurzeln oder Mark) angereichert wird. Stärke wird sowohl im Lebensmittel - als auch im technischen Bereich in breitem Umfang eingesetzt. Die landwirtschaftliche Erzeugung von stärkehaltigen Rohstoffen erfolgt in Deutschland durch den Anbau von Kartoffel, Weizen und Körnermais. In der Zukunft könnten die Markerbse und Neuzüchtungen mit sehr hohem Amylose- ("Amylo-Mais") oder Amylopektinanteil (z. B. Amylose-freie Kartoffel) Bedeutung erlangen, da sich hierdurch verarbeitungs- und anwendungstechnische Vorteile ergeben. Hinsichtlich der Verwendung werden drei wesentliche Produktlinien unterschieden - native Stärke (Papier, Pappe, Leime, Kleber, Gipskartonplatten, Textilverarbeitung, Kosmetika), - modifizierte Stärke (Lacke, Streichfarben, Bindemittel (Quellstärken), kationische Stärken, Papier, Pappe, Tabletten, Stärkeether und -ester) etc. sowie - Verzuckerungsprodukte (Tenside, Sorbit, Kunststoffe, Vitamin C, Alkohole, Biotechnologie).

Stärke für die Papierindustrie - Optimierung der Bindekraft von Stärke beim Streichen von Papier und Karton (504)

Das Projekt "Stärke für die Papierindustrie - Optimierung der Bindekraft von Stärke beim Streichen von Papier und Karton (504)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Papiertechnische Stiftung München durchgeführt. Ziel des Projekts ist die Einstellung der Pigmentaffinität von Stärken. Damit sind die unerwünschten Migrationserscheinungen der Stärke etc. zu verringern, so dass ein insgesamt höherer Anteil an Stärke im gestrichenen Papier zum Einsatz kommen kann. Es werden Stärken mit unterschiedlichen Verhältnissen an Amylose zu Amylopektin für die Untersuchungen herangezogen. Ausgehend von zunächst Stärkefreien Streichfarben, die den Benchmark darstellen, werden im Labor- und Technikumsmaßstab Streichfarben mit stufenweise ansteigenden Stärkeanteilen vergleichend gegenüber gestellt. Dabei kommt den Untersuchungen der Pigmentaffinität und Migration der Stärken entscheidende Bedeutung zu, um die Stärkemenge hinsichtlich der erreichbaren Papierqualität optimieren zu können. Die Ergebnisse werden in Papierfabriken unter Produktionsbedingungen überprüft und bewertet. Stärke ist gegenüber synthetischer Latexprodukte das preisgünstigere Produkt, so dass neben einer Erhöhung des Anteils nachwachsender Rohstoffe auch wirtschaftliche Vorteile für die Papierproduzenten erreicht werden können. Neue Stärkemodifikationen können neue Einsatzgebiete ermöglichen.

Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur Generierung von Methan aus Stärkeschlichte in der textilen Vorbehandlung von Baumwolle

