Technische Universität München

Über uns

Durch die weltweite Treibhausgasproblematik und die Verknappung geochemischer Ressourcen, wie z.B. Rohöl, sucht die chemische Industrie nachhaltige und CO2 einsparende Produktionslösungen. Eine zusätzliche Motivation ist die gesetzliche Einführung von produktions-gekoppelten CO2 Zertifikaten, welche sich in Zukunft signifikant in den Unternehmensbilanzen niederschlagen wird.

Der Werner Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie erforscht und entwickelt nachhaltige Lösungen zur Darstellung von chemischen und pharmazeutischen Grund- und Feinchemikalien auf Basis biotechnologischer Prozesse. Ausgangsstoff für diese Prozesse sind biogene Reststoffströme der Agrar-, Forstwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion, wie Stroh, Holzschnitzel oder auch Krabbenschalen. Diese Reststoffströme konkurrieren nicht mit der Nahrungsmittelproduktion und haben keinen direkten Einfluss auf Landnutzung oder Wasserverbrauch. Biomassereststoffe bestehen aus einer komplexen chemischen Matrix wie z.B. Polymeren Zuckern (z.B. Zellulose, Hemizellulose), Proteinen und Polyphenolen (Lignin).

Weitere Informationen finden Sie unter https://www.department.ch.tum.de/wssb.

Der Prozess

Um diese Inhaltsstoffe nutzbar zu machen bedarf es einer Zerlegung (Depolymerisation) in monomere chemische Bausteine und deren Modifikation in industriell relevante Wertstoffe. Basis für eine effiziente Biomasse Umsetzung in monomere chemische Bausteine und deren anschließende Transformation in Wertstoffe sind biokatalytische Verfahren. Im Gegensatz zu chemischen Katalyse ermöglichen Biokatalysatoren Reaktionen unter milden Reaktionsbedingungen und zeichnen sich meist durch eine sehr hohe Substrat Selektivität und Aktivität aus.

Während isolierte Enzyme eine spezifische Reaktion ermöglichen, können Ganzzellsysteme (z.B. E. coli, S. cerevisiae) durch genetische Manipulation genutzt werden um Enzymkaskaden im zellulären Metabolismus so zu lenken, dass industriell relevante Zielprodukte gebildet werden.

Um die Raum-Zeit Ausbeute eines industriell relevanten Produktes zu erhöhen, werden Prozesse meist bei hohen Temperaturen durchgeführt. Weiterhin können industriell genutzte Prozessmedien Inhibitoren, wie. z.B. organische Lösemittel oder eine hohe Salzfracht enthalten, welche die Reaktionsfähigkeit von nativen Biokatalysatoren einschränken. Um native Biokatalysatoren für ausgewählte Prozesse zu optimieren, werden heute genetische Optimierungsmethoden genutzt.

Projekt-Mitarbeiter - Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie

Prof. Thomas Brück

Fachgebiet Industrielle Biokatalyse

Dr. Farah Qoura

Gruppenleiter Synthetischen Mikrobiologie

Melania Pilz

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Über uns

Der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der Technischen Universität München (TUM) in Garching befasst sich in Forschung und Lehre mit allen Aspekten der technischen Nutzung biologischer Stoffumwandlungen. Wissenschaftliche Schwerpunkte sind Bioreaktoren und Biokatalyse, sowie Fermentation und Prozessintegration. Der Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik verfügt über ein Biotechnikum und zugehörige Labore mit kompletter Infrastruktur zur Kultivierung und Analyse von Mikroorganismen und Zellen vom 1 mL - 100 L Maßstab. Für Pilotversuche bis zum 1000 L Maßstab stehen das TUM-Technikum für Weiße Biotechnologie in Garching, sowie ein Algentechnikum mit LED-Beleuchtung in Ottobrunn zur Verfügung. Sowohl im Labor- als auch im Technikumsmaßstab können damit biologische Stoffumwandlungen in unterschiedlichen Bioreaktoren untersucht und neuartige Produktionsverfahren erarbeitet werden. Hierzu arbeiten Biowissenschaftler und Ingenieure interdisziplinär in einem Team zusammen und kooperieren mit nationalen und internationalen wissenschaftlichen und industriellen Partnern.

Weitere Informationen finden Sie unter https://www.mw.tum.de/biovt.

Beitrag des Lehrstuhls für Bioverfahrenstechnik zu EcoWashCycle

Um pflanzliche Reststoffe in biotechnologischen Produktionsprozessen nutzen zu können, müssen die darin enthaltenen Biopolymere wie beispielsweise Cellulose, Hemicellulose, Pektin und Proteine zunächst in ihre Monomere (Zucker und Peptide/Aminosäuren) zerlegt werden. Dies kann durch geeignete hydrolytische Enzymmischungen erfolgen, die üblicherweise mit unterschiedlichen filamentösen Pilzen hergestellt werden. Jeder mikrobielle Enzymproduzent ist dabei auf eine bestimmte Gruppe hydrolytischer Enzyme wie beispielsweise Cellulasen oder Hemicellulasen spezialisiert, die jeweils besonders effizient produziert werden können. Damit sind jedoch mehrere unterschiedliche Produktionsprozesse zur Herstellung der erforderlichen Enzymmischungen notwendig.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll daher die Herstellung von hydrolytischen Enzymmischungen zur Aufspaltung von Biopolymeren in pflanzlichen Reststoffen durch eine Kokultivierung von geeigneten filamentösen Pilzen in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgen. Hierzu müssen zur Kokultivierung geeignete komplementäre Enzymproduzenten ausgewählt, die Wechselwirkungen zwischen den ausgewählten Pilzen im Bioreaktor untersucht und ein neuartiges Verfahren zur effizienten Herstellung von optimalen Enzymmischungen zur Totalhydrolyse von pflanzlichen Reststoffen ausgearbeitet werden.

Da bei einer Totalhydrolyse eine breite Mischung unterschiedlichster Zuckermonomere und Peptide erzeugt wird, bieten sich nachfolgend mikrobielle Produktionsorganismen mit sehr breitem Substratspektrum zu deren Verwertung an. Dies soll abschließend mit ölbildenden Hefen untersucht werden, wobei eine möglichst vollständige Umsetzung des Hydrolysats zu besonders wertvollen mikrobiellen Ölen angestrebt wird.

Projekt-Mitarbeiter - Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik

Prof. Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz

Universitätsprofessor
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik

Arbeitsschwerpunkte:

• Mikro-Bioverfahrenstechnik
• Biokatalyse
• Fermentation
• Gasfermentation
• Prozessintegration

M.Sc. Fabian Mittermeier

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik

Arbeitsschwerpunkte:

• Pilzfermentation
• Enzymatische Hydrolyse
• Zuckeranalytik