Energie-Biotechnologie
Energie-Biotechnologie
Energie-Biotechnologie
Herausforderungen bei Biodieselherstellung bzg. Rohstoff
Konkurrenz Teller vs. Tank
Vorteile von Mikroalgen im Vergleich zu höheren Pflanzen?
- Viele Spezies -> großes Potential
- Keine Konkurrenz zu Nahrungsmittelpflanzen (Platz und Verwertung)
- CO2 aus Rauchgas verwendbar
- Bis zu 5 % des Lichts umwandelbar (Pflanzen 1,5 %)
Wann produzieren Mikroalgen TAGs?
Hetero-autotroph, unter Stressbedingungen
Welche Kultivierungssysteme für Mikroalgen gibt es? Vor/Nachteile!
Offene Systeme
+ einfach, billig
- platzintensiv
- Kontaminationen wahrscheinlich
Geschlossene Systeme: Röhrenreaktor
+ Guter Lichteintrag, O2 ausgegast
- Hoher Energiebedarf
Flatpanel
+ günstige Materialien, guter Massentransfer, geringer Energieeintrag
+ Gute Lichtversorgung
+ geringer Scherstress
- jahreszeit- und ausrichtungsabhängig
Skizzieren Sie den generellen Ablauf der oxygenen Photosynthese.
Diskutieren Sie die Relevanz des Redoxpotentials in diesem Zusammenhang (Photosynthese).
Redoxpotential, um e- hochzuheben
Wasser kann nur duch hohes Redoxpotential gespalten werden
Auch für e- Fluss durch Membran wichtig
Welche Rolle spielt Wasserspaltung für die Photosynthese?
Proton-Quelle für Regeneration Cofaktor NADP+
Was unterscheidet Energieträger der 4ten Generation von allen anderen (die hier in der Vorlesung behandelt wurden)?
Direkte Produktion von Biokraftstoffen aus CO2, angetrieben durch Photosynthese
Welche Vorteile haben Energieträger der 4. Generation?
?
Cyanobakterien werden vielfach als photoautotrophe Wirtorganismen in der Biotechnologie genutzt. Welche Möglichkeiten gibt es, diese hinsichtlich ihrer biotechnologischen Performance zu optimieren?
- Verfügbare biologische Teile verbessern
- C-Fixierung verbessern
- Metabolische Ausbeute verbessern
- Verwaltung von limitierten Ressourcen, die bei scale-up problematisch/limitierend werden könnten
- Phytosynthetische Effizienz, Bioreaktor-Design
Nennen Sie fünf Produkte, welche bereits mittels Cyanobakterien produziert werden (nicht zwingend in großem Massstab).
- Lactat
- Aceton
- n-Buthanol
- Ethanol
- Isobuthanol
- Mannitol
Welche C-Senken gibt es in Cyanobakterien? Wie beeinflußt das einen möglichen Syntheseprozess?
Zucker, Alkohol, Glycogen, Polyhydroxybutyrate
Je nach Substrat anderer C-Gehalt in Produkt oder CO2
Welche Wachstumssubstrate brauchen Cyanobakterien? Welche Folgen ergeben sich daraus für ihre Kultivierung?
Glukose-1-Phosphat
Fructose-6-Phosphat
Glycerinaldehyd-3-Phosphat
Pyruvat
Acetyl CoA
Welche Möglichkeiten gibt es, Fremd-DNA in ein Cyanobakterium zu bringen?
Genom-Integration
Plasmide
Weshalb ist es von Vorteil, NADP/NADPH abhängige heterologe Enzyme zu verwenden und nicht NAD/NADH abhängige?
?
Wie heißen die Enzyme, welche biologischen Wasserstoff generieren?
Hydrogenasen
Welche Substrate benötigen sie?
H+-Ionen
NADPH, Fd
Wo koppelt man diese am besten im Metabolismus der Wirtszelle an?
Weshalb, worauf muss man achten?