Das Projekt "Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur Generierung von Methan aus Stärkeschlichte in der textilen Vorbehandlung von Baumwolle" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ÖKOBIT GmbH durchgeführt. Das Ziel des vorgesehenen Projektes: In der Baumwollveredlung werden weltweit jährlich über eine Million Tonnen Stärkeschlichte eingesetzt, um den Kettfaden vor den mechanischen Belastungen beim Webprozess zu schützen. Nach der Weberei muss diese Schlichte wieder von der Rohbaumwolle entfernt werden, da sie nachfolgende Veredlungsstufen beeinträchtigen würde. Die klassische Entschlichtung von Baumwollgeweben wird seit vielen Jahrzehnten mit Amylasen durchgeführt, wobei die wasserunlösliche Stärkeschlichte enzymatisch zu wasserlöslichen Oligosacchariden hydrolysiert und ungenutzt mit dem Abwasser entsorgt wird. Die Entsorgung der entstehenden Kohlenhydrate führt wegen ihres außerordentlich hohen CSB-Wertes zu hohen Kosten für den Textilveredlungsbetrieb, und darüber hinaus gelten diese zuckerhaltigen Abwässer gerade wegen ihres CSB-Gehaltes als ökologisch bedenklich. Das Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur Weiterverwertung dieser zuckerhaltigen Abwässer aus der Baumwollentschlichtung. Dabei sollte die Stärke mit stärkespaltenden Enzymen zu kurzkettige Zuckern hydrolysiert werden, die in einem nachgeschalteten biotechnologischen Prozess in einer Biogasanlage zu Methan umgewandelt und im Weiteren zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung genutzt werden können. Fazit Die Projektpartner bewerten das Gesamtvorhaben als gelungen. Alle wesentlichen Projektziele wurden erreicht. Die aus ökonomischer und ökologischer Sicht gleichermaßen vielversprechenden Ergebnisse können die Grundlage für eine Kommerzialisierung des Verfahrens und der entsprechenden Anlagen initiieren. Allerdings bedarf es dafür einem weiteren Forschungsaufwand. Die Projektpartner streben daher im Nachgang des vorliegenden Forschungsvorhabens ein Folgeprojekt an, dass der DBU in Kürze zur Begutachtung vorgelegt werden soll. In einem entsprechend zu formulierenden Förderungsantrag werden die weiteren Projektziele neu definiert. Die Basis dafür bilden dabei die bisher vorliegenden Ergebnisse sowie insbesondere die Verfügbarkeit der bereits bei ÖKOBiT etablierten Technikumsanlage, aus der weitere wichtige Ergebnisse und Parameter hinsichtlich einer Anlagenoptimierung generiert werden können. Letztlich soll die weitere Projektierung in der Verwirklichung einer Pilotanlage bei der TV a.d.W. münden, sofern dieses aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten lohnend erscheint. Der Bau einer derartigen Anlage würde bei erfolgreicher Bearbeitung des Folgeprojektes in einem dritten Forschungsvorhaben angestrebt.

Teilvorhaben 1: Züchtung

Das Projekt "Teilvorhaben 1: Züchtung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von BIOPLANT - Biotechnologisches Forschungslabor GmbH durchgeführt. Kartoffelstärke zeigt aufgrund geringerer Verunreinigungen mit Nebenbestandteilen wie Fett und Eiweiß und einem höheren Phosphorylierungsgrad Vorteile gegenüber anderen pflanzlichen Stärkearten. Kartoffelstärke besteht zu 20 Prozent aus der unverzweigten Amylose und zu 80 Prozent aus dem hochverzweigten Amylopektin. Beide Moleküle eignen sich hervorragend für unterschiedliche technische Anwendungen, so dass die Züchtung von Amylose- und Amylopektinsorten wichtige Züchtungsziele sind. Diese Stärkequalitäten können nun weiter optimiert werden durch die Inaktivierung weiterer Gene, die für diverse Stärke-modifizierende Enzyme kodieren. Durch die Inaktivierung von Genen solcher Enzyme, die an der Stärkebiosynthese beteiligt sind, wird erreicht, dass jeweils nur eine der Stärkequalitäten gebildet wird und diese ggf. in einer weiterhin modifizierten Form. Aufwändige Aufreinigungsprozesse zur Auftrennung der Stärkekomponenten und weitere chemische Modifizierungsprozesse fallen fort. Deshalb sollen mittels einer EMS-Mutagnese und der anschließenden Hochdurchsatz-Sequenzierung neue Allele gefunden werden, die für schwach aktive bzw. inaktive Stärke-modifizierenden Enzyme kodieren.

