ACHEMA

Präbiotika - „Futter“ für gesundheitsfördernde Darmbakterien

Eine Gruppe der Präbiotika stellen die sogenannten Galactooligosaccharide (GOS) dar. Industriell werden GOS durch enzymatische Fermentation aus Lactose gewonnen.
Sie werden vor allem in Säuglingsersatznahrung eingesetzt, aber auch als Nahrungsmittelzusätze für funktionelle Lebensmittel oder direkt als Pulver verwendet.

Untersuchung und Optimierung zweier Strategien zur GOS-Herstellung und Aufreinigung

• Strategie A: freies Enzym im Rührkessel & Nanofiltration zur GOS-Aufreinigung
• Strategie B: immobilisiertes Enzym im Porendurchflussreaktor & Gegenstromchromatographie zur GOS-Aufreinigung

Ziele des Forschungsprojektes

• Nachhaltigkeit: Nutzung von Molkenpermeat (größtenteils ungenutztes lactosehaltiges Nebenprodukt in der Milchindustrie) als Ausgangsstoff für die GOS-Synthese
•  Recycling: Wiederverwendung des kostenintensiven Enzymes durch Immobilisierung
• Wertschöpfung: Aufreinigung des gewonnenen GOS-Gemisches, somit Gewinnung eines hochreinen GOS-Produktes, welches im Gegensatz zu den bisher auf dem Markt verfügbaren Produkten (weitestgehend) frei ist von Glucose, Galactose und Lactose ist

Förderung

im Rahmen des Programms Forschung an Fachhochschulen
Laufzeit: 09/2018–3/2023
FKZ: 13FH574IX6

 Kontakt:

Prof. Dr. Christof Hamel
Ines Pottratz

Kontinuierliche Gewinnung extrazellulärer Lipide aus Mikroalgen während der Kultivierung

Hintergrund
Mikroalgen enthalten viele wertvolle Inhaltsstoffe, die stofflich und energetisch genutzt werden können. Bisher verhindern jedoch die hohen Kosten und Energieeinträge, die zur Herstellung, Ernte und Aufarbeitung von Algenbiomasse notwendig sind, den Erfolg der Technologie. Eine Alternative bietet die Mikroalge Botryococcus braunii, die in der Natur in verschiedenen Races auftritt und während des Wachstums kontinuierlich ölhaltige Stoffe aus der Zelle in das umgebende Medium absondert. Diese Öle bestehen aus Kohlenwasserstoffen und können als Rohölersatzstoffe verarbeitet werden.

Zielstellung
Das von Botryococcus braunii abgesonderte Öl kann direkt während der Kultivierung aus der Kultursuspension extrahiert werden, ohne die Zellen dabei zu zerstören. Das hat neben der Einsparung kostenintensiver Aufarbeitungsschritte den großen Vorteil, dass die Zellen kontinuierlich weiter Öl produzieren und ausscheiden, welches in regelmäßigen Intervallen geerntet werden kann („Milking von Mikroalgen“). Hierfür wurde ein Gerätesystem entwickelt und patentiert (DE 10 2014 005 372 A1), welches während der Kultivierung die Ölabtrennung erlaubt. Ziel der Untersuchungen ist die Übertragung des kontinuierlichen „Milking“-Prozesses in den technischen Maßstab. Nach erfolgreicher Übertragung des Verfahrens vom Labormaßstab (3 L Blasensäulenreaktoren) in den semi-technischen Maßstab (6 L Flat-Panel-Airlift-Reaktoren) wird in aktuellen Untersuchungen ein Scale-up in den technischen Maßstab (25 L Flat-Panel-Airlift-Reaktoren) realisiert.

Förderung

EVEK
Laufzeit: 10/2020–09/2023
FKZ: 22017618

Kontakt:

Prof. Dr. Carola Griehl
Dr. Christian Kleinert

in- und ex-situ-Modifikationen

Hintergrund

Unter bakterieller Nanocellulose (BNC) versteht man einen vielseitig einsetzbaren Polymerwerkstoff, welcher von Bakterien wie Komagataeibacter xylinus unter aeroben Bedingungen produziert wird. BNC ist
chemisch rein und besitzt ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und ein hohes Wasseraufnahmevermögen.