PS II, PS I
Dort setzen Hydrogenasen an Photosynthese an
An PS I ist einfacher, direkt an Elektronenfluss
Normalerweise mehr Eletronenfluss zu FNR
Welche TOF können in vitro erreicht werden, welche in vivo (bezogen auf die Bereitstellung der Elektronen im PS II)
TOF - Turn over frequency
PS II in vitro: 500-1000 s-1
PS II in vivo: 9,5-12 s-1
Welche Herausforderungen gibt es bei der biologischen Wasserstoffproduktion?
Viele lol
- Geringe Effizienz
- Nur wenige Stoffwechselwege in der Natur bekannt, nur Stresssituationen
- Hohe Investitions- und Betriebskosten
- bisher keine Übertragung von Labor- zu Produktionsmaßstab absehbar
- Protonengradient im Reaktor inhibiert H2-Produktion
- Energieeffizienz: Sonnenenergie in chemische Energie in Wasserstoff sehr gering
Was versteht man unter dem Primärenergieverbrauch?
- Verbrauch an Energie, die aus ursprünglich vorkommenden E-Formen und E-Quellen zur Verfügung steht
- Verbrauch Primärenergie, den ein Vorgang benötigt
- Endenergieverbrauch + Verluste, die bei Erzeugung von Endenergie aus Primärenergie entstehen
Welche Sektoren (in D) brauchen die meiste Energie? Anteile!
Verkehr 29 %
Industrie 29 %
privater Haushalt 26 %
Wie hoch ist der derzeitige PEV in Deutschland?
6882 PJ
Welchen "Energiemix" haben wir in D derzeit? Anteile!
Mineralöl 33,7 %
Erdgas 24,3 %
Steinkohle 11,2 %
Braunkohle 11,1 %
Kernernergie 5,3 %
Erneuerbare Energien 13,8 %
Sonstige 0,5 %
Was zählt alles zu den "Erneuerbaren Energien"?
Photovoltaik
Windenergie
Wasserkraft
Biogene Brennstoffe und Gase -> Strom
Biokraftstoffe
Biogene Brennstoffe, Gase -> Wärme
Geothermie und Umweltwärme
Solarthermie
Welchen Anteil an den Erneuerbaren Energien hat die Bioenergie?
59 %
Können wir in D unseren Gesamtenergiebedarf mit Biomasse decken? Warum/Warum nicht?
-> nachwachsende Rohstoffe, org. Reststoffe, Abfälle
Nein, es gibt nicht genug
Wie werden Biokraftstoffe eingeteilt? Was ist charakteristisch für die einzelnen Gruppen?
1. Generation: Produktion von Biokraftstoffen v. a. aus Zucker -> Direkte Konkurrenz zu Nahrungsmittelpflanzen
2. Generation: Nutzung nicht verwertbarer Pflanzenbestandteile (Zellulose, Hemi-, Lignozellulose)
3. Generation: Nutzung von Mikroalgen, Biomasse
4. Generation: direkte Produktion von Biokraftstoffen aus CO2 angetrieben durch Photosynthese
Welche Verfahren zur Biokraftstoffgewinnung sind bislang in der Industrie etabliert?
Generation 1 - Bioethanol aus Zuckerrüben oder stärkehaltigen Rohstoffen
Was sind die Hauptsubstrate für Bioethanolgewinnung in D?
- Körnermais
- Weizen
- Roggen
- Zuckerrüben
- Zuckerrohr
- Stroh
Flächeneffizienz der einzelnen Substrate zur BEthOH-G
= Strecke, die ein PKW mit Biokraftstoffen aus 1 Hektar Anbaufläche kommt
Biomethan: 67.600 km
Biomass-to-liquid: 64.000 km
Rapsöl: 23.300 km + 17.600*
Biodiesel: 23.300 km + 17.600*
Bioethanol: 22.400 km + 14.400*
*Biomethan aus Nebenprodukten
Skizzieren Sie ein Fließschema zur BEthOH-G
Was beeinflusst BEthOHG-Aubeute?
- Zuckergehalt in Substrat
- Möglichkeit des Aufschließens
Wie wird aus Stärke/Zucker BEthOH?
