Durch stoffliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen oder Recycling lassen sich eine Vielzahl von Basis- und Feinchemikalien, Kraftstoffe und weitere Produkte herstellen. In Zusammenspiel von Chemie, Biotechnologie, Energietechnik und Verfahrenstechnik werden neue nachhaltige Synthesewege samt zugehörigen Verfahren umgesetzt.
Forschungsgruppen
Projekthighlights
Pflanzliche Fettsäuren und Kohlenwasserstoffe wie Terpene sind Naturstoffe mit viel Potenzial zur Herstellung von Biokunststoffen, jedoch sind sie oft nicht direkt zur Polymerisation geeignet. Es braucht dazu möglichst simple Umwandlungsreaktionen. Die Arbeitsgruppe um Prof. Riepl forscht etwa an stringenten Reaktionen durch metallorganische Katalysatoren, wie man Stickstoff oder Silizium in diese Moleküle bringt. Beispielsweise gelingt es durch eine neuartig entwickelte Isomerisierung, Silizium-haltige Glaskleber und Oberflächenveredler durch eine eigentlich unmögliche Hydrosilylierung von Ölsäureester herzustellen. Ein ähnliches Ziel haben Arbeiten zu Isocyanaten als Polyurethan-Vorstufen, wie sie in vielen Schaumstoffen zu finden sind. Es besteht die Vision, aus Fettsäuren direkt Isocyanate herzustellen.
Biomasse ist aus vielen Komponenten aufgebaut, die in Bioraffinerieansätzen aufgetrennt und separat zu Produkten für die stoffliche oder energetische Nutzung umgesetzt werden. Mit dem Ansatz einer konvergierenden Konversion werden mit (Bio-)Katalysatoren die Komponentenmischungen zu nur einem Produkt umgesetzt, was zu höheren Ausbeuten bei niedrigeren Aufreinigungskosten führt. Prof. Riepl, Prof. Sieber und Prof. Burger kooperieren bei Analytik, Katalysatorentwicklung und Prozessoptimierung, um die nachhaltige Bioproduktion von Chemikalien aus biologischen Reststoffströmen zu ermöglichen.
Aufgrund ihrer einzigartigen biosynthetischen Maschinerie besteht ein zunehmendes Interesse an Blaualgen als potenzielle Quelle für nachhaltige Chemikalien. So stellen Blaualgen eine reichhaltige Lipidquelle dar, die zukünftig für Biokraftstoffe und Polymere genutzt werden kann. Auch können Blaualgen wegen ihrer vielen ungewöhnlichen chemischen Strukturen als Ausgangsbasis für neue Medikamente genutzt werden. Ziel dieses vom EFRE-Fonds geförderten Projekts ist es daher, die Kultivierung von Algenstämmen für die Produktion wertvoller Verbindungen zu optimieren. Hierzu werden die Systembiologie und Hochdurchsatztechnologien aus der Transkriptomik eingesetzt. Dies wird unterstützt durch moderne genetische Verfahren zur Modifikation von Algenstämmen und durch den Einsatz chemischer und enzymatischer Verfahren. Zudem werden Nachhaltigkeitsbewertungen der Prozesse durchgeführt.
Aktuelle Forschungsprojekte
In europäischen Green Deal, der Farm-to-fork-Strategie oder dem Zukunftsvertrag zur Landwirtschaft Bayerns ist die Optimierung und Anpassung des Herbizideinsatzes eine wichtige Strategie. Der Wegfall von Zulassungen bewährter Herbizide und die Reduzierung der Aufwandmengen werden sicherlich mit Ertragseinbußen einhergehen. Die Entwicklung neuer Strategien und Wirkstoffe zur Beikrautregulierung ist daher ein aktuelles Thema.