Teilvorhaben 3: Forschungsarbeiten ueber einen umweltvertraeglichen, insbesondere abbaubaren Werkstoff auf Staerkebasis fuer Verpackungszwecke

Das Projekt "Teilvorhaben 3: Forschungsarbeiten ueber einen umweltvertraeglichen, insbesondere abbaubaren Werkstoff auf Staerkebasis fuer Verpackungszwecke" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ems-Chemie Deutschland durchgeführt. Mit dem zu foerdernden Projekt sollen die Eigenschaften von Staerke-Werkstoffen optimiert u. diese speziell fuer die thermoplastische Verarbeitbarkeit, insbesondere zu Folien u. Blistern geeignet gemacht werden. Die thermoplastischen Staerke-Werkstoffe sollen vollstaendig biologisch abbaubar u. speziell fuer den Einsatz im Verpackungsbereich geeignet sein. Fuer die Verarbeitung sollen drei Verfahren speziell untersucht werden:- Flachfolien-Herstellung - Blasfolien-Herstellung (auch Coextrusionsfolien mit anderen technischen Thermoplasten) -Kalendierung.Mit untergeordneter Prioritaet sollen die Eigenschaften von Staerkeverbund-Werkstoffen untersucht werden.

Teilvorhaben 2: Erbgut-Analytik

Das Projekt "Teilvorhaben 2: Erbgut-Analytik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie durchgeführt. Kartoffelstärke zeigt aufgrund geringerer Verunreinigungen mit Nebenbestandteilen wie Fett und Eiweiß und einem höheren Phosphorylierungsgrad Vorteile gegenüber anderen pflanzlichen Stärkearten. Kartoffelstärke besteht zu 20 Prozent aus der unverzweigten Amylose und zu 80 Prozent aus dem hochverzweigten Amylopektin. Beide Moleküle eignen sich hervorragend für unterschiedliche technische Anwendungen, so dass die Züchtung von Amylose- und Amylopektinsorten wichtige Züchtungsziele sind. Diese Stärkequalitäten können nun weiter optimiert werden durch die Inaktivierung weiterer Gene, die für diverse, Stärke-modifizierende Enzyme kodieren. Durch die Inaktivierung von Genen solcher Enzyme, die an der Stärkebiosynthese beteiligt sind, wird erreicht, dass jeweils nur eine der Stärkequalitäten gebildet wird und diese ggf. in einer weiterhin modifizierten Form. Aufwändige Aufreinigungsprozesse zur Auftrennung der Stärkekomponenten und weitere chemische Modifizierungsprozesse fallen fort. Deshalb sollen mittels einer EMS-Mutagenese und der anschließenden Hochdurchsatz-Sequenzierung neue Allele gefunden werden, die für schwach aktive bzw. inaktive Stärke-modifizierende Enzyme kodieren.

Anwendung von in-Vitro DNA-Rekombinationsmethoden zur effektiveren Praeparation technisch verwertbarer Proteine in Mikroorganismen

Das Projekt "Anwendung von in-Vitro DNA-Rekombinationsmethoden zur effektiveren Praeparation technisch verwertbarer Proteine in Mikroorganismen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Roehm Enzyme durchgeführt. Ziel dieses Projektes ist die Einfuehrung innovativer gentechnologischer Methoden fuer die Konstruktion von Produktionsstaemmen zur Gewinnung technisch relevanter Enzyme. Nachdem das Vorlaeuferprojekt gezeigt hat, dass Bakterien als Ueberproduzenten von bestimmten Enzymen nicht so geeignet sind, wird fuer Aspergillus-Arten (das sind niedere Pilze), die sich bereits in der klassischen Biotechnolgischen Formatation bewaehrt haben, der Versuch unternommen, ein Expressionsystem fuer die Enzyme alpha-Amylase, Polygalacturonidase und Pektinesterase zu entwickeln. Man nimmt die im Aspergillus verhandenen Gene, veraendert die Kontroll- (Ablese) Signale und erhoeht die Anzahl der Kopien und gibt sie in den Spenderstamm zurueck (homologe Expression). Da hierbei die Integration in Chromosomen erfolgen muss, ergeben sich grundsaetzlich neue Aspekte. Die Entwicklung eines Aspergillus-Expressionssystem ist von allgemeinem Interesse.

