Das Projekt "Teilprojekt 9" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Frankfurt am Main, Institut für Molekulare Biowissenschaften durchgeführt. Konstruktion von Hefen zur C5-Zuckervergärung zur Produktion von Bioethanol und Malat/Fumarat Zur Produktion von Lignozellulose-Ethanol sollen rekombinante Pentose-vergärende Hefen für den industriellen Einsatz konstruiert werden. Hierfür soll das bestehende Know-how auf so genannte Industriehefestämme übertragen werden, welche sich durch eine deutlich höhere Robustheit, Stabilität und Produktivität gegenüber Laborstämmen auszeichnen. Die neuen Hefestämme sollen unter industriellen Bedingungen getestet und durch evolutive Strategien an diese weiter angepasst werden. Neben der Produktion von Bioethanol soll die Produktion von Malat und Fumarat als aus Biomasse herstellbare Funktionsbausteine ('Building Blocks') für chemische Synthesen entwickelt werden. Dazu sollen rekombinante Hefestämme hergestellt werden, die anstelle von Ethanol diese beiden Dicarbonsäuren produzieren. Dazu werden die Hefen mittel der Methoden des Metabolic und Evolutionary Engineerings genetisch modifiziert. Die Produktion von Malat bzw. Fumarat soll mit der Verwertung von Pentosezuckern und der Fermentation von lignocellulosischen Hydrolysaten kombiniert werden.
Das Projekt "Effiziente Co-Fermentation von Pentosen und Hexosen durch Hefen (ECO-FERM)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Frankfurt am Main, Institut für Molekulare Biowissenschaften durchgeführt. Lignocellulosische Hydrolysate enthalten Hexosen und Pentosen. Die zur Fermentation prädestinierte Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae konnte in den letzten Jahren mittels genetischer Methoden dazu gebracht werden, auch Pentosen zu Ethanol zu vergären. Das wesentliche Problem der bisher konstruierten Stämme ist, dass sie die Pentosen nicht schnell genug und vor allem nicht gleichzeitig mit der Glukose fermentieren können. Dies führt zu einer deutlichen Verlängerung der Fermentationszeit und verteuert dadurch den Prozess. Wegen dieser noch existierenden Limitierungen sollen in dem geplanten Projekt Methoden und industrietaugliche Hefestämme entwickelt werden, um in realen Biomasse-Hydrolysaten die Pentosen komplett, mit ähnlichen Raten wie Glukose und vor allen Dingen gleichzeitig mit Glukose zu Ethanol vergären zu können. Da die Unfähigkeit zur Co-Fermentation durch die Konkurrenz der Zucker bei der Aufnahme in die Zellen bedingt ist, sollen Pentose-spezifische, nicht durch Glukose gehemmte Transporter entwickelt werden. Andererseits sollen Strategien verwirklicht werden, die an der Pentose-Verwertung beteiligten Enzyme und Transporter in artifiziellen Enzym-Komplexen zusammenzuführen, um ein effizientes Substrat-Channeling zu erreichen und damit die Ethanolproduktionsraten zu steigern.
Das Projekt "Teilprojekt D" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ThyssenKrupp Industrial Solutions AG durchgeführt. Siehe Antrag: Im Rahmen des Gesamtprojektes sollen durch ThyssenKrupp Industrial Solutions die Pentose- und Hexosehaltigen Hydrolysate des Organosolvverfahrens auf ihre Eignung als Fermentationssubstrate zur Herstellung organischer Säuren (Milchsäure, Bernsteinsäure) getestet werden. Dadurch soll eine Mindest-Spezifikation für diese Hydrolysate entwickelt werden mit dem Ziel später breiteren Zugang zu kostengünstigen Kohlenstoffquellen zu erlangen. Zuerst sollen Vorversuche zur prinzipiellen Verwertbarkeit mit den bereitgestellten Hydrolysaten auf vorhanden Milch- und Bernsteinsäureproduzenten getestet werden. Hierfür sind im Wesentlichen Tests im Schüttelkolben sowie 1L-Parallelreaktorsystem vorgesehen. Geeignete Kombinationen aus Hydrolysat und Stämmen sollen dann einer Fermentationsoptimierung unterzogen werden welche abschließend bis in den 250L-Maßstab überführt werden soll.
