Das Projekt "Konstruktion chimärer Gene - Teilvorhaben 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie durchgeführt. Im Rahmen des beantragten Vorhabens sollen durch Transformation gentechnisch veränderte Zuckerrübenpflanzen hergestellt werden, die eine Produktion linearer, hochmolekularer Polysaccharide ermöglichen. Die Polysaccharide, insbesondere hochmolekulares Polyfruktan vom Inulin-Typ, sollen aus den Zuckerrüben isoliert und auf ihre Eignung als nachwachsende Rohstoffe für eine industrielle Verarbeitung untersucht werden. Das Vorhaben schließt an ein dreijähriges Projekt an, bei dem bakterielle Gen in Kartoffel und Zuckerrübe exprimiert und Fruktane des Levan sowie des Inulintyps hergestellt wurden. Im Anschlußvorhaben soll ein bakterielles Gen, das die Synthese von hochmolekularem Inulin in transgenen Pflanzen erlaubt, optimiert werden. Darüber hinaus sollen Gene pilzlichen und pflanzlichen Ursprungs kloniert und in Pflanzen exprimiert werden, um Fruktane unterschiedlicher Kettenlängen herzustellen. Zur Steigerung der Syntheserate von Inulin wurde die bakterielle Inulinsucrase aus Streptococcus mutans modifiziert. Damit konnte zwar die Transkriptionsrate gesteigert werden, nicht aber die Translationseffizienz. Weiterhin wurden die Gene für zwei pilzliche Fruktosyltransferasen kloniert. Hiervon erwies sich die saccharoseabhängige Fruktosyltransferase aus Aspergillus sydowi in Pflanzen als funktionell exprimierbar. Die synthetisierten Fruktan-Oligomere wiesen Polymerisationsgrade von bis zu 50 auf. Dies kann als Hinweis auf eine labile Komponente oder eine eventuelle Membranassoziation des Enzyms in den transgenen Pflanzen gedeutet werden. Untersuchungen des mit Hilfe pilzlicher Conidien gewonnenen Polymers weisen für dieses Inulin einen Verzweigungsgrad von mehr als 5 Prozent aus. Es ist damit nicht für technische Einsatzzwecke geeignet. Unter Verwendung von heterologen Sonden konnten zwei pflanzliche Fruktosyltransferase-Gene aus Artischocke und Topinambur kloniert werden. Bei Versuchen zur Expression der 1-FFT-Gene in Tabakprotoplasten zeigte sich, dass das Topinambur-Enzym das Trisaccharid 1-Kestose gut als Substrat nutzen kann, wohingegen das Artischocken-Enzym längerkettige Polymere aufbaut. Die Expression der 1-SST und 1-FFT aus Artischocke in transgenen Kartoffeln führte zur Akkumulation eines Inulins mit einem Polymerisationsgrad von max. 200, bei einem Gewichtsanteil in der Trockenmasse von 5 Prozent. Da die Produktion transgener Zuckerrüben nicht gelang, wurde eine Kartoffellinie transformiert, bei der die Stärkesynthese blockiert ist, die also Zucker anreichert. Dies führte zu einer Steigerung des Inulingehalts um den Faktor 1,5 bis 1,8. Dabei wurde der Ertragsverlust, der durch die Inhibition der Stärkesynthese ausgelöst wird, durch die Inulineinlagerung in einzelnen Linien vollständig aufgefangen. Es besteht daher Grund zur Annahme, dass in saccharosespeichernden Arten, wie z.B. Zuckerrübe, hohe Inulinausbeuten erzielt werden können.
Das Projekt "On line Ueberwachung von Industrieabwaessern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität des Saarlandes, Fachrichtung 9.14 Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist es, mit einem auf der Basis der Fliessinjektionsanalyse arbeitenden preiswerten Detektor in Industriewaessern umfangreich Stoffbilanzen ueber anorganische und organische Schmutzfrachten automatisch zu erstellen und gleichzeitig den entsprechenden technischen Prozess zur Minimierung der Wasserbelastung (Galvanikbetrieb, Kokereien) zu steuern. Die Arbeiten haben bisher neben Methodenoptimierungen zu der Entwicklung des Prototyps einer geeigneten Messzelle mit der zugehoerigen Steuerelektronik gefuehrt. Das System ist mit der Moeglichkeit einer Fernabfrage ausgestattet und im Feldversuch erprobt.
