2014-05-02 |
Vom 7. bis 11. April 2014 präsentierte das DFI auf der Hannover Messe Beispiele seiner Arbeit.
Vom 07. - 11. April zeigte das DECHEMA-Forschungsinstitut auf der Hannover-Messe neuentwickelte Reaktorsysteme für elektrobiotechnologische Produktionsverfahren. Im Rahmen des Gemeinschaftsstandes "Schaufenster Bioökonomie" (Halle 6, Stand K16) wurden Screening-Systeme und Produktions-Reaktoren für enzymatische und mikrobielle Elektrosynthesen gezeigt.
Ziel eines BMBF- geförderten Forschungsprojektes ist die Entwicklung mikrobieller Elektrosynthesen zur Produktion von Treibstoffen und Basischemikalien aus Kohlendioxid. In mikrobiellen Elektrosynthesen werden Elektronen von einer Kathode auf Mikroorgansimen übertragen. Die Mikroorganismen nutzen die Elektronen für reduktive Synthesereaktionen. Im Bereich der Enzymkatalyse werden elektrochemische Verfahren zur Erzeugung von Reaktanden sowie zur Regeneration oder Substitution von Kofaktoren genutzt und so effiziente Produktionsverfahren ermöglicht.
Entscheidend für den Erfolg dieser bioelektrochemischen Verfahren ist eine zukünftige wissensbasierte Prozessentwicklung. Für diese Entwicklungsverfahren werden einerseits parallelisierte und miniaturisierte Reaktorsysteme für die schnelle Testung u.a. von unterschiedlichen Biokatalysatoren oder Prozessbedingungen benötigt. Andererseits müssen skalierbare Produktionsreaktoren entwickelt und charakterisiert werden, die elektrobiotechnologische Produktionen im industriellen Maßstab ermöglichen. Im Rahmen des Gemeinschaftsstandes "Schaufenster Bioökonomie" werden beispielhaft entsprechende Reaktorsysteme gezeigt.
Für die schnelle Prozessentwicklung wurde am DECHEMA-Forschungsinstitut eine elektrochemische Mikrotiterplatte (eMTP) entwickelt. Diese kann in einem Standard-Mikrotiterplatten-Reader eingesetzt werden und erlaubt parallele elektrochemische Messungen in Kombination mit gleichzeitigen optischen Messungen. Im Bereich der Synthesereaktion wird ein flexibles und skalierbares Reaktorkonzept gezeigt.
Sowohl Biotransformationen als auch elektrochemische Verfahren spielen bei der Entwicklung nachhaltiger und effizienter Produktionsverfahren eine wichtige Rolle. Von der Natur wird eine nahezu unerschöpfliche Zahl von Biokatalysatoren zur Verfügung gestellt, die geeignet sind, bestehende Herstellungsverfahren zu optimieren oder gänzlich neue biotechnologische Prozesse und Produkte zu entwickeln. Neben der besonderen Bedeutung, die der Elektrochemie im Bereich der Energiewandlung und -speicherung zukommt, können elektrochemische Verfahren auch in biochemischen Syntheseprozessen genutzt werden, beispielsweise für die umweltfreundliche Erzeugung von Reagenzien (Oxidations- bzw. Reduktionsmittel). Die Kombination von Elektrochemie und Biotransformationen
zu elektrobiotechnologischen Syntheseverfahren eröffnet eine Vielzahl von zukunftsweisenden Produktionssystemen.
Exponatbschreibung Reaktorkonzept für mikrobielle Elektrosynthesen
Exponatbeschreibung Elektrochemische Mikrotiterplatte
Link zur Projektübersicht Elektrobiotechnologie
Wer freut sich schon über Schimmel? Wissenschaftler tun es! Denn filamentöse Pilze, zu denen zum Beispiel die Schimmelpilze gehören, sind die Arbeitstiere der Mikrobiologen. Bereits Anfang der 90er Jahre wurden mehr als 40 % aller industriell eingesetzten Enzyme mit ihrer Hilfe produziert[1] - dazu gehören die Enzyme in Waschmitteln ebenso wie das Lab für die Käsereifung.
Dabei hängt die Produktivität der Pilze auch davon ab, in welcher Form sie wachsen. Lässt man sie frei wuchern, neigen sie zur Agglomeration; es bilden sich "Klumpen". Wissenschaftler haben herausgefunden, dass man dies verhindern kann, in dem man Mikropartikel in das Kulturmedium gibt, in dem die Pilze wachsen. Die Größe und die Form des Pilzwachstums lassen sich dabei durch die eingesetzten Materialien, die Größe und die Form der Mikropartikel steuern. Warum das allerdings so ist, weiß man bisher nicht. Deshalb untersuchen Wissenschaftler aus Braunschweig und Frankfurt in einem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) genauer, was in den Pilzkulturen genau passiert. Verschiedene Mikropartikel sollen auf ihre Wirksamkeit getestet werden. Gleichzeitig sollen Verfahren für die Pilzkultur mit Mikropartikeln entwickelt werden, die auch großindustriell eingesetzt werden können. Dazu zählen auch Methoden zur Zugabe, Abtrennung und Wiederverwertung der Partikel.