Das Projekt „HerbiSens“ wird einen direkten Beitrag zu den oben genannten Strategien leisten, indem es zum Ziel hat das Spektrum der einsetzbaren Wirkstoffe durch Identifikation herbzidal wirkende nachwachsende Rohstoffe (Naturstoffe) zu erweitert. Untersuchungen zur herbizidalen Wirkung werden meist mit Gesamtpflanzenextrakten durchgeführt und deren Wirkung auf das Keimungsverhalten von Beikräutern bestimmt. Die Wirkstoffe und Wirkmechanismen sind oft nicht bekannt. Andere existierende Methoden haben gravierende Nachteile: Flureszenzinteraktion, Notwendigkeit der Formulierung und Notwendigkeit der Isolierung einzelner Wirkstoffe.
Das Projekt „HerbiSens“ konzentriert sich auf bekannte Targets wie das Photosystem II, die mit innovativen Biosensoren mit hohem Durchsatzpotential abgebildet werden. Die Korrelation der Daten zur Inhibitation mit Daten aus der Analyse mittels moderner Metabolomichs-Methoden ermöglicht die Identifizierung aktiver Naturstoffe. Zusätzlich soll das Spektrum der mit Biosensoren abbildbaren Zielstrukturen zur Identifizierung herbizider Naturstoffe um den Shikimat-Enzymweg erweitert werden.
Projektdauer
2025-01-01 – 2027-12-31
Myristinsäure ist Bestandteil zahlreicher Reinigungsmittel und Kosmetika. Sie wird entweder synthetisch oder durch Aufarbeiten von Palmkernöl gewonnen. Beides hat einen erheblich negativen CO2-Fingerprint, obwohl Palmkernöl ein natürliches, pflanzliches Produkt ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in den Tropen für die Ausweitung der Plantagen erheblich Primärregenwald abgeholzt wird, der als Biodiversitätsreservoir und Klimaregulator dringend erhalten werden muss.
Ein Verfahren, das auf der Nutzung von in großen Mengen verfügbarer Ölsäure aus europäischen Ölsaaten wie Raps oder Sonnenblume basieren würde, könnte erheblich zum Rohstoffwandel in der Herstellung von Reinigungsmitteln und Kosmetika beitragen. Die Umwandlung der Ölsäure zur Myristinsäure ist ein Prozess, der durch isomerisiereunde katalytische Oxidation erreicht werden soll.
Es soll im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Katalysator entwickelt werden, der die in Ölsäure vorhandene Doppelbindung zu verschieben gestattet und gleichzeitig der Oxidation zuführt. Die Produkte sollen weiterhin anschließend gereinigt und in Formulierungen eingebracht werden um zu testen, ob und wie sich die Reinigungswirkung gestaltet.
Projektdauer
2024-10-01 – 2027-09-30
Vor dem Hintergrund hoher Umweltbelastungen und eines starken Energieinputs im Baugewerbe sollen innovative Produkte für den Innenausbau entwickelt und deren Akzeptanz untersucht werden. Durch Zugabe von Pflanzenfasern und Schäumen soll das Gewicht von Lehmbauplatten reduziert werden und leichtere, naturfaserverstärkte Lehmbauplatten entwickelt werden. Die Anforderungen von Handwerker:innen und Verbraucher:innenn an solche Platten werden ebenfalls analysiert. Spezifische Projektziele sind:
- Untersuchung der Machbarkeit von naturfaserverstärkten Lehm-Schäumen aus Nachwachsenden Rohstoffen zur Gewichtsreduktion in Lehmbauplatten
- Entwicklung von leichteren, naturfaserverstärkten Lehmbauplatten auf dieser Basis
- Analyse des Interesses von Bauwilligen und Handwerkern an solchen Lehmbauplatten
- Erstellen von Informationsmaterialien für Baustoffhandel und Handwerk zu Lehmbauplatten und leichteren Lehmbauplatten auf Basis von pflanzenfaserverstärkten Schäumen
Projektdauer
2024-01-01 – 2026-12-31
Beteiligtes Personal
Projektausführung
Sebastian Gründig, M.A.
Professur Marketing und Management Nachwachsender Rohstoffe
- Doktorand
- Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Funding
Gefördert wird es vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten.
Des Weiteren werden Unternehmen aus der Agrarbranche und Baubranche an dem Projekt beteiligt sein.