Das Projekt "Nebenproduktverwertung bei der Zellstoffherstellung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hamburg, Department für Biologie, Zentrum Holzwirtschaft, Ordinariat für Chemische Holztechnologie und Institut für Holzchemie und Chemische Technologie des Holzes der Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft durchgeführt. Es gibt aktuelle Plaene, in Deutschland ein neues Zellstoffwerk zu errichten. Vor diesem Hintergrund hat die Fachagentur fuer Nachwachsende Rohstoffe (FNR) die finnische Beratungsfirma Jaakko Poeyry und das Institut fuer Holzchemie und chemische Technologie des Holzes (BFH, Hamburg) beauftragt, die umweltvertraeglichen Verfahren zur Zellstoffgewinnung Alcell, Asam, Formacell, Milox, Organocell, Steamexplosion, Aqualsolv und modifizierte Kraftverfahren kritisch zu beleuchten. Im Mittelpunkt der BFH-Studie standen die technisch oekonomischen Aspekte der Neben- und Koppelproduktverwertung. Die Auswertung ergab, dass fuer die stoffliche Verwertung der bei den Sulfitprozessen anfallenden wasserloeslichen Lignosulfonsaeuren etablierte Maerkte in der Groessenordnung von ca. 1 Mio. t/Jahr gibt. Die Ablaugen der Sulfatverfahren werden hingegen ueberwiegend thermisch genutzt. Der thermische Gegenwert der Lignine betraegt 0,08-0,12 DM/kg. Durch die stoffliche Verwertung der Lignosulfonate sind Preise von 0,20-0,75 DM erzielbar; Spezialprodukte sind teurer. Fuer Asam-Lignosulfonate bestehen gute Verwertungschancen als Dispergiermittel. Der Bedarf fuer Lignosulfonate in Deutschland steigt. Die schwefelfreien Lignine aus den anderen neuen Verfahren eignen sich auch ohne Modifizierung zur Herstellung von wetterbestaendigen Bindemitteln fuer Holzwerkstoffe (PF-Harze). Weiterhin koennen nach einfacher Alkoxylierung Polyurethanschaeume (5-6 DM/kg) mit hervorragenden Eigenschaften hergestellt werden. Fuer solche Produkte gibt es einen grossen entwicklungsfaehigen Markt. Die Nutzung von Hemicellulosen ist z. Z. nur bei sauren Holzaufschlussverfahren moeglich. Die wichtigste Verwertung ist nach wie vor die Vergaerung von Hexosen zu Alkohol (ca. 0,85 DM/kg). Die Verhefung von Hexosen und Pentosen ist eine weitere Alternative. Der fuer die Futterhefe erzielbare Preis ist indes seit Jahren ruecklaeufig. Aus dem Laubholzxylan der Sulfitablauge wird der Zuckeraustauschstoff Xylit (ca. 9 DM/kg) sowie Furfural (ca. 2 DM/kg) gewonnen.
Das Projekt "Produktion von kurzkettigen Alkanen und Alkoholen aus lignozellulosischen Biomassehydrolysaten mit Hefen (ALK2BIO)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Frankfurt am Main, Institut für Molekulare Biowissenschaften durchgeführt. In ALK2BIO soll eine neuartige Technologie entwickelt werden, um alternative Biokraftstoffe aus pflanzlicher Biomasse zu produzieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Biokraftstoffen haben kurz- und mittelkettige Fettalkohole und Kohlenwasserstoffe Eigenschaften, die denen der aus Erdöl hergestellten Kraftstoffe weitgehend entsprechen. Ausgehend von kürzlich an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelten Hefen, die aus Kohlenhydraten spezifisch und selektiv kurzkettige Fettsäuren synthetisieren, sollen die Hefen dahingehend weiterentwickelt werden, vor allem Alkane und Alkene mit 5-11 Kohlenstoffatomen beziehungsweise 1-Octanol zu produzieren. Diese könnten direkt als Ersatz oder Zusatz für Benzin-, Kerosin- bzw. Dieselkraftstoffe als sogenannte Drop-in-Kraftstoffe verwendet werden. Hierbei kommen Hefen zum Einsatz, die neben Glucose auch die in lignozellulosischen Hydrolysaten vorhandenen Pentosen vergären können. Die Herstellung von Kohlenwasserstoffen (Alkanen und Alkenen) und Fettalkoholen aus Fettsäuren bzw. deren CoA oder ACP-Estern kann durch eine Vielzahl von biochemischen Reaktionen geschehen. In Arbeitspaket 1 (AP1) sollen zunächst neue Isoenzyme kloniert, gereinigt und in vitro mit kurzkettigen Fettsäuren als Substraten getestet werden. Vielversprechende Kandidaten sollen dann in vivo in Hefen, die kurzkettige Fettsäuren produzieren, exprimiert und die Produktbildung in Fermentationen untersucht werden. In AP2 soll der Hefemetabolismus dahingehend verbessert werden, dass für die Fettsäuresynthase mehr Substrate zur Verfügung stehen. In AP3 sollen die in AP1 und 2 entwickelten Technologien in Pentose-vergärende Hefen integriert werden. In AP4 sollen oleogene Yarrowia lipolytica-Stämme generiert werden, die kurzkettige Fettsäuren und daraus Kohlenwasserstoffe und Alkohole produzieren.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Enzymentwicklung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ASA Spezialenzyme GmbH durchgeführt. Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung neuer Enzyme für die Extraktion von Polysaccharariden und anderen Stoffen aus Orangenschale und Getreidespreu. Dabei soll die Freisetzung von Monosacchariden und Zuckersäuren verbessert werden. Weiterhin sollen Mikroorganismenstämme entwickelt werden, die entweder Cellulose oder Hemicellulosen oder Pektin spalten, um selektiv entweder Hexosen oder Pentosen oder Galakturonsäure zu erhalten. Die neuen Enzyme sollen mit gentechnischen Methoden hinsichtlich Endprodukthemmung, pH-Optimum und Prozessstabilität optimiert werden. Abschließend wird eine biochemische Charakterisierung der neu entwickelten Enzyme durchgeführt. Zunächst werden neue mikrobielle Stämme des Projektpartners VTi auf ihre Enzymbildung untersucht. Bei den effektivsten Stämmen wird versucht, die Produktion von nicht erwünschten Enzymaktivitäten durch Gen-Knockout zu verhindern. Zur Verringerung der Endprodukthemmung, zur Erhöhung der Prozessstabilität sowie zur Optimierung des pH-Spektrums wird die Methode der ortsspezifischen Mutagenese eingesetzt. Abschließend werden biochemische Arbeitstechniken wie Gelelektrophorese, HPLC und Photometrie eingesetzt, um die neuen Enzyme zu charakterisieren.