Rohstoff -> Vorbehandlung -> Zuckerlösung -> Fermentation -> Destillation/Rektifikation -> Ethanol
MO: Saccharomyces cereviciae
Nebenerzeugnisse:
Rohstoffaufbereitung:
- Rübenschnitzel (Futtermittel)
- Bagasse (Strom-, Wärmegewinnung)
- Carbokalk (Düngemittel)
Fermentation:
- CO2 (Lebensmittelindustrie)
Produktaufbereitung:
- Schlempe, Vinasse (Dünger, Futtermittel, Biogasanlage)
- Lutterwasser (Rückführung als Prozesswasser)
- Fuselöle (techn. Verbrennung, Kunststoffindustrie, Parfümherstellung, pharmazeutische Industrie)
Wie berechnet man die Umweltrelevanz in Bezug auf THG-Emissionen?
Was muss bei der Berechnung der Umweltrelevanz in Bezug auf THG-Emissionen berücksichtigt werden?
Gesamter Prozess
- Rohstoffgewinnung, Zuckerrübenanbau (Landnutzungsänderung, landw. Bewirtschaftungstechniken)
- Lieferung, Transport
- Verarbeitung in Zuckerfabrik/Bioethanolanlage (Abscheidung und geologische Speicherung/Ersetzung von CO2, Überschussstrom)
- Distribution
Wie hoch liegt die durchschnittliche THG Einsparung bei der BEthOH-G?
Wie hoch im Optimalfall?
Abfallströme werden als Dünger erneut auf die Felder gebracht
-> Verringerung THG um 76,5 %
Welcher Faktor beeinflusst maßgeblich die THG-Bilanz der BEthOH-G? Weshalb?
Emissionen aus Stickstoffdünung (Hauptanteil an Summe THG aus Pflanzenproduktion)
Methanverluste bei der Ethanolverarbeitung
Wie heißt der in D am häufigsten verwendete Organismus zur Produktion von Bioenthanol?
Saccharomyces cerevisiae
Wann kommt es zur Ethanol-Bildung? Erkläre kurz das Prinzip der Gärung.
Gärung = Form des Energiestoffwechsels, wenn keine externen e--Akteptoren (Sauerstoff) vorhanden ist (zur Oxidation org. Substrates)
- Energiekonservierung in Form von ATP ist dabei meist an die Oxidation des Substrats gekoppelt und erfolgt unter Bildung einer energiereichen Zwischenverbindung durch Substratkettenphosphorylierung (oxidativer Teil der Gärung)
- Dabei freigesetzten Reduktionsäquivalente werden auf eine oxidierte Zwischenverbindung oder ein zweites Substrat übertragen (reduktiver Teil der Gärung)
-
- 1 / 70
-
Lernkarten
Was versteht man unter dem Primärenergieverbrauch?
- Verbrauch an Energie, die aus ursprünglich vorkommenden E-Formen und E-Quellen zur Verfügung steht
- Verbrauch Primärenergie, den ein Vorgang benötigt
- Endenergieverbrauch + Verluste, die bei Erzeugung von Endenergie aus Primärenergie entstehen
Welche Sektoren (in D) brauchen die meiste Energie? Anteile!
Verkehr 29 %
Industrie 29 %
privater Haushalt 26 %
Wie hoch ist der derzeitige PEV in Deutschland?
6882 PJ
Welchen "Energiemix" haben wir in D derzeit? Anteile!
Mineralöl 33,7 %
Erdgas 24,3 %
Steinkohle 11,2 %
Braunkohle 11,1 %
Kernernergie 5,3 %
Erneuerbare Energien 13,8 %
Sonstige 0,5 %
Was zählt alles zu den "Erneuerbaren Energien"?
Photovoltaik
Windenergie
Wasserkraft
Biogene Brennstoffe und Gase -> Strom
Biokraftstoffe
Biogene Brennstoffe, Gase -> Wärme
Geothermie und Umweltwärme
Solarthermie
Welchen Anteil an den Erneuerbaren Energien hat die Bioenergie?
59 %
Können wir in D unseren Gesamtenergiebedarf mit Biomasse decken? Warum/Warum nicht?
-> nachwachsende Rohstoffe, org. Reststoffe, Abfälle
Nein, es gibt nicht genug
Wie werden Biokraftstoffe eingeteilt? Was ist charakteristisch für die einzelnen Gruppen?
