Bioprozesstechnik

EFRE-Projekt: RESI - Reststoffe Innovativ

Das Projekt erhält Zuwendungen aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) und des Landes Niedersachsen und befasst sich im Teilprojekt des TCIs mit der biotechnologischen Produktion von Biopolymeren.

Die Kunststoffindustrie ist aufgrund der immer weiter fortschreitenden Verbreitung von Mikroplastik in der Umwelt extrem unter Druck für alternative, besser degradierbare Kunststoffe zu sorgen. An diesem Punkt setzt das RESI-Projekt an, bei dem sich der Projektpartner TCI zum Ziel gesetzt hat, Biopolymere wie Polyhydroxyalkanoate (PHA) durch Mikroorganismen zu produzieren. Hierfür werden Produktionsverfahren zunächst mit natürlichen Produzenten wie Cupriavidus necator aufgebaut, die als benchmark für die rekombinante Produktion dienen sollen. Sodann werden Rekombinante auf Basis von E. coli erstellt und die Kultivierung und Produktion mit diesen Stämmen erprobt. Neben der Prozessintensivierung zur optimalen Produktion müssen ebenso geeignete Analysen­methoden zur Quantifizierung der PHA etabliert werden. Im nächsten Arbeitsschritt werden dann verschiedene Reststoffe aus agrar-wirtschaftlichen Prozessen für ihre Eignung als kostengünstige Medienbestandteile untersucht, um den Prozess noch wirtschaftlicher zu gestalten. Hierbei liegt der Fokus auf z.B. Melasse, Molke und Schleudereiweiß als alternative Kohlenstoff- und Proteinquellen.

Projektplan 

Zunächst wird auf Basis natürlicher Produzenten eine PHA-Produktion etabliert, die von entsprechenden quantitativen Messmethoden zur PHA-Bestimmung ergänzt wird. Dieser Prozess wird in den Reaktormaßstab aufskaliert und als benchmark-Prozess eingehend studiert. Parallel erfolgen die molekularbiologischen Arbeiten zur Rekombination von E. coli, um die Produktion auch in diesen Zielorganismen zu etablieren. Sobald die Produktion in E. coli erfolgreich umgesetzt wurde, werden diese Rekombinanten in den Reaktormaßstab aufskaliert und der Prozess optimiert und intensiviert. Um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter zu verbessern, werden dann verschiedene Reststoffe aus dem Agrarbereich für ihre Eignung als Medienbestandteile untersucht und die optimalen Anteile für eine ökonomische Produktion ermittelt. Die finale Prozessarchitektur wird dann abschließend anhand einer Ökobilanzierung auf ihre Nachhaltigkeit hin bewertet.

Kooperation

Das Projekt wird im Verbund mit dem Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe der Hochschule Hannover sowie den Firmen Vogelsang GmbH & Co. KG und Holzmühle Westerkamp GmbH durchgeführt.

Weitere Beteiligte:

• Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Prof. Dr. Andrea Siebert-Raths Hannover
• Vogelsang Andreas Fastenau Essen
• Holzmühle Westerkamp Dr. Kolja Ostendorf Visbek

EFRE-Projekt: ISM4MP - In situ-mikroskopische Überwachung des enzymatischen Mikroplastikabbaus

Das Projekt erhält Zuwendungen aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE), innerhalb des Sonderaufrufs „Strategische Technologien für Europa – STEP“ für Innovative Kooperationsprojekte für anwendungsorientierte Forschung, und des Landes Niedersachsen und befasst sich mit dem Monitoring von enzymatischen Abbauprozessen von Biopolymermikropartikeln mittels in situ-Mikroskopie.

Die Kunststoffindustrie ist aufgrund der immer weiter fortschreitenden Verbreitung von Mikroplastik in der Umwelt extrem gefordert Verfahren für die Degradierung von Kunststoffen zu entwickeln. An diesem Punkt setzt das ISM4MP-Projekt an, bei dem sich das TCI zum Ziel gesetzt hat, verschiedenste Polymermikropartikel durch plastik-abbauende Enzyme zu zersetzen. Hierfür werden zunächst Produktionsverfahren für die rekombinante Herstellung der Enzyme in E.coli aufgebaut, die dann isoliert und aufgereinigt für Modellabbauprozesse eingesetzt werden. Um die Abbaureaktionen zu verfolgen, wird eine neue Messtechnik auf Basis der in situ-Mikroskopie entwickelt, die in der Lage ist, die Volumenabnahme der Mikroplastikpartikel über die Zeit zu dokumentieren. Hierfür muss nicht nur die in situ-Mikroskopie für die Anwendung angepasst und optimiert werden, sondern ebenso müssen Auswertungsalgorithmen zur exakten Bestimmung der Mikroplastikpartikel im Durchfluss entwickelt werden. Weiterhin müssen geeignete Analysen­methoden zur Quantifizierung der Polymere zur Korrelation der in situ-Mikroskopie etabliert werden. In einem weiteren Arbeitspaket werden dann verschiedene Polymermikropartikel beim Projektpartner Noack Laboratorien hinsichtlich ihrer Aquatoxizität untersucht und bewertet und die Abhängigkeit der Toxizität von der Partikelgröße.

Projektplan

Zunächst werden Enzyme für den Abbau ausgesuchter Polymere für die Produktion ausgewählt. Hierbei sollen jeweils Beispiele für C-C-verknüpfte Polymere, für C-X-verknüpfte Polymere und Biopolymere bearbeitet werden. Sodann erfolgen die molekularbiologischen Arbeiten zur Rekombination von E. coli, um die Produktion der Enzyme zu etablieren. Sobald die Produktion in E. coli erfolgreich umgesetzt wurde, werden die produzierten Enzyme für Modellabbauprozesse von Mikroplastikpartikeln eingesetzt und die in situ-Mikroskopie zur Überwachung und Dokumentation der Abbaukinetiken adaptiert. Dies beinhaltet nicht nur die Adaption des ISM für diese neue Applikation, sondern darüber hinaus auch die Entwicklung von Bildverarbeitungsalgorithmen zur präzisen Bestimmung der Partikelgrößen im Durchfluss. Um die tatsächliche Gefährdung durch Mikroplastikpartikel zu dokumentieren, wird beim Projektpartner Noack eine zusätzliche Untersuchung der Aquatoxizität durchgeführt, einerseits um deren akute Toxizität zu erfassen und andererseits den Einfluss der Partikelgröße auf die Toxizität herauszuarbeiten. Mit dem Projekt wird erstmals eine online-Mess­technik für inerte Plastikpartikel im kritischen Größenbereich der Mikropartikel entwickelt, die in der Lage ist, den Abbau der Mikroplastikpartikel über die Zeit zu erfassen. 

Kooperation

Das Projekt wird in Kooperation mit der Firma Noack Laboratorien GmbH durchgeführt.

Weitere Beteiligte:

• Noack Laboratorien GmbH, Dr. Christian Maeß