BIOKONVERSION VOM ABFALL ZU SAUBERER ENERGIE SYMPOSIUM - VERNETZTE ENERGIEFORSCHUNG Verwertung ungenutzter Energieströme Prof. Dr. Ruth Freitag, Lehrstuhl für Bioprozesstechnik
Neutrophil Zehnder 1978; McInerney & Bryant 1981 Säuretolerant Hintergrund Bioenergieproduktion - Anaerober Abbau Fakultative und Obligate Anaerobier Hydrolyse Organische Polymere Monomere Primäre Gärer Acidogenese Organische Säuren, Alkohole Sekundäre Gärer, Acetogene Syntrophie, Acetogenese Acetat CO 2, H 2 Formiat Methanogene Archaeen Methanogenese CH 4 + CO 2 CH 4
Nutzung von Reststoffen zur Energiegewinnung durch biologische Systeme s. Poster Neue Entwicklungen in der Reststoffverwertung: Biogasanlage und mikrobielle Brennstoffzelle Grundlastfähig Flexibel (Mittel-/Spitzenlast) Milde Betriebsbedingungen Nutzung heterogener (verschmutzter) Ausgangsmaterialien Selbsterneuernder Katalysator Biogasanlage Mikrobielle Brennstoffzelle
Das Kompetenznetzwerk Biogas Nordbayern Gegründet November 2012 Das Kompetenznetzwerk Biogas Nordbayern ist ein Zusammenschluss aus Vertretern der Wissenschaft und Wirtschaft, die ihr Know-how auf dem Gebiet Biogas in bilateralen Forschungsprojekten, aber auch in weiter gefassten Verbundprojekten einbringen wollen und in der Vernetzung der vorhandenen Kompetenzen eine Chance für die Weiterentwicklung dieser Technologie sehen. Partner: Die Universität Bayreuth (ZET, Naturwissenschaftliche Fakultäten) Die Hochschulen Amberg-Weiden, Hof und Coburg Fachverbände Anlagenbauer und betreiber...
Biologische Energieerzeugung Bedarf Forschung & Entwicklung Rohstoffe Einsatzgebiet Anlagen Stoffströme Produkte Das technische Ökosystem Molekular- / Mikrobiologie Biochemie / Stoffwechsel Design / Steuerung
Zahl der Zitationen Weiss et al. Appl. Microbiol. Biotechnol, 81, 163-173 Das technische Ökosystem Charakterisierung und Quantifizierung der Mikrobiozönose Diversity of the resident microbiota in an thermophilic municipal biogas plant 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Jahr
Anlaufphase einer örtlichen Biogasanlage Nachgärer Fermenterr Fermenter Partner: MR Bioenergie Bayreuth, AG Umweltgeochemie (Prof. Planer-Friedrich)
Messwerte Von besonderem Interesse: die Methanbildner Die qpcr zeigt eine Änderung der Methanogenen-Gemeinschaft. Diese wird per genetischem Fingerabdruck und Sequenzierung näher untersucht. genetischer Fingerabdruck
Einfluss von Spurstoffen im Gärsubstrat auf Stabilität und Effizienz der mikrobiologischen Prozesse Partner: LS Hydrologie (Prof. Peiffer), AG Umweltgeochemie Mikrobielle Bildung flüchtiger Metallverbindungen methyliertes Metall(oid) (flüchtig) Methan Substrat (Methanol, Acetat, H 2 + CO 2 ) Methyl-Cob(III) Cob(I) CoM Methyl-CoM Metall(oid) (nicht-flüchtig) Bildnachweise: F.Thomas; Ilgen & Huang J. Anal. At. Spectrom., 2013, 28,293
Integriertes Konzept zur Verwertung von Restenergie mittels biologischer Systeme (s. Poster) Partner: LS Werkstoffverarbeitung (Prof. Willert-Porada), weitere aus Industrie und Hochschule) CH 4 BHKW DE DE Stromnetz Redox-Flow- Batterie DE H 2 MBZ H 2 O
Prozessintensivierung in der industriellen Biotechnologie Partner: LS Makromolekulare Chemie II (Prof. Greiner) Projektverbund Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern BAYBIOTEC (StMUV) Industrielle Biotechnologie Einsatz von Biokatalysatoren (Enzyme, Organismen) selektiv, spezifisch, effizient Integration in den Prozess: Zellrückhalt: Rezyklisierung, Immobilisierung Natürliche Immobilisierung: als BIOFILM (Mikroorganismen und EPS (extrazelluläre polymere Substanzen)
http://cronodon.com Biofilm: ein dynamisches biologisches System robust, strukturiert, funktionell Vorteile: - spontane Bildung und Regeneration - stabil - robust gegenüber Umwelt - Schutz, z.b. vor ph, Salz, Toxinen, Antibiotika, Scherstress, Temperatur Prozesse: - bessere Raum-Zeit-Ausbeute - toleranter gegen Kontamination - höhere Prozessstabilität - vereinfachte Aufreinigung