Risikoabschaetzung fuer industrielle Produktionen mit rDNA-Mikroorganismen (Umweltmonitoring)

Das Projekt "Risikoabschaetzung fuer industrielle Produktionen mit rDNA-Mikroorganismen (Umweltmonitoring)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hygiene-Institut Sachsen-Anhalt durchgeführt. Ausgangspunkt fuer das Vorhaben war eine Fallstudie fuer eine industrielle Produktion mit einem gentechnisch veraenderten Bacillus subtilis. Ziel der Arbeiten war die Entwicklung spezifischer und empfindlicher molekularbiologischer Methoden zum Nachweis des Produktionsstammes bzw seiner rekombinanten DNA in Umweltmedien. Neben selektiven Kultivierungstechniken (Plattierung auf Selektivnaehrmedien, most probable numbertechnic) wurden eine DNA- und eine immunologische Sonde zum Nachweis des Produktionsstammes bzw seiner DNA genutzt. Es wurden Proben aus Ueberlebensversuchen im Modelloekosystem und aus dem Boden aus der Umgebung einer Fermentationsanlage, in der dieser Stamm von 1986-90 genutzt wurde, untersucht. Etwa 100 auf Selektivnaehrmedium isolierte Umweltbakterien wurden mit Hilfe einer nichtradioaktiv markierten Gensonde auf das Vorhandensein rekombinanter Plasmid-DNA getestet. Ein in situ Transfer des rekombinanten Plasmides konnte nicht nachgewiesen werden. Um Informationen ueber rekombinante DNA zu erhalten, die im Boden in freier Form oder nach Transfer in nichtkultivierbaren Mikroorganismen vorliegt, wurde ein Protokoll zur Gewinnung von Gesamt-DNA und deren Reinigung entwickelt.

Entwicklung eines innovativen biotechnologischen Verfahrens zur Produktion hochwertiger Kohlenhydrate aus nachwachsenden Rohstoffen durch erstmaligen Einsatz des ext

Das Projekt "Entwicklung eines innovativen biotechnologischen Verfahrens zur Produktion hochwertiger Kohlenhydrate aus nachwachsenden Rohstoffen durch erstmaligen Einsatz des ext" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Hamburg-Harburg, Arbeitsbereich Technische Mikrobiologie durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Aufgrund seines breiten Substratspektrums nimmt das thermoalkaliphile Bakterium Anaerobranca gottschalkii (vormals bogoriae) eine Sonderstellung unter allen extremophilen Mikroorganismen ein und verfügt über eine Fülle von biotechnologisch interessanten Enzymen. Ziel des Projekts war es, durch den Einsatz von Biokatalysatoren aus diesem Mikroorganismus nachwachsende Rohstoffe wie Stärke bzw. Amylopectin und Amylose zu hochwertigen Kohlenhydraten (Cyclodextrine, verzweigte Dextrine und Oligosaccharide) umzusetzen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Das Genom des thermoalkaliphilen Bakteriums Anaerobranca gottschalkii wurde zunächst partiell sequenziert. Ziel des Teilprojekts war es, unter geringstem möglichem Aufwand und innerhalb kürzester Zeit alle oder möglichst viele Gene des Kohlenhydratstoffwechsels zu identifizieren. Die partielle Genomanalyse erfolgte über eine so genannte shotgun-Seqenzierung. Dabei wurde die genomische DNA mechanisch geschert, kloniert und an den Fragmentenden sequenziert. In 14.865 Sequenzierungsansätzen wurden 11.634 brauchbare Sequenzen mit einer Rohsequenz von 11,97 Mbp generiert. Die produzierten Sequenzfragmente wurden in einer Datenbank zusammengefasst und assembliert. Anschließend erfolgte die bioinformatische Auswertung über eine automatisch vorgenommene und manuell nachbearbeitete Annotation. Sequenzlücken in biotechnologisch relevanten Genen wurden durch Primerwalking geschlossen. Den Projektteilnehmern wurden Passwortgeschützte Zugangsrechte auf den die Sequenzinformationen enthaltenen Server eingerichtet. Mit Hilfe dieser Sequenzinformation wurden Gene ausgewählter Kohlenhydrat-metabolisierender Gene kloniert und exprimiert und die rekombinanten Enzyme gereinigt. Die Substrat- und Produktspektren dieser Enzyme wurden mittels HPLC, High performance anion exchange chromatography (HPAEC), Dünnschichtchromatographie (DC) und size exclusion chromatography (SEC) charakterisiert. Um die Thermostabilität der CGTase zu erhöhen, wurden über Errorprone PCR Mutationen in das die CGTase kodierende Gen eingeführt und die mutierten Gene anschließend über DNA-shuffling neu rekombiniert. Die Genbank erhaltener, mutierter CGTase-Varianten wurde auf erhöhte Thermostabilität gescreent. Zur Abschätzung der Thermostabilität wurde die Schmelztemperatur verschiedener Mutanten mittels differential scanning calorimetry (DSC) bestimmt. Des Weiteren wurde ein System zur Tat-abhängigen heterologen, sekretorischen Expression etabliert. Dies geschah über die Herstellung von Fusionsgenen aus biotechnologisch interessanten Genen von A. gottschalkii und verschiedenen Signalsequenzen.

