Projektverbund Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern Projektpräsentation Biofilme für die Prozessintensivierung Prof. Dr. Ruth Freitag (Leitung) Prof. Dr. Andreas Greiner Universität Bayreuth Lehrstuhl für Bioprozesstechnik Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie II
Gliederung Hintergrund Arbeitshypothese Roadmap Standort Kohärenz 2
Industrielle Biotechnologie Einsatz von Biokatalysatoren (Enzyme, Organismen) selektiv, spezifisch, effizient Integration in den Prozess? - Suspension - Zellrückhalt (Immobilisierung) Prozessführung, kontinuierlich (Rezyklisierung): Natürliche Immobilisierung: als BIOFILM (MIKROORGANISMEN UND EPS (EXTRAZELLULÄRE, POLYMERE SUBSTANZEN))
Biofilme, dynamische biologische Systeme http://cronodon.com robust, strukturiert, funktionell spontane Bildung und Regeneration Schutz der Organismen (ph, Salz, Toxinen, Antibiotika, Temperatur Scherstress, etc.) Kommunikation Komplexe Stoffwechselleistungen Konsortien Prozesse: bessere Raum-Zeit-Ausbeute interessantere Stoffwechselleistungen toleranter gegen Kontamination höhere Prozessstabilität vereinfachte Aufreinigung Bildung: spontaner, mehrstufiger Prozess an Grenzschichten
Technischer Einsatz von Biofilmen, etabliert Konsortien Biodegradation / Bioremediation (industrielle) Abwasserbehandlung Bio-Filter für Luft und Abgase Reinigung / Sanierung kontaminierter Standorte Biogas-Erzeugung Produktion von Essigsäure / Essig Bakterien-Konsortien bislang einziger technischer Prozess
Technischer Einsatz von Biofilmen, Potential Rohstoffrückgewinnung Wertstoffen (Schwefel, Selen, Metallrefining) Düngemitteln (Phosphat) Energiegewinnung Wasserstoff Strom (Mikrobielle Brennstoffzelle) Produktion von (Fein-)chemikalien Biofilme als Biofertilizer/Biokontrollprodukte Biofilme als Schutz gegen Biokorrosion Antibakterielle Beschichtungen Einsatzgebiet der Single Species -Biofilme
Biofilme für die Industrielle Biotechnologie? Biofilme: ideale lebende Biokatalysatoren für für spezifische Biotransformationen unter kontrollierten Bedingungen Natürliche Biofilme sind auch: sehr dynamisch kaum kontrollierbar nicht standardisierbar schlecht skalierbar langsam nicht lagerfähig nicht bei allen Organismen möglich ABER
Biokomposite eine Materialklasse mit vielen Möglichkeiten Es fehlt ein universell einsetzbares, validierbares Konzept für die maßgeschneiderte, reproduzierbare Erzeugung von funktionellen (Single Species) Biofilmen in der Industriellen Biotechnologie 8
Arbeitshypothese Hypothese: Prozessangepasste, künstliche Biofilme können wesentlich zur Intensivierung industrieller biotechnologischer Prozesse beitragen. Teilprojekt Biofilme für die Prozessintensivierung der Universität Bayreuth im Projektverbund Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern Andreas Greiner, Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie II ZIEL: ENTWICKLUNG VON BIOKOMPOSITEN AUS SYNTHETISCHEN POLYMEREN UND MIKROORGANISMEN
Biokomposite eine Materialklasse mit vielen Möglichkeiten Die Kombination aus einer synthetischen Polymermatrix und Bakterien erlaubt die: Kontrollierte, sichere, sortenreine Immobilisierung von Bakterien/Mikroorganismen Nutzung einer großen Zahl von Materialien mit kontrollierten/kontrollierbaren Eigenschaften Schutz der Organismen bei Verarbeitung/Einsatz unter wenig biokompatiblen Bedingungen Deutlich verbesserte Lagerfähigkeit Und damit: neue Anwendungen, schnelleren Einsatz, Validierbarkeit, Sicherheit durch die kontrollierte Ausbildung und Nutzung von Biofilmen. 10