Das Projekt "Isomerisierung von Hydrolysaten landwirtschaftlicher Reststoffe zur Gewinnung vergaerbarer Pentosen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Krupp Industrietechnik, Werk Buckau Wolf durchgeführt. Ziel des Vorhabens war es, durch Hydrolyse von Hemicellulose zu Pentoseloesungen zu gelangen und diese ueber eine Isomerisierung zu Xylulose vergaerbar zu machen, damit einer Verwendung zur Herstellung von Treibstoffaethanol ermoeglicht wird. In einer halbtechnischen Hydrolyseanlage wurde Buchenholzschliff in 2-prozentiger Schwefelsaeure bei Temperaturen zwischen 150 und 200 Grad C einem chemischen Aufschluss unterworfen, wobei die Hemicellulose nahezu vollstaendig als Pentose und Hexose in Loesung ging. Ein Teil der Pentose verwandelte sich in Furfural, das wegen seiner Eigenschaft als Gift fuer Mikroorganismen vor der Weiterverarbeitung destillativ abgetrennt werden musste. Die Pentose wurde anschliessend enzymatisch zu Xylulose isomerisiert und liess sich dann mit normaler Hefe vergaeren. Waehrend bisher Hemicellulose als Rohstoff fuer die Aethanolherstellung nicht in Frage kam, weil Hydrolyse zu Pentoseloesungen fuehrte, die mit herkoemmlichen Hefen nicht vergaerbar sind, bietet Isomerisierung der Pentose zu Xylulose einen gangbaren Weg, diesen Rohstoff fuer Hefe assimilierbar zu machen und so zu einer Nutzung zur Herstellung von Treibstoffaethanol zuzufuehren. Das im Hydrolyseprozess zwangslaeufig ebenfalls anfallende Furfural ist ein wertvolles und begehrtes Nebenprodukt, das die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erhoeht.
Das Projekt "Produktion von Elektrizitaet und Ethanol aus Biomasse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität für Bodenkultur Wien, Department für Agrarbiotechnologie, IFA-Tulln, Institut für Umweltbiotechnologie durchgeführt. Daenemark hat im sogenannten Biomassevertrag 1997 festgelegt, ab dem Jahr 2003 1 Mio. t/a Stroh und 200.000 t/a Holz zu verfeuern und somit fuer die Produktion von elektrischer Energie einzusetzen. Getreidestroh enthaelt allerdings hohe Anteile an anorganischen Verbindungen wie Kaliumchlorid oder Silikate. Gerade diese Verbindungen machen eine Verfeuerung von Stroh bei hohen Temperaturen, wie sie fuer die Stromerzeugung notwendig waeren, unmoeglich. Die Folge waere eine Korrosion und Ausbildung einer kristallinen Schicht am Waermetauscher. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wird versucht, die im Stroh enthaltenen anorganischen Verbindungen vor der Verfeuerung zu eluieren. Das Abtrennen der Salze erfolgt dabei unter hoeheren Temperaturen um 150 Grad C, wodurch neben den Salzen auch die Hemizellulosen in Form von Pentosen und Hexosen gewonnen werden. Der feste Rueckstand wird nach Trocknung einer Verfeuerung und damit Stromerzeugung zugefuehrt. Die fluessige Phase, welche neben Kaliumchlorid auch Pentosen und Hexosen enthaelt, soll als Rohstoff fuer die Fermentation eingesetzt werden. Als Fermentationsprodukt wird neben Ethanol, welcher als Benzinzusatz von Bedeutung ist, auch Milchsaeure untersucht, welche nach Polymerisierung als abbaubarer Kunststoff von Bedeutung sein koennte. Die eigentliche Fermentation erfolgt bei 60-70 Grad C mit thermophilen Bakterien. Das Projekt wird koordiniert vom IFA-Tulln, Projektpartner sind fuenf Klein- und Mittelunternehmen aus Daenemark, Grossbritannien und Belgien sowie ein daenischer Energieerzeuger. Die Versuche, welche derzeit im Labormassstab optimiert werden, sollen im Rahmen des Projektes auch im Demonstrationsmassstab verwirklicht werden. Neben einer kontinuierlichen Strohextraktion steht dabei die Entwicklung einer 'Strohpumpe' im Mittelpunkt des Interesses.
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