Zielstellung

Im Rahmen dieses Projektes wird die BNC in-situ (im USP) sowie ex-situ (im DSP) modifiziert und der Einfluss auf die folgendenv BNC-Eigenschaften untersucht und evaluiert:

• Ausbeute
• Zugfestigkeit
• Wasserhaltekapazität
• Ultrastruktur

In situ-Modifikation: Vor dem Scale-up der Produktion von BNC müssen noch zahlreiche Voraussetzungen erfüllt werden, wie beispielsweise die Verwendung kostengünstiger
Rohstoffe, die Reduzierung der Nebenproduktbildung und die Steigerung der Produktivität der BNC-Herstellung. Modifikationen wie die Fermentationsfahrweise
und -parameter wurden untersucht.
Ex-situ-Modifikation: Ein potentielles Anwendungsgebiet der BNC stellt die Herstellung künstlicher Blutgefäße dar. Es besteht die Möglichkeit, dass ihre Eigenschaften
nach der Implantation durch den Kontakt mit verschiedenen Substanzen im Körper beeinflusst werden, was ihre Anwendung beeinträchtigen könnte.
Daher ist es sinnvoll und notwendig, die Modifizierung von BNC durch Behandlungen wie Alkalibehandlung, Trocknung und Funktionalisierung mit Polysacchariden
zu untersuchen. Desweiteren ergeben sich mit anderen Eigenschaften neue Anwendungsgebiete z. B. in der Auto-, Textil- und Kunststoffersatzindustrie.

Kontakt:

Prof. Dr. Jana Rödig
Dorit Beck

Prozesseverständnis durch VR-Applikationen (Er-) lebe Biotechnologie in VR

Biotechnologische Produkte tragen wesentlich zu unserer Lebensqualität und unserem Lebensstandard in vielen Bereichen bei. Ob im morgendlichen Kaffee, Brot und Joghurt, im abendlichen Wein, im Duschgel,
Waschpulver, in Biopharmazeutika wie Insulin, Krebstherapeutika, der individualisierten Medizin und Analytik wie z.B. den Zuckermessgeräten oder Corona-Tests sind biotechnologische Produkte und Ansätze nicht
mehr wegzudenken.

Das interdisziplinär entwickelte BioTech-House der Hochschule Anhalt wird im Rahmen dieses Projektes um einen Weinkeller erweitert. Dieser ermöglicht den geschulten sowie ungeschulten Anwendern in einer virtuellen
Umgebung den Prozess der Weinherstellung kennenzulernen, zu verstehen und Auswirkungen verschiedener Prozessbedingungen auf die resultierenden Weineigenschaften abzuleiten. Auch diese Anwendung unterstützt
fortgeschrittene Bio- sowie Lebensmitteltechnologen bei der Vor- und Nachbereitung praktischer sowie theoretischer Lehrformate. So weisen VR-Anwendungen ein großes Potential auf, durch Gamifizierung von Lerninhalten,
Lernlücken in heterogenen Lerngruppen zu schließen sowie vor allem das Prozessverständnis zu fördern.
Im BioTech-House Szenario der Weinherstellung stellen Anwender in einer realistisch dargestellten Lernumgebung ihren eigenen Wein her. Von der Beladung reifer Trauben in die Entrappmaschine bis hin zur Flaschenabfüllung und Verpackung durchlaufen die Anwender alle erforderlichen Produktionsschritte. Durch die teils transparente Darstellung der genutzen Geräte wie z.B. der Entrappmaschine, Weinpresse oder Kammerfilterpresse verstehen die Anwender durch Visualisierung die Funktionsprinzipien der Geräte quasi nebenbei.
Bei der Gestaltung der VR-Lernumgebung wurden mediendidaktische und kognitive Aspekte des Lernens berücksichtigt.
Derzeitige Entwicklungen:
■ Applikation zur Wein-, Hefe- und Joghurtherstellung
■ Level- Management
 