Roadmap AP 1: Konzept künstlicher Biofilm Nitrobacter winogradskyi / Konsortien Materialien (Hydrogele, Beschichtung) Herstellung Vliese und Gewebe Stabilität / Lagerung AP 2: mikrobielle Brennstoffzelle (Energie) Organismen Matrixfunktionalisierung Einsatz Maßstabsvergrößerung AP 3: Biosynthese Definition Mikroorganismen Prozess Mitarbeiter: Patrick Kaiser (BPT) und Steffen Reich (MCII)
Der Weg zum Biokomposit PPX Elektrospinnen Bakterienkultur Herstellung Bakterien/ PVA Dispersion Beschichten mit PPX Nassspinnen 12
Stand, Fasern Hydrogel-Fasern: Durchmesser ca. 0,1 mm Hydrogel-Vliese: Durchmesser ca. 0,001 mm Schichtdicke des PPX je nach Reaktionszeit zwischen 1-5 µm Hydrogel-Fasern auf Träger Hydrogel-Vlies, Elektrogesponnen, SEM 2000x Hydrogel-Faser, SEM 900x Hydrogel-Faser, Elektrogesponnen, SEM 7340x 13
Stand, Fasern Die Bakterien überstehen den Prozess gut und sind auch nach längerer Kultivierung noch vital (Knierim et al., Macromolecular Bioscience 2015) und metabolisch aktiv: y z x Draufsicht auf Hydrogel-Faser mit oneidensis S. oneidensis Bakterien; MR1, LSM 200x Mikrofasern mit Shewanella grün: lebend, rot: tot Abbau von Nitrit (blau) mit Hilfe von Biokompositen mit Nitrobacter winogradskyi Bakterien (grün) Erfolgreiche Erzeugung eines Biokomposits für den Umweltbereich
Stand, Vliese Anreicherung von Gold- Mikronuggets aus wässriger Lösung durch Micrococcus luteus Bakterien 24 Stunden: über 95 % des Goldes sequestriert (Gensheimer et al., Macromolecular Bioscience 2011) Goldpartikel sind am und im Bakterium zu finden Agarplatte mit Bakterienkolonien nach Verkapselung Elektrogesponnenes Vlies Erfolgreiche Sequestrierung von Gold durch immobilisierte M. luteus 15
Energie Mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) erzeugen elektrischen Strom, wenn eine mikrobiell katalysierte Freisetzung von Elektronen auf der Anodenseite stattfindet: Last e- oxidiertes Medium Sauerstoff CO2 Kathode Anode Biologische Zelle Abläufe im Biofilm ½ O2 e- Biokat. 2 H+ H+ Wasser H2O organisches Nährmedium (modifiziert nach Sievers et al., 2010) 2 e- Chemische Zelle Membran 16
Energie Vliese mit Shewanella oneidensis Bakterien, grün: lebend, rot: tot (a) Bakterien wachsen aus dem Vlies heraus (b) Abbau von Milchsäure mit Hilfe von Shewanella oneidensis-vliesen (blau); zum Vergleich: Vlies ohne Bakterien (grün) Einsatz in der mikrobiellen Brennstoffzelle??? 17
Stromdichte beim KontrollKomposit liegt bei 0,19 µa/cm² Höchste Stromdichte bei S.oneidensis-Kompositen liegt nach ca. 127 h bei 9,4 µa/cm² Stromdichte (µa/cm2) Energie 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 0,05 elektr. Leistung beim KontrollKomposit liegt bei 0,043 mw/m2 elektr. Leistung bei S.oneidensisKompositen liegt nach ca. 127 h bei 2,7 mw/m2 el. Leistung (mw/m²) 0h 0.5h 0,1 Potential (V) 4.25h 71.4h 0,15 0,2 126.5h 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 2,0 0h 4,0 6,0 8,0 Stromdichte (µa/cm2) 0.5h 4.25h 71.4h 10,0 126.5h 18
Vom Labor in den technischen Maßstab
Künstliche Biofilme Kohärenz Energietechnik Recycling Chem. Synthese Vernetzung Künstlicher Biofilm Verwendung von Bio- Verwendung von Zellkata- polymere (AG TUM) lysatoren (AG TUM) Metallrückgewinnung
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