1. Generation: Produktion von Biokraftstoffen v. a. aus Zucker -> Direkte Konkurrenz zu Nahrungsmittelpflanzen
2. Generation: Nutzung nicht verwertbarer Pflanzenbestandteile (Zellulose, Hemi-, Lignozellulose)
3. Generation: Nutzung von Mikroalgen, Biomasse
4. Generation: direkte Produktion von Biokraftstoffen aus CO2 angetrieben durch Photosynthese
Welche Verfahren zur Biokraftstoffgewinnung sind bislang in der Industrie etabliert?
Generation 1 - Bioethanol aus Zuckerrüben oder stärkehaltigen Rohstoffen
Was sind die Hauptsubstrate für Bioethanolgewinnung in D?
- Körnermais
- Weizen
- Roggen
- Zuckerrüben
- Zuckerrohr
- Stroh
Flächeneffizienz der einzelnen Substrate zur BEthOH-G
= Strecke, die ein PKW mit Biokraftstoffen aus 1 Hektar Anbaufläche kommt
Biomethan: 67.600 km
Biomass-to-liquid: 64.000 km
Rapsöl: 23.300 km + 17.600*
Biodiesel: 23.300 km + 17.600*
Bioethanol: 22.400 km + 14.400*
*Biomethan aus Nebenprodukten
Skizzieren Sie ein Fließschema zur BEthOH-G
Was beeinflusst BEthOHG-Aubeute?
- Zuckergehalt in Substrat
- Möglichkeit des Aufschließens
Wie wird aus Stärke/Zucker BEthOH?
Rohstoff -> Vorbehandlung -> Zuckerlösung -> Fermentation -> Destillation/Rektifikation -> Ethanol
MO: Saccharomyces cereviciae
Nebenerzeugnisse:
Rohstoffaufbereitung:
- Rübenschnitzel (Futtermittel)
- Bagasse (Strom-, Wärmegewinnung)
- Carbokalk (Düngemittel)
Fermentation:
- CO2 (Lebensmittelindustrie)
Produktaufbereitung:
- Schlempe, Vinasse (Dünger, Futtermittel, Biogasanlage)
- Lutterwasser (Rückführung als Prozesswasser)
- Fuselöle (techn. Verbrennung, Kunststoffindustrie, Parfümherstellung, pharmazeutische Industrie)
Wie berechnet man die Umweltrelevanz in Bezug auf THG-Emissionen?
Was muss bei der Berechnung der Umweltrelevanz in Bezug auf THG-Emissionen berücksichtigt werden?
Gesamter Prozess
- Rohstoffgewinnung, Zuckerrübenanbau (Landnutzungsänderung, landw. Bewirtschaftungstechniken)
- Lieferung, Transport
- Verarbeitung in Zuckerfabrik/Bioethanolanlage (Abscheidung und geologische Speicherung/Ersetzung von CO2, Überschussstrom)
- Distribution
Wie hoch liegt die durchschnittliche THG Einsparung bei der BEthOH-G?
Wie hoch im Optimalfall?
Abfallströme werden als Dünger erneut auf die Felder gebracht
-> Verringerung THG um 76,5 %
Welcher Faktor beeinflusst maßgeblich die THG-Bilanz der BEthOH-G? Weshalb?
Emissionen aus Stickstoffdünung (Hauptanteil an Summe THG aus Pflanzenproduktion)
Methanverluste bei der Ethanolverarbeitung
Wie heißt der in D am häufigsten verwendete Organismus zur Produktion von Bioenthanol?
Saccharomyces cerevisiae
Wann kommt es zur Ethanol-Bildung? Erkläre kurz das Prinzip der Gärung.
Gärung = Form des Energiestoffwechsels, wenn keine externen e--Akteptoren (Sauerstoff) vorhanden ist (zur Oxidation org. Substrates)
- Energiekonservierung in Form von ATP ist dabei meist an die Oxidation des Substrats gekoppelt und erfolgt unter Bildung einer energiereichen Zwischenverbindung durch Substratkettenphosphorylierung (oxidativer Teil der Gärung)
- Dabei freigesetzten Reduktionsäquivalente werden auf eine oxidierte Zwischenverbindung oder ein zweites Substrat übertragen (reduktiver Teil der Gärung)
Welche Rolle spielt der Sauerstoff? Pasteur/Crabtree!
