Das Projekt "Teilvorhaben 2: Modellbasierte Charakterisierung und Prozessführung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Systemdynamik durchgeführt. Im Projekt soll ein bakterieller Prozess basierend auf dem Bakterium Zymomonas mobilis mit einer Mikroblasen-Destillation gekoppelt werden. Der Gesamtprozess wandelt eine Substratmischung aus Glycerin und Zuckern in das Produkt Acetaldehyd um. Das Produkt Acetaladehyd wirkt bereits in geringen Konzentrationen inhibierend. Deshalb soll der Leichtsieder Acetaldehyd durch eine innovative Mikroblasen-Technologie aus dem Fermenter kontinuierlich entfernt werden. Durch eine kontinuierliche Entfernung des Produkts aus dem Prozess mittels Mikroblasen-Destillation ist grundsätzlich mit einer Steigerung der Produktionsrate zu rechnen. Am ISYS werden ausgehend von den Stammcharakterisierungen in Magdeburg und Trondheim mathematische Modelle aufgestellt, die zum einen Daten für eine weitere genetische Stammoptimierung (AP2 Task 3) und zum anderen zur Entwicklung einer geeigneten Prozessführung notwendig sind (AP3 Task 2). Zur Implementierung der Prozessführung ist die Anschaffung einer Prozesskontrolleinheit, sowie von zusätzlicher Sensorik (z.B. Waagen) und Aktorik (z.B. Pumpen) notwendig. Arbeitspaket 1 (Stammkonstruktionsmodul) hat die Konstruktion optimierter Stämme von Z. mobilis zum Ziel, welche zuckerhaltige Rohstoffe wie Molasse und Glycerin effizient zu AcAld umsetzen können (Task 1 und Task 2). Arbeitspaket 2 (Bioprozessentwicklung) befasst sich mit der Charakterisierung der konstruierten Stämme und der Optimierung des Wachstums und der Prozessbedingungen zur effizienten AcAld Produktion. In Task 3 werden zur mathematischen Beschreibung der Stämme sowohl stöchiometrische Modelle als auch detaillierte Differentialgleichungsmodelle z.B. der Atmungskette von Z. mobilis erstellt, mit Messdaten abgeglichen und Optimierungsmöglichkeiten identifiziert. Arbeitspaket 3 (Produktgewinnungsmodul) kombiniert die Ergebnisse der Arbeitspakete 1 und 2 mit der MB Destillation. In Task 2 ist eine modellbasierte Steuerung und Regelung des Gesamtprozesses geplant.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Stammcharakterisierung und Optimierung der Kultivierungsbedingungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut Dynamik komplexer technischer Systeme durchgeführt. Im Projekt soll ein bakterieller Prozess mit Zymomonas mobilis mit einer Mikroblasen-Destillation etabliert werden. Der Gesamtprozess wandelt eine Substratmischung aus Glycerin und Zucker in das Produkt Acetaldehyd um. Ein Ziel des Projekts ist die genetische Manipulation von Z. mobilis, mit dem Ziel das Substratspektrum zu erweitern. Zudem soll die Ethanolsynthese modifiziert werden, so dass das wirtschaftlich interessante Zwischenprodukt Acetaldehyd produziert wird. Das Produkt Acetaldehyd wirkt bereits in geringen Konzentrationen inhibierend. Deshalb soll der Leichtsieder Acetaldehyd durch eine innovative Mikroblasen-Technologie aus dem Fermenter kontinuierlich entfernt werden. Durch eine kontinuierliche Entfernung des Produkts aus dem Prozess mittels Mikroblasen-Destillation ist grundsätzlich mit einer Steigerung der Produktionsrate zu rechnen. Dieses soll auch am Beispiel der Ethanol-Produktion getestet werden. Verschiedene Z. mobilis Stämme, die in WP1 (Riga) konstruiert werden, sollen detailliert physiologisch charakterisiert werden. Zunächst werden der WT Stamm sowie bereits vorhandene Acetaldehyd produzierende Mutanten detailliert bzgl. ihres Wachstums auf Glukose und Sukrose und ihrer Produktbildung untersucht. Diese Untersuchungen werden durch eine Analyse der Genexpression sowie durch 13C-Flussanalysen (Trondheim) ergänzt. Sobald verfügbar wird auch der Acetaldehyd-Produzent entsprechend untersucht. Basierend auf Modellanalysen (Stuttgart) werden verschiedene Kultivierungsbedingungen (Batch, FedBatch ...) für eine optimale Acetaldehyd Produktion untersucht. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Z. mobilis Stämme mit erweitertem Substratspektrum kultiviert. Es werden optimale Kultivierungsstrategien mit Substratmischungen gesucht. Neben Untersuchungen mit Glukose plus Glycerin oder Sucrose plus Glycerin soll auch Melasse und Rohglycerin als Substrat getestet werden. Alle Daten fließen in WP3 bei der Auslegung des Gesamtprozesses ein.