Nicht nur Unternehmen, die selbst mit Hilfe von filamentösen Pilzen produzieren wollen, können von den Ergebnissen des Projekts profitieren. Auch die Hersteller von Partikeln und Unternehmen aus dem Anlagenbau können die Ergebnisse nutzen, um neue Geschäftsfelder zu erschließen.
Link zur Projektseiten
Entwicklung eines neuen Verfahrens zur effizienten biotechnologischen Produktion von Enzymen und niedermolekularen Verbindungen
Mikropartikelbasierte Kultivierung für die Pharmazie
Exponatbeschreibung Mikropartikelbasierte Pilzkultivierung
Arzneimittelrückstände im Wasser stellen eine wachsende Umweltbelastung dar und können die Trinkwasserqualität beeinträchtigen. In Deutschland sind knapp 10.000 Arzneimittel für die Anwendung beim Menschen zugelassen, dazu kommen noch die Tierarzneimittel, vor allem Antibiotika. Was im Körper damit passiert, ist ganz unterschiedlich und reicht von der unveränderten Ausscheidung bis zur vollständigen Mineralisierung. Für einige Antibiotika und hormonell wirksame Stoffe liegen die Ausscheidungsraten bei über 70%. Über Abwasser und Wirtschaftsdünger aus der Tierhaltung gelangen die Substanzen und ihre Metabolite in die Umwelt. Derzeit sind bereits ca. 120 Arzneimittelwirkstoffe in der Umwelt, teilweise sogar im Grundwasser, nachgewiesen. Transportwege, Abbauverhalten und Ökotoxikologie sind nur für wenige Wirkstoffe und sehr wenige ihrer Metabolite bekannt. In den mechanischen und biologischen Reinigungsstufen von Kläranlagen werden viele Arzneimittel nicht oder nur unzureichend abgebaut.
Um die Arzneimittelrückstände zu entfernen, werden derzeit verschiedene Lösungsansätze diskutiert. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Aktivkohle zur Adsorption. Auch elektrochemische Verfahren ohne Aktivkohle zeigen vielversprechende Ansätze. Hier sind vor allem die besonderen Eigenschaften von neuen Elektrodenmaterialien wie Bor-dotiertem Diamant zu erwähnen.
Am DECHEMA-Forschungsinstitut wurde in Zusammenarbeit mit dem Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe ein neuartiges Verfahren entwickelt, um Spurenstoffe aus Abwasser zu entfernen. Dabei wird die Adsorption an Aktivkohle mit elektrochemischer Desorption und Abbau kombiniert. Beide zusammen bewirken eine Aufkonzentrierung der Spurenstoffe; dadurch wird die elektrochemische Behandlung energieeffizienter. Gleichzeitig kann die regenerierte Aktivkohle länger genutzt werden.
Verschiedene Pharmazeutika wurden stellvertretend für ihre Substanzklassen als verbindungen ausgewählt, darunter die Schmerzmittel Ibuprofen und Diclofenac sowie das Röntgenkontrastmittel Diatrizoat. In den Untersuchungen am DFI konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Modellsubstanzen elektrochemisch abbaubar sind. Dieser Abbau erfolgt oxidativ. Beim Vergleich verschiedener Elektrodenmaterialien wurde deutlich, dass zum Abbau stabiler Substanzen der Einsatz von Bor-dotierten Diamant-Elektroden (BDD) erforderlich ist. Diese Elektroden sind elektrochemisch sehr stabil und erzeugen als starkes Oxidationsmittel Hydroxyl-Radikale. Im Gegensatz dazu gestaltet sich die vollständige Mineralisierung der Pharmazeutika an kohlenstoffbasierten Elektroden deutlich schwieriger.
Eine Besonderheit weisen iodierte Röntgenkontrastmittel auf, die im Gegensatz zu den anderen Modellsubstanzen auch kathodisch abbaubar sind. Röntgenkontrastmittel sind sehr stabile Verbindungen und werden auch in Kläranlagen nicht abgebaut. Die kathodische Polarisation führt zu einer stufenweisen Abspaltung von Iodid aus dem Molekül. Das resultierende deiodierte Produkt kann elektrochemisch oder mikrobiologisch weiter abgebaut werden.
Neben dem elektrochemischen Verhalten wurden auch die Adsorption und die Desorption an Aktivkohle untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Adsorption an elektrochemisch polarisierter Aktivkohle beschleunigt abläuft. Beim Anlegen eines negativen Potentials an die Aktivkohle werden die größtenteils anionischen Substanzen desorbiert. Interessanterweise konnte dieser Effekt auch für neutrale Moleküle nachgewiesen werden.
Insgesamt eröffnet sich mit diesem Verfahren also ein interessanter Schritt auf dem weiteren Weg zu einer nachhaltigen Wasserwirtschaft.
Exponatbeschreibung Modul zur Spurenstoffbeseitigung
Link zur Arbeitsgruppe