Die Ermittlung der Strahlenexposition nach Unfaellen mit Hilfe von biochemischen Untersuchungen und Chemilumineszenzmessungen

Das Projekt "Die Ermittlung der Strahlenexposition nach Unfaellen mit Hilfe von biochemischen Untersuchungen und Chemilumineszenzmessungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesgesundheitsamt, Institut für Strahlenhygiene durchgeführt. Bei Zwischenfaellen, die zu einer erhoehten Strahlenexposition von Personen fuehren, ist es in vielen Faellen notwendig, unabhaengig von der physikalischen Routinedosisueberwachung weitere Informationen ueber die tatsaechliche Exposition des Organismus zu erhalten. Zur Erreichung dieses Zieles sollen im Rahmen des Forschungsvorhabens zwei unterschiedl. Wege verfolgt werden. Als erstes sollen Untersuchungen direkt am Menschen (an Strahlentherapiepatienten) zur Ermittlung der Hoehe einer Strahlenexposition vorgenommen werden. Zweitens soll untersucht werden, ob auch Materialien aus der unmittelbaren Umgebung des oder der Verunfallten zur Dosisermittlung herangezogen werden koennen. Die biochem. Untersuchungen zur Ermittlung der Hoehe der Strahlenexposition sollen an Strahlentherapiepatienten vorgenommen werden, da die Uebertragbarkeit von Tierexperimenten auf den Menschen oft nicht gewaehrleistet ist. In diesem Zusammenhang sind folgende Untersuchungen vorgesehen, bzw. laufen bereits: Untersuchungen des Serumthymidinspiegels, Bestimmungen der Aktivitaet der Serumamylase, die Messung der elektrophoretischen Mobilitaet von zellulaeren Blutbestandteilen, andere Veraenderungen an Zellmembranen, wie z.B. die unterschiedl. Kopplung von Lektinen an Zellmembrane vor und nach einer Bestrahlung. Untersuchungen an Feststoffen aus der Umgebung des Unfallortes mit Hilfe der Chemilumineszenzmessung zeigten, dass bei der Verwendung von in waessrigen Loesungen loeslichen Substanzen Strahlendosen von weniger als 0,1 Gy nachgewiesen werden koennen. Sehr viel schwieriger ist die Abschaetzung einer niedrigen Strahlendosis, wenn nur unloesliche Substanzen z. Verfueg. stehen.

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