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Biotechnologie (Fach) / 9. Nachwachsende Rohstoffe (Lektion)
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- Lignin Bedeutung Struktur Verbindung mit -neben Cellulose und Chitin häufigste Verbindung -Lignine: nicht def, phenolisches Makromolekül Cumaryl, Coniferyl,Sinapylalkohol -Verbundstruktur mit Cellulose und Hemicellulosen =>Verholzung -Lignocellulose
- Gewinnung Lignin während Zellstoffherstellung alternative Verfahren unbedeutend
- Verwendung von Lignin -Brennstoff Schwarzlauge wird eingedampft und getrocknet => 98 % energetisch genutzt -stofflich anfallende Ligninsulfonate aus Sulfit-Prozess dispergierende Eigenschaften, Klebeeigenschaften, Phenol-Ersatzstoff, Synthesegas, Vanillin
- 5 mikrobiell erzeugte technische Lösungsmittel -Aceton -Butanol -Ethanol -Isobutanol -1,3 Propandiol
- Ethanol Einsatz 80 % Automobiltreibstoff Beimischung unterschiedlicher Mengen übrige 20 % chemisch-technisch und Lebensmittelbereich Lösungsmittel, Desinfektionsmittel, Träger Geruchsstoffe etc.
- Ethanolherstellung Stoffwechselweg -alkoholische Gärung zucker- und stärkehaltige Substrate -Stärke in Glucose, dann zu Pyruvat -Glykolyse, Pasteur-Effekt (höherer Umsatz bei anaerob)
- Substrate Ethanolproduktion Grundsätzlich und Arten Getreide => Abbau zu vergärbaren Zuckern erforderlich -Europa: Stärke aus Getreide, Zucker aus Zuckerrüben -USA: Stärke aus Mais -Brasilien: überwiegend Zucker aus Zuckerrohr abhängig von Produktionsstandort
- 5 Schritte Ethanolproduktion -Vermahlung: Trockenvermahlung, Dampfbehandlung Gelantine Stärke -Verflüssigung: Stärkehydrolyse mit alpha-Amylase in Oligosaccharide -Verzuckerung: durch Glucoamylase zu Glucose -Fermentation: S. cerivisiae -Destillation: Ethanol, DDGS (dried distillers grain with solid)
- Vormaischen Ethanolproduktion -Enzymbehandlung zur Reduktion der Viskosität
- Gelantinisierung und Vorverflüssigung Ethanol Arten -75-85 °C -105 °C -120-150°C
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- Verzuckerung Arten Ethanol -direkt -schnelles Abkühlen 95-100 °C -schnelles Abkühlen unter Vakuum auf 95-100 °C
- Nachverflüssigung Ethanol Enzymbehandlung
- Bioethanol 2 Bedingungen 2 Vorteile 1 Problem -Produktion von klimatischen und landw. Bedingungen -Streckung der Erdölreserven Verwertung nachw. Rohstoffe und Verringerung CO2-Emissionen auch zur Ernährung benötigt =>Verteuerung, alternative Substrate notw.
- Alternative Substrate zu Ethanol -Lingnocellulose-Hydrolysate -Synthesegas
- Lignocellulose-Hydrolysate Verwendung, Problem -bisher keine wirtsch. Verwendung obwohl Xylan und Hemicellulose -Abbau lignocellulosehaltige Biomasse sehr langsam, Kombi chem und biologischer Verfahren optimal noch nicht entwickelt Probleme: unvollständiger Aufschluss, Abtrennung Einzelkomponenten, Korrosion Schwefelsäure, Bildung inhibierender Substanzen
- Ansätze Lignocellulose-Hydrolysate Aufarbeitung -Phosphorsäure: schwächere Säure, weniger Nebenprodukte, in Edelstahlr, E. coli kann Zucker fermentieren -SPORL: Biomassedisruption, mehr Zucker weniger Inhibitoren -AFEX-Vorbehandlung: Fasern => Hemicellulose Oligomere => enzym. Verdauung v. a. Gräser
- Herausforderungen Ethanol-Produktion -Conutzung von Hexose und Pentose besonders wenn Inhibitoren -Kosten von Cellulase-Enzymen -Reduktion der Prozesskomplexizität
- Synthesegas Def MO 2 Vorteile Mischung aus CO und H2 Komponente chem. Industrie alleinige C- und Energiequelle einige Clostridien keine Konkurrenz zu NM Beitrag Verringerung CO/Co2
- Dekonstruktion Biomasse für Ölproduktion 3 Ansätze -biochem. Ansatz: Abbau Zellwand -Hybrid-Ansatz: Vergasung Biomasse, Mikroben Ethanolproduktion -thermochem. Ansatz: Pyrolyse zu Bioöl, Verfeinerung, Hydrocarbone und Alkohol
- 1,3- Propandiol Eigenschaften Einsatz Synthese -ungiftig, farblos -Herstellung Kunststoff PET (fühlt wie Wolle, hohe chem und mech. Beständigkeit) -Synthese chemisch und biotechnologisch
- Herstellung 1,3-Propandiol biotech klassisch Problem Alternative -anaerobe Bakterien Glycerinvergärung -Glycerin ist hochpreisig -Konstruktion E. coli, der aus Glucose (aus Mais) 1,3-Propandiol produziert
- Clostridium ssp. Fam 4 Eigenschaften -Fam Bacillaceae -grampositiv, Sporenbildner -ausgeprägter Gärungsstoffwechsel -strikt anaerob
- Clostridien Produktion, Substrate Herstellung Butanol und Aceton in kleinem Maßstab breites Substratspektrum: Polysaccharide, Nukleinsäuren, AS, Lipide auch Glucose, Stärke daraus Acetat, Butryrat
- Butanol Einsatz -Synthese Butylacrylat etc. ester -Lösemittel Farben -Zusatz Reinigungsmittel -Extraktionsmittel Arzneimittel -Laufmittel Chromatographie -Kosmetika, Schmiermittel
- Isobutanol Einsatz -Lösemittel Lackindustrie -chem. Synthesen -Extraktionsmittel -Laufmittel
- 2 Wachstumsphasen Mikroorganismen But, Aceton 1) acidogene Phase: Bildung Butyrat, Acetat, Co2, H2, Ethanol 2) solventogene Phase: Aufnahme von Säuren und Umwandlung in Butanol und Aceton
- Sinn 2 Phasen Clostridien -Anaerobier keine pH-Homöstase -intrazellulärer pH sinkt -Säurebildung => Zelltod Produktion ist nur Zwischenlösung für Zeitvorteil, da auch diese toxisch sind Endosporenbildung
- Bagasse fasergier Abfall Zuckerrohr nach Vermahlung
- Vinasse Abfallflüssigkeit nach Destillation
- Aceton EInsatz -chem. Industrie: Herstellung Methylmethacrylat -Lömi -Nagellackentferner -Reiniger -Kleber
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- Aceton Produzenten Substrate Phase Clostridium acetobutylicum, weitere C-Spezies aus Zuckerrohr, Mais, Cassava (Molke: Unterdrückung) -in der solvatogenen Phase