Kontakt

Prof. Dr. Jana Rödig
Prof. Dr. Johannes Tuemler

Biomethan als Energieträger und Substrat
Potenzial der methanogenen und methanoxidierenden Bakterien für Nachhaltigkeit und
Umweltschutz
Schwerpunkte:

• Ermittlung des Biogasbildungspotentials von Abwässern und organischen Abfällen mit Batch-Gärtests in Eudiometern
• Einfluss von Substratmangel, Überlastungen oder Nähr- und Zusatzstoffen auf die Aktivität von anaeroben Pelletschlämmen
• Möglichkeiten zur Gewinnung von Wertprodukten wie Methanol oder PHB durch den Einsatz von methanoxidierenden Bakterien (MOB)

Abbauuntersuchungen ermöglichen die Bestimmung des Biogasbildungspotenzials organischer Materialien.
Dabei werden Standardverfahren wie die VDI 4630 für Gärversuche oder brancheneigene Testverfahren wie
die PTS-WA 003/97 für die Papierindustrie angewandt.
Wichtige Einflussfaktoren umfassen Herkunft, Lagerung, Adaptation sowie Animpfverhältnis des Inokulums.
Am Beispiel eines Kreislaufwassers aus der Papierindustrie werden neben dem Biogasbildungspotential auch Nährstoffbedürfnisse, Kohlenstoffbilanzen, Abbau-
Biogas und Bioenergie grade bei schwankenden CSB-Belastungen und die Reaktion der anaeroben Pelletbiologie auf Extremzustände
wie Belastungssteigerungen oder Hungerphasen durch Stillstände ermittelt.
Im Fokus der Untersuchungen an der Hochschule Anhalt stehen neben den methanogenen Bakterien auch die methanoxidierenden Bakterien, die Methan als alleiniges
Substrat verwerten und zu Chemikalien mit hohem Mehrwert, wie z.B. Methanol, PHB, Ectoin oder EPS umwandeln können.

Kontakt:

Prof. Dr. Jana Rödig
Dorit Beck

Bakterielle Nanocellulose
Misch- und Reinkultur-basierte Produktionsprozesse
Hintergrund
Bakterielle Nanocellulose (BNC) ist ein vielversprechendes Biopolymer mit einem breiten Anwendungsspektrum. Es kann sowohl mittels Mischkultur- (Kombucha) als auch Reinkultur- (Komagataeibacter xylinus) basierter
Bioprozesse hergestellt werden.
Die Reinkultur von K.xylinus kann als vereinfachte Version der Kombucha-Mischkultur betrachtet werden. Sie enthält nur die BNC-synthetisierenden Essigsäurebakterien.
Trotz geringem Ertrag, teuren Medienkomponenten, seiner Kontaminationssensitivität und folgend der Erfordernis steriler Produktionsprozesse eignet sich K.xylinus
hervorragend zur Untersuchung und Aufklärung des Metabolismus sowie der mikrobiellen BNC-Synthese. Im Gegensatz dazu bietet Kombucha vergleichsweise hohe
BNC-Erträge, ist kontaminationsresistent und ist anspruchslos hinsichtlich der Kultivierungsbedingungen, was im Vergleich zu wesentlich niedrigeren Produktionskosten
führt. Die im gleichen Zeitraum produzierte BNC aus Kombucha-Mischkulturen ist signifikant dicker, was sie zu einem idealen Material für die Entwicklung und Optimierung
der Downstreamprozesse inkl. Trocknungsund Modifikationsstudien macht. Im Rahmen dieses Projektes wurden Misch- und Reinkultur-basierte BNC-Up- & Downstreamprozesse entwickelt und optimiert:

• Konservierung der Produktionsstämme
• Stabilität des Produktionsorganismus sowie USP
• (Mutations- & Kontaminationsprävention)
• Bestimmung BNC Erträge (Rein- vs Mischkultur)
• mechanische Eigenschaften der BNC
• Bestimmung Wasserhaltekapazität sowie -aufnahmevermögen
• Ultrastruktur der BNC