Pasteur: mikroaerobe Bedinungen -> schwaches Wachstum, Gärung
Crabtree: Zuckerüberschuss -> Fermentation auch bei Sauerstoffversorgung, Ethanol wird produziert
Erklären Sie die Energiebilanz von Atmung und Gärung im Vergleich!
Atmung: Calvin-Zyklus, gesamt 32 mol ATP/mol Glukose bereitgestellt (90 kJ/ATP)
Gärung: 2 mol ATP/mol Glukose
Beschreiben/skizzieren Sie den grundsätzlichen Verlauf einer Hefefermentation.
- Lag-Phase: Hefe stellt auf mikroaerophilen Stoffwechsel um
- Exponentielle Phase: Hefe generiert Biomasse, Synthese von ungesättigten FS
- geringe Ethanol-Synthese
- Stationäre Phase: N2, O2-Gehalt sinkt; Beginn Bildung großer Mengen Ethanol
- Mit steigender EthOH-Konzentration nimmt Produktivität ab, Kultur beginnt abzusterben
- Bis wie viel vol% Hefe arbeitet, ist stammabhängig (Std. 10-12 vol %; Hochleistungshefen 20 vol % mit speziellen Wachtumskomponenten (AS))
Welche "Engineering Targets" gibt es bei S. cereviciae in Bezug auf Ethanol-Produktion?
- Ethanoltoxizität:
- Denaturierung Proteine, Membranschäden an Zelle
- Versteifung Membran in exp. Phase durch Einlagerung FS und Trehalose
- Detoxmechanismen
- Andere Schutzmechanismen
- Effluc Pumps
Wie wirkt sich erhöhte Ethanol-Konzentration auf S. cereviciae aus?
- Produktivität nimmt ab, Absterben der Zellen
- Ethanol beeinflusst Fluidität -> Schäden an Membran; Löcher entstehen -> Veränderung Stoffgradienten, Störung der Membranproteine
- Morphologie Zellwandvakuole wird verändert
- Intrazelluläre Proteine denaturieren
Welche ethanolbedingten Toleranz- bzw. Stressmechanismen von S. cereviciase sind bekannt?
- Hefe proudziert am Anfang (exp. Phase) viele ungesättigte FS; lagern sich in Membran ein -> Versteifung
- Erhöhung intrazellulärer Thehalose-Spiegel (osmotisch -> hoher extrazellulärer Zuckergehalt) -> versteift Zellmembran, verhindert Ansammlung denaturierter Membranmoleküle (wirkt als Co-Chaperon)
Welche Mengen Ethanol kann S. cereviciae produzieren?
Normal 10-12 vol %
Hochleistungshefen bis zu 20 vol %, benötigen bestimmte Wachstumskomponenten (AS)
Welche alternativen Organismen gibt es zur Ethanolproduktion? Vor/Nachteile!
TEIL EINS
E. coli
+ fakultativ anaerob
+ etabliert als Produktionsstamm
+ Weites Substratspektrum
+ Einfache mikrobielle Zugänglichkeit
- eingeschränktes pH-Optimum
- Verwertung anfallender BM schwierig
- mehrere Gärprodukte
- Redoxbilanz nicht ausgeglichen
Welche alternativen Organismen gibt es zur Ethanolproduktion? Vor/Nachteile!
TEIL ZWEI
Zymomonas mobilis
+ fakultativ anaerob/mikroaerob
+ Gärung 3-4 mal schneller als Hefe
+ Ausbeute bis 10 % höher als Hefe
- Nicht so robust wie Hefe
- C-Quelle nur Glukose/Fruktose/Sukerose
- Verwertung der anfallenden BM schwierig
Was versteht man unter "metabolic engineering"?
"Verbesserung der Produktherstellung oder zellulärer Eigenschaften durch Manipulation der enzymatischen, regulatorischen und Transportfunktionen der Zelle mittels rekombinanter DNA-Technologie."