Das Projekt "Teilvorhaben 3: Ausarbeitung einer Produktextraktionstechnologie, Produktherstellung, Derivatisierung, Charakterisierung und anwendungstechnischen Prüfung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Südzucker AG durchgeführt. Das Vorhaben beschäftigt sich neben der Ausarbeitung eines Verfahrens zur Gewinnung von längerkettigem Inulin aus Pflanzenmaterial mit der biotechnologischen Synthese von hochmolekularem Inulin. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Charakterisierung und Derivatisierung des Inulins sowie bei den anwendungstechnischen Untersuchungen der Produkte. Der Blütenboden der Artischocke diente zur Isolierung von längerkettigem Inulin (mittlerer Polymerisationsgrad 43). Die für die Synthese des Inulins codierenden Gene sind isoliert und in das Genom der Kartoffelpflanze eingebaut worden (Verbundpartner: MPI-Golm). Dabei handelt es sich um die beiden Enzyme SST (Saccharose:Saccharose-Fructosyltransferase) und FFT (Fructan: Fructan-Fructosyltransferase). Das Inulin konnte aus den gelieferten Kartoffelknollen im halbtechnischen Maßstab isoliert werden. Ein bakterielles Gen für eine Fructosyltransferase ergab nach Modifikation, durchgeführt beim Unterauftragnehmer Universität Stuttgart (IIG), und Einbau in E. coli ein ausreichend aktives Enzym. Hochmolekulares Inulin konnte so im kg-Maßstab hergestellt und mit dessen umfassender Charakterisierung (FhG-IAP/Teltow) hinsichtlich der Molmasse, der Molmassenverteilung und der Primärstruktur (linear oder verzweigt) begonnen werden. Die ersten Resultate deuten auf ein gering verzweigtes (3-5Prozent) hochmolekulares Inulin (MW ? 50?106 g/mol ) mit einer Polydispersität von 1,4 hin. Ester- und Etherderivate, hergestellt unter anderem durch quasi lösungsmittelfreie Umsetzungen, zeigen je nach ihren strukturellen Charakteristika interessante Applikationspotentiale, wie z. B. als Tenside, Emulgatoren oder Flockungsmittel bzw. Sequestierungsmittel und werden zur Zeit hinsichtlich der Produkteigenschaften und des Anwendungsprofil optimiert.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Chemische Derivatisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Technologie der Kohlenhydrate - Zuckerinstitut durchgeführt. Durch die Immobilisierung des Biokatalysators können gegebenenfalls die Prozeßkosten zur Herstellung der Zwischenprodukte DFA-III/FOS entscheidend verringert werden. Da es sich um extrazelluläre Enzyme handelt soll die Immobilisierung durch ionische Bindung an Anionenaustauscher-Harze näher untersucht werden. AlkylfructosideAls Ausgangssubstanzen für die Fischer-Synthese zu den Alkylfructosiden wird kristallines DFA-III eingesetzt. Messungen zur Stabilität der beiden glycosidischen Bindungen sollen neben der Umsetzung zu den Alkylfructosiden die Möglichkeit einer differenzierten Umsetzung zu Disaccharid-Tensiden abgrenzen. Die Synthese von längerkettigen Alkylfructosiden kann entweder durch direkte Umsetzung von DFA-III in Fettalkohol oder durch Umsetzung von DFA-III zu kurzkettigen Alkylfructosiden mit anschließender Transglycosidierung in Fettalkohol erfolgen. Für beide Möglichkeiten sollen Verfahrensweisen erarbeitet werden. Die Immobilisierung wurde an unterschiedlichen Anionenaustauscher-Harzen in verschiedenen Beladungsformen (OH-, PO43- und CL--Form) durchgeführt. Dabei erfolgte eine Adsorption unter Erhalt der Aktivität der Inulasen II nur an den schwach basischen Harz IRA 68 in der OH--Form reproduzierbar. Die Immobilisierung der Enzyme ist in dieser Form nicht stabil. Bei Umsetzungen mit salzhaltigen Inulinlösungen erfolgt eine Ablösung der Enzyme. Um eine festere Bindung zwischen Träger und Enzym zu erhalten, wurde nach der Immobilisierung das Immobilisat mit Glutardialdehyd behandelt. Dies führt zu einer Quervernetzung der Enzyme untereinander und ergibt somit eine stärkere Fixierung der Inulasen II an den Tauscher, was zu einem deutlich stabilerem Immobilisat führt.AlkylfructosideDas Katalysatorscreening zeigt, daß Reaktionen mit stark sauren Katalysatoren nur zu Abbauprodukten führen und mit schwachen Säuren keine Reaktion stattfindet. Katalysatoren von mittlerer Acidität (pKa ca. 1) haben sich für die Umsetzung von DFA-III zu Alkylfructosiden als geeignet erwiesen. Die Synthese von Disaccharid-Produkten ist nicht in akzeptablem Umfang durchführbar. Die Direktsynthese von Dodecylfructosiden aus 1-Dodecanol und DFA-III ermöglicht lediglich Ausbeuten von 1-2 Prozent. Butylfructoside können durch Umsetzung von DFA-III in 1-Butanol mit Clays als Katalysatoren in einer Ausbeute von 25 Prozent erhalten werden, die in der folgenden Transglycosidierung zu den Dodecylfructosiden umgesetzt werden. Aufgrund der geringen thermischen Stabilität der Produkte wurde statt der Destillation ein Festphasen-Extraktionsverfahren entwickelt, mit dem sich Dodecanol von den Dodecylfructosiden ohne thermische Belastung abtrennen läßt.
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.
Das Projekt "Prozessfaehige in-line-Sonde und Messgeraet zur Ueberwachung partikelhaltiger Systeme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen, Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik, Professur Umwelttechnik,Umweltverfahrenstechnik durchgeführt. Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung einer prozessfaehigen in-line-Sonde zur Ueberwachung partikelhaltiger Systeme, Partikelgroessenanalyse.
Das Projekt "Verfahrenstechnische Untersuchungen an Katalysatoren mittels FTIR-Technik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Analytische Chemie durchgeführt. Es erfolgte die Inbetriebnahme und Testung eines FTIR-Prozessspektrometers mit ATR-Messkopf fuer in-line-Messungen in der Prozesskontrolle. Die Erprobung des Geraetesystems war gerichtet auf die kontinuierliche Ueberwachung eines homogen katalysierten Prozesses und untersuchte die Empfindlichkeit, die Abtastfrequenz und die T95-Zeit des Prozessanalysegeraetes.
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