Aus den Reststoffen der Hopfenextraktion gewonnene Polyphenole als natürliche Antioxidantien in Kosmetik- und Lebensmittelformulierungen
Die großtechnische Gewinnung von Polyphenolen ist von stetig wachsendem Interesse, da in den nächsten Jahren die synthetischen Antioxidantien zunehmend in der EU verboten werden und schon jetzt von den Verbraucherinnen und Verbrauchern immer mehr abgelehnt werden. Bei der Herstellung eines ethanolischen Hopfenextrakts für die Brauindustrie fällt als Reststoff der sogenannte Gerbstoffextrakt an, welcher ein vielversprechender Lieferant für Polyphenole ist und derzeit noch keiner ökonomisch sinnvollen Nutzung zugeführt wird. Im Rahmen dieses Vorhabens soll der Reststoff aufgereinigt werden und als Quelle für natürliche Antioxidantien in Kosmetik und Lebensmitteln als Stabilisator, Konservierungsstoff oder aufgrund ihrer positiven Wirkung auf die Gesundheit einformuliert werden.
Projektdauer
1970-01-01 – 1970-01-01
Synergien durch Integration von Biomassenutzung und Power-to-x in der Produktion erneuerbarer Kraftstoffe
Die Entwicklung von neuen Prozesswegen zur Herstellung von Isobutanol aus industriellen Abfallströmen, insbesondere unter Verwendung von Weizenstrohhydrolysat, ist einer der Aspekte des Projekts. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines nachhaltigeren Weges zur Isobutanolproduktion unter Verwendung verschiedener Stämme von Corynebacterium glutamicum. Darüber hinaus ist das Testen, Entwickeln und Etablieren von Methoden zur in-situ-Produktabtrennung ein weiterer Aspekt des Projekts.
Kontakt: Jennifer Borger M. Sc.
Funding
German Federal Ministry for Digital Affairs and Transport
Die Forschung konzentriert sich auf die optimale Regelung industrieller Fermentationsprozesse, die bei der Verwendung von Hydrolysaten aus landwirtschaftlichen Reststoffen von Chargenschwankungen betroffen sind. Das Hauptziel besteht darin, das volle Potenzial von Bioprozessdaten auszuschöpfen, eine schnellere Fehlerbehebung zu ermöglichen, die Prozessautomatisierung zu verbessern und den Bedarf an zeitaufwändigen und kostspieligen Offline-Messungen durch die Entwicklung kontinuierlich trainierter, validierter und verbesserter, auf Hybridmodellen basierender Softsensoren zu reduzieren. Die Prozesssteuerung umfasst die Kombination von Echtzeitdaten von Hardwaresensoren mit speziell entwickelten Modellen, um nicht messbare Parameter online vorherzusagen.
Kontakt: Nico Geisler M. Sc.
Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit der Produktion, dem Scale-up und der Weiterverarbeitung von Exopolysacchariden mit verschiedenen Mikroorganismen für unterschiedliche Anwendungen. Die Entwicklung solcher Produkte birgt bestimmte Herausforderungen wie die oftmals hohe Viskosität, die Empfindlichkeit der Produkte gegenüber Wasser- und Umweltbedingungen und die Maßstabsvergrößerung. Die Überwindung solcher Hürden und die Entwicklung nachhaltiger, biologisch abbaubarer Materialien ist das Hauptziel der Forschung.
Kontakt: Venessa Dsouza M. Sc.
Neue Verfahren zur Biopolymerproduktion
Bei bestimmten biotechnologischen Produktionsverfahren nimmt die Viskosität des Reaktionsmediums mit steigender Produktkonzentration zu. Dies ist besonders wichtig für die mikrobielle Biopolymerproduktion, bei der der Sauerstofftransfer mit fortschreitender Fermentationsreaktion limitiert wird. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, konventionelle Reaktorsysteme für solche Anwendungen zu verbessern und zu erneuern, indem additive manufacturing (AM) und computational fluid dynamics (CFD) als Testplattformen eingesetzt werden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Optimierung spezifischer Phasen, einschließlich der Rückgewinnung des Endprodukts, wobei die wirtschaftliche Tragfähigkeit des gesamten Herstellungsprozesses im Vordergrund steht.
