Das Projekt "Teilvorhaben 1: Biokatalytische Konversion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft Braunschweig-Völkenrode, Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Abteilung Technologie durchgeführt. Im Rahmen eines von der Fachagentur fuer Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefoerderten Verbundprojektes wird die Nutzung von Inulin mit Hilfe biotechnischer und katalytischer Methoden bearbeitet. Inulin ist wie Staerke ein pflanzlicher Speicherstoff, der z.B. von Zichorien, Dahlien und Topinambur gebildet wird. Er besteht aus beta-2,1-glykosidisch verknuepften Fructoseeinheiten mit einer terminalen Glucose. Der Polymerisationsgrad liegt fuer gewoehnlich bei ca. 15 Einheiten. Inulin und daraus zu gewinnende Verbindungen finden zunehmend im Lebensmittelsektor Anwendung (Oligofructosen), koennen aber auch als Edukte fuer die chemische Industrie zur Produktion von Polymeren und Komplexbildnern eingesetzt werden. In einem ersten biotechnischen Schritt wird Inulin durch Bakterien in ein Zwischenprodukt umgesetzt. Die hierfuer erforderlichen Mikroorganismen werden im Rahmen eines Screeningprogrammes isoliert. Neben dem Einsatz traditioneller Methoden liegt hierbei der Schwerpunkt auf der Entwicklung einer automatischen Screeningapparatur mit universellen Einsatzmoeglichkeiten. Neben mesophilen Organismen sind auch thermophile Bakterien von Interesse. Diese ermoeglichen die kostenguenstige Etablierung eines technischen Prozesses, da die Kontaminationsgefahr gesenkt wird. Das so hergestellte Zwischenprodukt wird durch Katalyse an sauren Metalloxiden oder Ionentauschern zu 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) umgesetzt. In einem zweiten Katalyseschritt (Edelmetallkatalysatoren) erfolgt dann die Oxidation zu bestimmten Furanderivaten. Fuer beide Teilschritte werden durch Screening geeignete Katalysatoren gesucht und auf ihre Eignung in Hinblick auf eine bifunktionelle Nutzung hin charakterisiert. Die hieraus zu gewinnenden Ergebnisse ermoeglichen das gezielte Design eines bifunktionellen Katalysators, der die direkte Umsetzung des Zwischenproduktes zu den gewuenschten Furanderivaten leistet.
Das Projekt "Teilvorhaben 3: Zellscreening und katalytische Konversion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft Braunschweig-Völkenrode, Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Abteilung Biosystemtechnik durchgeführt. Inulin ist ein aus vielen Fructosebausteinen aufgebautes Naturprodukt, das im Lebensmittelbereich und nach entsprechender Bearbeitung auch in der chemischen Industrie Verwendung finden kann. Ziel der Projektarbeiten ist eine Verbesserung der Absatzchancen besonders auf diesem zweiten Markt. Durch die Kombination biotechnologischer Methoden mit chemischer Katalyse stehen als Endprodukt Bausteine für die Herstellung neuartiger Teppichfasern, Klebstoffe oder Detergentien im Vordergrund. Das langkettige Inulin wird hierbei in einem ersten Schritt zu einem niedermolekularen Zucker abgebaut, der dann mit Hilfe heterogener Katalysatoren in mehreren Schritten zu Furanderivaten umgewandelt wird. Zahlreiche Proben von verschiedenen Standorten wurden analysiert und mehrere Bakterienstämme konnten isoliert werden, die Inulin wie gewünscht abbauen. Von diesen ist besonders das Bakterium IDBu0141 interessant, da es ein Enzym - dieses ist für die Reaktion verantwortlich - bildet, das auch bei 60 C noch über lange Zeit stabil ist. Parallel zu den Screeningarbeiten wurden die einzelnen Bestandteile des vorgesehenen Robotersystems erstellt und getestet. Nachdem alle Komponenten fertiggestellt sind, erfolgt die Optimierung und der Einsatz. Hierbei werden die in den zu untersuchenden Proben befindlichen Bakterien zunächst in kleinen Polymerkügelchen verpackt. Pro Kugel befindet sich dabei statistisch maximal eine einzelne Zelle, die sich innerhalb des Immobilisates vermehren kann. Die entstehenden Mikrobioreaktoren werden dann getestet, um zu prüfen, ob die enthaltenen Organismen eine gewünschte Stoffwechselleistung vollbringen können. Der zu erwartende Probendurchsatz liegt deutlich über dem mit manuellen Methoden möglichen. Außerdem werden auch solche Organismen untersucht, die bei den bisher häufig benutzen Plattenmethoden nicht wachsen konnten, da sie in innerhalb der Immobilisate die benötigten geschützen Bedingungen vorfinden. In den chemisch-katalytischen Untersuchungen konnten für die Einzelreaktionsschritte 'Saure Zuckerdehydratisierung zu Hydroxymethylfurfural (HMF)' und 'HMF-Oxidation zu Furandicarbonsäure' vielversprechende Katalysatorsysteme auf Basis von Ionentauschern und Edelmetallen gefunden werden. Für die Durchführung der kombinierten Bildung und In-situ-Oxidation von HMF wurden zwei unterschiedliche Zwei-Phasen-Systeme entwickelt. Die Trennung der Phasen gelingt zum einem mit einem Membranverfahren zum anderen auf Basis von verkapselten Oxidationskatalysatoren. Mit diesen Systemen ist es erstmals möglich, das Zielmolekül Furandicarbonsäure direkt aus Zucker zu gewinnen.