Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: ERA-IB 6: Neues bakterielles System zur Produktion von Acetaldehyd mit integrierter Mikroblasen-Destillation (Z-FUELS); Teilvorhaben 2: Modellbasierte Charakterisierung und Prozessführung

Anschrift
Universität Stuttgart - Fakultät 7 Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik - Institut für Systemdynamik (ISYS)
Waldburgstr. 17/19
70563 Stuttgart
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Oliver Sawodny
Tel: +49 711 685-66302
E-Mail: oliver.sawodny@isys.uni-stuttgart.de
FKZ
22029415
Anfang
01.03.2016
Ende
30.06.2019
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Umwandlung von geringwertigen Abfallprodukten - Melasse und Glycerin - in hochwertige Vorstufen für Biokraftstoff oder andere hochwertige Chemikalien. Butanol ist sehr interessant für die Biokraftstoffindustrie, da seine Eigenschaften denen von Benzin am ähnlichsten sind, was die Nutzung bestehender Infrastruktur und Fahrzeuge erlaubt. Die Synthese von Butanol gestaltet sich jedoch aufgrund von hohen Energiekosten und geringen Ausbeuten als schwierig. Daher soll im Z-Fuels-Konsortium die biotechnologische Synthese von Acetaldehyd, das Zwischenprodukt des Synthesewegs von Ethanol zu Butanol, mit Hilfe des Bakteriums Zymomonas mobilis etabliert werden. Z. mobilis weist eine außerordentlich hohe und effiziente Produktionsrate von Ethanol auf. Dieser Stoffwechselweg soll hier genutzt werden, um Acetaldehyd zu synthetisieren. Das Substratspektrum von Z. mobilis ist jedoch begrenzt und soll erweitert werden, um günstige industrielle Abfallprodukte, wie Rohglycerin und Melasse verwenden zu können. Da das Produkt Acetaldehyd bereits in geringen Mengen toxisch wirkt und das mikrobielle Wachstum hemmt, soll der Produktionsprozess zusätzlich mit einer Mikroblasen-Destillation gekoppelt werden. Diese soll zum einen die Sauerstoffversorgung verbessern und zum anderen das toxische, aber leicht flüchtige Acetaldehyd aus dem Kulturmedium entfernen. Ziel des hier beschriebenen Teilvorhabens ist die modellbasierte Charakterisierung der relevanten Stoffwechselwege von Z. mobilis und die Prädiktion von genetischen Modifikationen zur Optimierung der Acetaldehyd-Ausbeute sowie zur Erweiterung des Substrat-Spektrums.
Ergebnisdarstellung
Entsprechend des Arbeitsplanes wurden verschiedene Modelle zur Analyse des Stoffwechsels von Z. mobilis und des gesamten Prozesses erstellt. Es wurde ein stöchiometrisches Modell aufgestellt, welches alle Reaktionen des zentralen Kohlenstoff-Metabolismus von Z. mobilis abbildet. Dieses wurde dazu verwenden um Flussverteilungen von verschiedenen Substraten zum gewünschten Produkt Acetaldehyd zu analysieren und genetische Modifikationen zur Optimierung der Acetaldehyd-Ausbeute vorzuschlagen. Außerdem wurde ein kinetisches Modell der Glycerin-Verstoffwechslung sowie ein vereinfachtes Wachstumsmodell erstellt, welches später im Rahmen von online-Prozessregelungen eingesetzt werden kann. Zur Erweiterung des Substratspektrums von Z. mobilis ist das Einbringen heterologer Enzyme notwendig. Für die Verwendung von C5-Zucker, wie z. B. Xylose, ist die Expression der Transaldolase (TAL) und wahrscheinlich der 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase (GND) nötig. Für die Aufnahme und Verstoffwechslung von Glycerin ist der Glycerin-Facilitator (GLPF), die Glycerin-Kinase (GLYK) und die Glycerin-3-Phosphat Dehydrogenase (G3PDH) sowie eine Überexpression der Triosephosphat-Isomerase (TPI) notwendig. Basierend auf den Modellanalysen und der Expertise wurden zwei wesentliche Aufgaben zur Verbesserung der Acetaldehyd-Ausbeute definiert: 1. Reduktion der Ethanol-Synthese durch Deletion der Alkohol-Dehydrogenase (ADH) und 2. Verstärkung des respiratorischen Metabolismus durch hohe Belüftungsraten und Überexpression der NADH-Dehydrogenase (NDH). Diese Mutante zeigt bereits in Fermentern mit konventioneller Belüftung, ohne die Kopplung mit Mikroblasen-Destillation, sehr gute Ergebnisse. Die Acetaldehyd-Ausbeute liegt bei 68-70 % des theoretischen Maximums.

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