Kontakt
Prof. Dr Jana Rödig
Dorit Beck

Myzel Bikebox
Entwicklung einer nachhaltigen Transportbox für Lastenfahrräder aus einem Myzelverbundwerkstoff
Myzel-basierte Materialien haben das Potenzial, herkömmliche Baumaterialien, Dämmstoffe, Kunststoffe,  Schaumstoffe zu ersetzen. Myzel-bildende Pilzkulturen wachsen auf organischen Substraten und es entsteht durch Ausbildung des Myzelgeflechts ein Verbundwerkstoff, der in Abhängigkeit der Nachbehandlung oder auch Funktionalisierung gewünschte Werkstoffeigenschaften aufweisen kann. Die Verwertung von Abfall- und Nebenströmen aus Industrie, Land und Forstwirtschaft als Wachstumspilzsubstrat bieten zudem die Chance auf einen umwelt- und klimafreundlichen, sowie nachhaltigen (ressourcenschonenden) Werkstoff.

Zielstellung
Hauptziel des ZIM geförderten Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines spezialisierten Myzelverbundstoffs in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Bächer Bergmann GmbH und HiveBox Urban Cargo Systems für den Bau von Fahrradtransportboxen für Lieferdienste.
Die Voruntersuchungen konzentrieren sich darauf, die Materialzusammensetzung und die Anforderungen der Zielanwendung zu verstehen, um geeignete Myzelstämme mit passenden Eigenschaften hinsichtlich Wachstum und hinsichtlich eines resultierenden stabilen und leichten Verbundstoffes auszuwählen und zu kultivieren (Screening).
Die Myzel-Bikebox-Initiative verkörpert eine bahnbrechende Technologie der Materialgewinnung mit Blick auf nachhaltige Transportlösungen, die umweltfreundlich und ressourcenschonend sowie funktional ist.
Innovative Mycomaterialien an der HS Anhalt Erarbeitung einer Mycothek (Exponate, Methoden, Datenbank) auf Grundlage von Stammscreening, Hertellungsoptimierung und Werkstofftests in Zusammenarbeit mit FB Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik (Ang. Biotechnologie, Prof. Jana Rödig).

Kontakt

Prof. Dr. Manuel Kretzer
Anna Gronemeyer

High-value Produkt aus Restströmen

Umwandlung des Treibhausgases Methan in ein Wertprodukt

Hintergrund
Geringe Konzentrationen des industriellen Nebenproduktes und Treibhausgases Methan sind nicht effizient entsorgbar. Während hohe Konzentrationen verbrannt und so zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden können, tragen Konzentrationen unter 10 Vol.- %
zur Treibhausgas-Emission bei.
Zielstellung
Das methanotrophe Bakterium Methylotuvimicrobium alcaliphilum baut mit Hilfe einer membranständigen Methan-Monooxygenase Methan bis Atmosphärenniveau ab und nutzt es zur Synthese der Wertprodukte Ectoin bzw. 5-Hydroxyectoin [THP(A)]. So trägt es zur Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit entsprechender Gesamtprozesse bei. Ectoin und [THP(A)] sind Extremolyte des Bakteriums, die den osmotischen Stress hoher
Salzkonzentrationen im Medium ausgleichen. Extrahiert und aufgereinigt finden die heterocyclischen Aminosäuren Anwendung in der Kosmetik oder als pharmakologische Inhaltsstoffe. Sie stabilisieren Makromoleküle und sind ein natürlicher Schutz gegen UV-Strahlung.
In Medien mit hohen Salzkonzentrationen produziert und akkumuliert das Bakterium Ectoin, worauf eine Extraktion in einem minimalsalzhaltigem Medium erfolgt („bacterial milking“): das Ectoin wird von den Bakterien sekretiert, welches damit seine Osmolarität der Umgebung erneut angleicht. Die „gemolkenen“ Zellen können wiederverwendet werden.
Ergebnisse
Es konnten maximale Methanabbauraten von 18,9 mg/(Lh) in 4L-STR-Bioprozessen erreicht werden, wobei der Methangehalt damit von >15% auf ~0,8 % reduziert wurde. Die Ausbeuten erreichten Werte von bis zu 42 mg/gBTS Ectoin und 7 mg/gBTS THP(A).