- Verbesserung der Herstellung eines natürlich vom MO produzierten Stoffes
- Neue Wege zur Nutzung eines neuen Subtrates/Herstellung eines neuen Produktes
- Arbeit der Zelle unter industriellen Bedingungen verbessern (T, O2, osmotischer Stress, toxische Substanzen und Produkte)
Was ist "evolutionary engineering"?
- nicht gezielt (Unterschied zu metabolic engineering)
- Kein Erkenntnisgewinn, außer Mutation/genetic loci der phänotypischen Veränderung wird analysiert
- sehr wirksam, um bestimmte mikrobielle Eigenschaften zu optimieren
- Hohes Risiko, andere nützliche Eigenschaften zu verlieren (nur eins wird verstärkt)
Was ist das Konzept hinter gTME?
= global transcription machinery engineering
- Beruht auf zufälligen Mutationen eines allgemeinen Transkriptionsfaktors (ein einzelnes Gen), was Neuprogrammierung der allgemeinen Genexpression verursacht
- Kann bspw. auf Stresstoleranz angewandt werden
Konzept: Hefe-Bibliothek mit verschiedenen mutierten Versionen eines Transkriptionsfaktors; selektive Bedingungen, um am besten arbeitenden Mutant zu finden
Was ist Lignozellulose?
Woraus besteht sie?
Weshalb kann man sie nicht direkt in der Bioethanolbildung einsetzen?
Zellbestandteil in Pflanzen
Besteht aus Zellulose, Hemizellulose, Lignin
wasserlösliches Lignin muss abgetrennt werden, Zellulose wasserunlöslich
Keine natürliche Ethanolproduktion aus Pentosen
-> Keine Aufschlussmethode, die ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist
-> rein biologisch: zu lange, zu viel Platzbedarf
Was muss ein ideales Lignozellulose-Aufschluss-Verfahren leisten?
- verbesserte Vorbehandlungsmethoden (kosteneffizienter, sanfter)
- Zellulasen mit höherer Aktivität, bessere Freisetzung von Zucker für Hydrolyse
- toxische, inhibierende Stoffe werden freigesetzt -> höhere Toleranzen (Phenol, Furfurale)
Verfahren zum Lignozellulose-Aufschluss
Extrusion
Dampfexplosion
+ gute Zuckergewinnungsrate
+ Kosteneffektiv
+ Lignin-Transformation, Verflüssigung Hemizellulose
- partielle Zerstörung Hemizellulose
- Herstellung von inhibierenden Bestandteilen
Liquid hot water
Biological
+ niedriger Energiebedarf
+ moderate Reaktionsbedingungen
+ Keine Chemikalien oder Katalysatoren nötig
+ keine toxischen Produkte
+ Kosteneffektiv
- niedrige Hydrolyse-Rate
- Bedarf an großem sterilem Raum
Wie sind biologische Aufschlussverfahren derzeit zu bewerten?
Zuckerausbeute: 20-50 %
Dauern zu lange
benötigen viel sterilen Platz
Niedriger Energiebedarf
Kosteneffektiv
keine zusätzlichen Chemikalien/Katalysatoren benötigt
Wie ist der generelle Ablauf für einen Prozess zur Produktion von Bioethanol basierend auf Lognzellulose?
Vorbehandlung
Enzymatische Hydrolyse
Pentose-Fermentation
Inhibitor-Toleranz
Welche Stoffwechselwege liegen dem Xyloseabbau zugrunde? Wie heißen die wichtigsten Enzyme?
Pentosephosphatweg
Oxidativer Teil
Nicht-oxidativer, zyklischer Teil
Auf Xylose wachsend verschiebt sich die Funktion des PPP Richtung Katabolismus, alles C in Glykolyse)
Xylose Reduktase, Xylose Isomerase, Ribose-5-Epimerase, Transaldolase, Transketolase
Welches Problem ergibt sich beim Abbau von Xylose über Xylose-Reduktase?
Welche Möglichkeiten gibt es, dieses Problem zu lösen?
Redox factor imbalances
-> Transhydrogenase (künstlich/natürlich)
-> Enzyme mit anderer Cofaktor-Präferenz/Veränderung der Präferenz eines Enzyms
Was versteht man unter Diauxie?
2-phasiger Wachstumsverlauf, wenn MO auf zwei Substraten wächst