Konakt: Juan Mariño Jara M. Sc.
Biotechnologische Umwandlung von Methanol (C1) zu Tocochromanolen
Das Ziel dieses Projekts ist Methanol, das aus CO2 hergestellt werden kann, in Form eines fermentativen Prozesses in antioxidativ-wirkende Stoffe umzusetzen. Diese sind von besonderer Bedeutung für die Futtermittelindustrie, um Futtermittel mit erhöhtem Fettgehalt zu stabilisieren. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es ein methanol-basiertes Produktionsverfahren zu entwickeln und zu optimieren, welches aus der Fermentation mit dem Mikroorganismus Saccharomyces cerevisiae und der nachfolgenden Aufarbeitung der Zielsubstanzen besteht. Dabei beinhaltet das Projekt von Beginn an ökonomische Machbarkeitsstudien, um die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen.
Kontakt: Ulf Stegemeyer M. Sc. / Ilgaz Oktay M. Sc.
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Transfernetzwerk zur Beschleunigung der Industriellen Bioökonomie (TransBIB) hat zum Ziel, die Abhängigkeit Deutschlands von nicht erneuerbaren Ressourcen zu verringern, indem es eine schnellere Überführung biotechnologischer Produktionsprozesse aus dem Labor in den industriellen Maßstab ermöglicht. BVT unterstützt TransBIB durch die Erstellung von Prozesssimulationen für das Up-Scaling biotechnologischer Produktionsverfahren. Darüber hinaus wird eine Datenbank über die Kapital- und Betriebskosten von Anlagen im industriellen Maßstab erstellt. Schließlich zielt das Projekt darauf ab, Start-ups, sowie kleine und mittlere Unternehmen bei der Skalierung zu unterstützen, indem Informationen über die erforderlichen Genehmigungen, Verfahren und Fristen weitergegeben werden, die bei der Planung und dem Bau solcher Anlagen zu berücksichtigen sind.
Kontakt: Estelle van der Walt M. Sc.
Das von der Europäischen Exekutivagentur für Forschung (REA) geförderte Projekt CirculH2 zielt darauf ab, die erfolgreiche Entwicklung einer oder mehrerer äußerst robuster und skalierbarer Hydrogenasen für die Verwendung von H2 zu demonstrieren, die die Biotransformation biobasierter Materialien in Spezial- und Grundchemikalien in einem industriellen Umfeld selektiv vorantreiben. Die Technologie zielt darauf ab, die stark genutzten konventionellen chemischen Produktionsmethoden zu ersetzen und die Dekarbonisierung der industriellen Biotechnologie zu ermöglichen. Die Professur für Bioverfahrenstechnik entwickelt die Produktion von FeFe-Hydrogenase im industriellen Maßstab innerhalb des CirculH2-Projekts. Dazu wird die Fermentation von E. coli, das als Quelle für unser widerstandsfähiges Hydrogenase-Enzym dient, hochskaliert.
Kontakt: Ilgaz Oktay M. Sc.
Funding
Europäischen Exekutivagentur für Forschung (REA)
Soft-Sensoren zur optimalen Steuerung industrieller Fermentationsprozesse
Für die industrielle Biotechnologie sind effiziente Fermentationsprozesse von besonderer Bedeutung. Hierfür soll innerhalb des Promotionsprojektes ein sogenannter SoftSensor entwickelt werden. Dieser soll die optimale Regelung des Bioprozesses und somit maximale Ausbeuten in minimaler Fermentationszeit ermöglichen. Der SoftSensor soll kontinuierlich Prozessparameter modellgestützt messen, welche nicht direkt über konventionelle Hardware-Sensoren messbar sind. Das Projekt umfasst einen praktischen Fermentationsteil mit Escherichia coli und einen theoretischen Programmierteil.
Kontakt: Dennis Beerhalter M. Sc.