Kontakt

Prof. Dr. Jana Rödig
Dorit Beck

Scale-Up und Ökonomische Bewertung eines low-cost Photobioreaktors
Hochskalierung und Optimierung eines Photobioreaktors zur Massenvermehrung von Torfmoos
Hintergrund
Torfmoos (Sphagnum) kann als Torfersatzstoff in Pflanzsubstraten verwendet werden. Die Herstellung von Saatgut für Paludikulturflächen in Photobioreaktoren gilt als effizient und skalierbar. Durch den Einsatz dieser Technologie kann die Wiedervernässung und Rekultivierung trockener Moorflächen wirtschaftlich gestaltet werden. Des Weiteren bietet sich eine Alternative zum Torfabbau und der damit verbundenen Umweltzerstörung.
Zielstellung
Im Forschungsprojekt MOOSstart wird ermittelt, wie die Produktion und Ansaat von Torfmoos möglichst schnell, ressourceneffizient und kostengünstig durchgeführt werden kann. Das Ziel ist die Aufstellung eines Photobioreaktors vor Ort im Moor, welcher das benötigte
Saatgutmaterial dezentral produziert. Zu den Hauptaufgaben zählen die Eruierung einer effizienten Reaktorform, das Scale-Up und die Produktions- und Investitionskostenanalyse und -senkung. Dabei soll der bestehende Prozess vom Labormaßstab in den technischen Maßstab übertragen werden.
Der Fokus bei der Reaktorentwicklung liegt auf niedrigen Energiekosten, hoher Biomasseproduktivität und der Auswahl umweltverträglicher Materialien und Betriebsstoffe.

Förderung
MOOSStart
Laufzeit: 01/2023–12/2025
FKZ: 2221MT020C

Kontakt

Prof. Dr. Claudia Grewe
Maria Glaubitz

Mycoproteine - Herstellung im Tauchstrahlbioreaktor
Vor dem Hintergrund der Absicherung der Ernährung der Weltbevölkerung, Schonung von Ressourcen (Wasser, Land) und Verringerung des Ausstoßes von klimaschädlichen Gasen rücken Mycoproteine als Alternative zu Proteinen tierischen Ursprungs mehr in den Fokus.
Hersteller wie Quorn setzen dabei auf Myzelbildende Pilze der Art Fusarium venenatum. In einer Bewertung des Carbon Trust in 2022 wurden die im Vergleich zu Proteinen aus der Tierhaltung deutlich besseren CO₂-, Wasser-, und Land-Footprints von Mycoproteinen veröffentlicht [www.quorn.us/assets/files/content/Carbon-Trust-Comparison-Report-2022.pdf].
Die großtechnische Herstellung von Mycoproteinen erfolgt üblicherweise in Blasensäulen- oder Rührreaktoren (STR). In Hinblick auf die Schonung von Ressourcen sowie Senkung der Energiekosten sind alternative Bioreaktoren von großem Interesse. Im Fokus unserer Studien
steht der Einsatz eines Reaktors mit hydraulischen Energieeintrag, ein Tauchstrahlbioreaktor (TSR, ejector loop reactor, engl.).
Der hier verwendete HS-Anhalt-Eigenbau mit 10L Betriebsflüssigvolumen und das zugehörige Prozessleitsystem inklusive Software erlauben die Messung, Steuerung und Regelung der Kulturparameter u.a. pO₂ und Temperatur. Der Energieeintrag wird über die Drehzahlsteuerung  (Frequenzumrichter) der Umwälzpumpe kontrolliert.
Zur Untersuchung der Eignung und Charakterisierung des TSR zur Herstellung von Mycoproteinen wurden Kultivierungsstudien mit F. graminearum durchgeführt. In Anwendung der dynamischen Methode wurde der kLa-Wert als Maß des O2-Eintrags in die Flüssigphase in Variation von Begasungsrate und Energieeintrag (Frequenzen Umwälzpumpe) ermittelt. Es wurden k_La-Werte von 116 bis 158 1/h ermittelt. Durch Steigerung der Begasungsrate sowie der Pumpenleistung konnte der O2-Eintrag in die Flüssigphase erhöht werden.

Kontakt

Prof. Dr. Jana Rödig
Dr. Marc Rüger