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.
Das Vorhaben befasst sich mit der schnellen Analyse von Prozesszuständen in Biogasanlagen. Ziel ist es, den Betrieb von Fermentern im Grundlastbetrieb zu stabilisieren und Gaserträge zu maximieren. Für eine bedarfsangepasste Fahrweise kann die Prozesskontrolle erheblich verbessert werden, es ergeben sich deutlich verbesserte Möglichkeiten den Betrieb zu steuern und zu optimieren. Dabei kommen die zytometrischen und bioinformatischen Monitoring-Tools CyBar und CHIC zur Messung von Strukturveränderungen der Biozönose zum Einsatz. Ausgeführt werden sollen diese Tools an einem Pfropfenstrom- und einem Rührkesselfermenter. Die Methanproduktion soll durch Kontrolle und Parametersteuerung verbessert werden. Im Fokus stehen Qualität und Quantität der Substratgabe sowie Temperaturänderungen. Dynamische Prozesse in beiden Reaktoren sollen über quasi-online Messungen systematisch erfasst werden. Die räumlich variable Abundanz von Mikroorganismen in teildurchmischten Systemen kann mit dem vorgestellten Ansatz überprüft werden und erlaubt Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und die Mischgüte des untersuchten Systems. Das Projekt ist auf eine Gesamtlaufzeit von 3 Jahren angelegt. Es gliedert sich in 11 Arbeitspakete, die in 5 Meilensteinen zusammengefasst werden. Wissenschaftliche und technische Ziele sind in separaten Teilvorhaben gefasst. Die zeitliche Gliederung des Vorhabens ergibt sich aus der Meilensteinplanung M1: Anpassung mikrobieller Methoden, Etablierung abiotischer und biotischer Monitoringparameter und bioinformatischer Datenerfassung M2: Kontinuierlicher Anlagenbetrieb in Grundlast, Quantifizierung der Archaea M3: Technische Bewertung und Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose in Abhängigkeit von Raumbelastung und Füllstand sowie zwischen meso- und thermophiler Fahrweise M4: Technische Bewertung und Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose bei Störungen M5: Flexibilisierung im optimierten Betrieb.
Das Vorhaben befasst sich mit der schnellen Analyse von Prozesszuständen in Biogasanlagen. Ziel ist es, den Betrieb von Fermentern im Grundlastbetrieb zu stabilisieren und Gaserträge zu maximieren. Für eine bedarfsangepasste Fahrweise kann die Prozesskontrolle erheblich verbessert werden, es ergeben sich deutlich verbesserte Möglichkeiten den Betrieb zu steuern und zu optimieren. Dabei kommen die zytometrischen und bioinformatischen Monitoring-Tools CyBar und CHIC zur Messung von Strukturveränderungen der Biozönose zum Einsatz. Ausgeführt werden sollen diese Tools an einem Pfropfenstrom- und einem Rührkesselfermenter. Die Methanproduktion soll durch Kontrolle und Parametersteuerung verbessert werden. Im Fokus stehen Qualität und Quantität der Substratgabe sowie Temperaturänderungen. Dynamische Prozesse in beiden Reaktoren sollen über quasi-online Messungen systematisch erfasst werden. Die räumlich variable Abundanz von Mikroorganismen in teildurchmischten Systemen kann mit dem vorgestellten Ansatz überprüft werden und erlaubt Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und die Mischgüte des untersuchten Systems. Das Projekt ist auf eine Gesamtlaufzeit von 3 Jahren angelegt. Es gliedert sich in 11 Arbeitspakete, die in 5 Meilensteinen zusammengefasst werden. Wissenschaftliche und technische Ziele sind in separaten Teilvorhaben gefasst. Die zeitliche Gliederung des Vorhabens ergibt sich aus der Meilensteinplanung M1: Anpassung mikrobieller Methoden, Etablierung abiotischer und biotischer Monitoringparameter und bioinformatischer Datenerfassung M2: Kontinuierlicher Anlagenbetrieb in Grundlast, Quantifizierung der Archaea M3: Technische Bewertung und Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose in Abhängigkeit von Raumbelastung und Füllstand sowie zwischen meso- und thermophiler Fahrweise M4: Technische Bewertung und Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose bei Störungen M5: Flexibilisierung im optimierten Betrieb.
Um den Aufschluss der Lignocellulose aus Getreidestroh kostengünstiger und effizienter zu machen sollen mikrobieller Enzyme wie Cellulasen, Hemicellulasen, Laccasen und Peroxidasen aus extremophilen Mikroorganismen (vorwiegend Archaea) isoliert werden. Die DSMZ besitzt weltweit die umfangreichste Sammlung extremophiler Mikroorganismen. Das Temperaturoptimum der Cellulaseenzyme dieser extremophilen Organismen liegt oft bei etwa 80 Grad C, was u.a. die Gefahr einer Kontamination mit anderen mesophilen Bakterien reduziert. Dadurch wird sich die Ausbeute an Zucker und damit in Folge auch die Bioethanolproduktion erhöhen. Um das Ziel zu erreichen, wird die DSMZ zunächst extremophile Organismen auf ihre cellulolytische Aktivitäten hin untersuchen und dem Verbundpartner SeqLab zur DNA-Sequenzierung zur Verfügung stellen. Außerdem wird die DSMZ SeqLab bei der Suche nach cellulolytischen Genen, die durch Metagenomanalyse von Umweltproben erhalten wurden, mit ihrer Bioinformatik unterstützen. Die Neuisolate der cellulolytischen Mikroorganismen werden von der DSMZ in Reinkultur genommen, chemotaxonomisch charakterisiert und unter besonderer Berücksichtigung der metabolischen Eigenschaften phänotypisiert werden. Dies ist notwendig um die Neuisolate valide benennen zu können. Die axenischen Kulturen der identifizierten Stämme werden an der DSMZ durch Gefriertrocknung und Lagerung konserviert, damit sie für die Herstellung von Enzymen zur Verfügung stehen.