Das Projekt "Ethanolherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen mittels einschlussimmobilierter Zellen - Einsatz von Zymomonas mobilis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft Braunschweig (FAL), Institut für Technologie und Biosystemtechnik (TB-BST) durchgeführt. In diesem Forschungsvorhaben soll das Potential des Bakteriums Zymomonas mobilis für die industrielle Ethanolproduktion aus zuckerhaltigen nachwachsenden Rohstoffen untersucht werden. In einem Screening soll ein geeigneter Stamm des Bakteriums Zymomonas mobilis gefunden werden, für den durch geeignete Anzuchtparameter und Medien eine reproduzierbare Stammhaltung festgelegt wird. Die Immobilisierung des Bakteriums soll bezüglich Aktivität, einfacher Handhabbarkeit und Kosten optimiert werden. Die so erhaltenen Immobilisate sollen charakterisiert und im Laborfermenter unter praxisnahen Bedingungen eingesetzt werden. Die ermittelten Daten sollen mit denen konventioneller Ethanolproduktion mit Hefen verglichen werden. Wenn es gelingt, mit einem geeigneten Bakterienstamm in einem optimierten Immobilisierungssystem unter praxisnahen Bedingungen Bio-Ethanol mit deutlich höherer Produktivität als bei konventionellen Verfahren herzustellen, erscheint eine technische Realisierung der Bioalkoholproduktion auf dieser Basis sehr wahrscheinlich. Die Beurteilung der Ergebnisse und deren industrielle Bedeutung wird in Zusammenarbeit mit der Braunschweigische Maschinenbauanstalt AG erfolgen.
Das Projekt "Ethanolherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen mittels einschlussimmobilierter Zellen - Einsatz von Zymomonas mobilis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft Braunschweig-Völkenrode, Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Abteilung Biosystemtechnik durchgeführt. In diesem Forschungsvorhaben soll das Potential des Bakteriums Zymomonas mobilis für die industrielle Ethanolproduktion aus zuckerhaltigen nachwachsenden Rohstoffen untersucht werden. In einem Screening soll ein geeigneter Stamm des Bakteriums Zymomonas mobilis gefunden werden, für den durch geeignete Anzuchtparameter und Medien eine reproduzierbare Stammhaltung festgelegt wird. Die Immobilisierung des Bakteriums soll bezüglich Aktivität, einfacher Handhabbarkeit und Kosten optimiert werden. Die so erhaltenen Immobilisate sollen charakterisiert und im Laborfermenter unter praxisnahen Bedingungen eingesetzt werden. Die ermittelten Daten sollen mit denen konventioneller Ethanolproduktion mit Hefen verglichen werden. Wenn es gelingt, mit einem geeigneten Bakterienstamm in einem optimierten Immobilisierungssystem unter praxisnahen Bedingungen Bioethanol mit deutlich höherer Produktivität als bei konventionellen Verfahren herzustellen, erscheint eine technische Realisierung der Bioalkoholproduktion auf dieser Basis sehr wahrscheinlich. Die Beurteilung der Ergebnisse und deren industrielle Bedeutung wird in Zusammenarbeit mit der Braunschweigische Maschinenbauanstalt AG (BMA) erfolgen.