Einsatz von Biofilmen in der Industrie Konsortien Biodegradation / Bioremediation (industrielle) Abwasserbehandlung) Bio-Filter für Luft und Abgase Reinigung / Sanierung kontaminierter Standorte Energiegewinnung Biogas Produktion von Essigsäure / Essig Bakterien-Konsortien bislang einziger technischer Prozess
Biofilme in der industriellen Biotechnologie Technischer Einsatz Biofilme: ideale lebende Biokatalysatoren für für spezifische Biotransformationen unter kontrollierten Bedingungen ABER Natürliche Biofilme sind auch: - sehr dynamisch - kaum kontrollier- und standardisierbar - schlecht skalierbar - langsam - nicht lagerfähig - nicht bei allen Organismen möglich
Biofilm-Engineering Ein Querschnittsthema in der Industriellen Biotechnologie Es fehlt ein universell einsetzbares, validierbares Konzept für die maßgeschneiderte, reproduzierbare Erzeugung von funktionellen (Single Species) Biofilmen in der Industriellen Biotechnologie Hypothese: Prozessangepasste, künstliche Biofilme können wesentlich zur Intensivierung industrieller biotechnologischer Prozesse beitragen. Projekt Uni Bayreuth: Elektroversponnene Kompositbiofilme
Anwendungen von Electrospinnen Menschliches Haar versus PVA Nanofasern Luftfilter (techn. realisiert) Schutzbekleidung Template Wundverband Antibakterielle Textilien Diagnostica Pflanzenschutz Verpackung Medikamentenfreisetzung Regnerative Medizin Nanokomposite / Verstärkung Kosmetik Sensoren Energiegewinnung/speicherung Übersichtsartikel: A. Greiner, J. H. Wendorff, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 5670 S. Agarwal, A. Greiner, J. H. Wendorff, Progr. Polym. Sci. 2013, 38, 963 16
Lebende M. luteus in elektrogesponnenen PEO Fasern Polymer und Bakterien auf dem Weg zum künstlichen Biofilm Lebende Bakterien können elektrogesponnen werden 1. Schritt: Einschluss der Bakterien in maßgeschneiderten Hydrogelmikropartikeln 2. Schritt: Elektrospinnen (falls gewünscht als coaxiale Core-Shell-Nanofaser) Die künstlichen Biofilme können aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden. Sie schützen und stabilisieren die Bakterien und lassen sich direkt einsetzen oder auch trocken über einen längeren Zeitraum lagern. Gensheimer et al., Macromolecular Bioscience 2011, 11, 333
(M. Enzeroth) Biokomposite zur Sequestrierung von Gold aus aquatischen Systemen immobilisierte M. Luteus Dissertation C. Knierim, AG Greiner Biokomposite für den Einsatz in Kleinstkläranlagen Diplomarbeit S. Deuerling, AG Freitag mit PPU Umwelttechnik) Optimierung des Biofilmwachstums in Kleinstkläranlagen Verkapselung der Konsortien in PVA Partikel Die Partikel wurden in verschiedenen Polymerlösungen suspendiert und zu Filmen gegossen Sequestrierung von Gold 24 Stunden: über 95 % des Goldes sequestriert Goldpartikel sind an und im Bakterium zu finden Biokomposit-Folie Grün: lebend, rot: tot Erfolgreiche Erzeugung eines vitalen Biokomposits
Biokomposite Eine Materialklasse mit vielfältigen Möglichkeiten Wir sehen den künstlichen Biofilm als Plattformtechnologie mit breitem Applikationspotential von der Umwelt- und Energietechnik über die chemische bis hin zur pharmazeutischen Industrie Die Kombination elektrogesponnener Polymerfaservliese und bakterienbeladener maßgeschneiderter Hydrogelmikropartikel erlaubt: Kontrollierte, sichere, sortenreine Immobilisierung von Bakterien/Mikroorganismen Nutzung einer großen Zahl von Materialien mit kontrollierten/kontrollierbaren Eigenschaften Deutlich verbesserte Lagerfähigkeit und damit: neue Anwendungen, schnellerer Einsatz, Validierbarkeit, Sicherheit (GMOs) durch die kontrollierte Ausbildung und Nutzung von Biofilmen. Einsatzbereich Energie: mikrobielle Brennstoffzelle
Zukünftige Arbeiten Mikrobiozönose Mikrobielle Bildung flüchtiger Metallverbindungen methyliertes Metall(oid) (flüchtig) Methan Stoffwechsel Substrat (Methanol, Acetat, H 2 + CO 2) Methyl-Cob(III) Cob(I) CoM Methyl-CoM Metall(oid) (nicht-flüchtig) Integration Intensivierung Rohstoffe, Einsatzgebiete
Vielen Dank!!