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
-
Cartes-fiches
Was ist Carbon Catabolite Repression?
Reguliert Diauxie
Hemmung der Produktion von bestimmten katabolischen Enzymen einer Zelle, solage alternative Kohlenstoffquelle vorhanden ist
Warum führt Diauxie in der Fermentation auf Lignozellulose zu Problemen?
Zuerst Verbrauch Glukose, danach wesentlich langsamer Xylose
Keine CCR in Bezug auf Xylose bekannt
Skizzieren Sie ein Konzept, wie man S. cereviciae dazu bringt, Xylose als C-Quelle zu aktzeptieren.
Einbringen der Xylose-Isomerase über klassisches Engineering
Evolutionary engineering: Kultivieren mit Xylose als einzige E- und C-Quelle für 79 Tage (30 Zyklen)
Woraus besteht Biodiesel?
Fettsäurealkyester (hauptsächlich Methylesther)
Weniger Schwefel und Benzol als mineralischer Diesel
Höherer Flammpunkt -> Kein Gefahrgut
Aus welchen Rohstoffen kann man Biodiesel herstellen?
Ölsaaten (Raps, Sonnenblumen, Soja, Ölpalme + Kern + Frucht, Kokosnuss)
Algen
Welchen Energiegehalt hat Biodiesel im Vergleich zu Bioethanol?
Etwas weniger
Skizzieren sie grundlegende Prozessschritte zur Herstellung von Biodiesel aus Ölsaaten.
.
Was sind TAGs? Wo werden sie synthetisiert?
Triglyceride (Glycerin + 3 FS)
Endpolasmatisches Retikulum, Mitochondrien
Wie kommt man von TAG zu Biodiesel?
Umesterung der TAGs mit Methanol -> Glycerin mit Alkohol (Methanol) ersetzt
Pflanzenöl + Methanol -> Biodiesel + Glycerin
Hauptnebenprodukt der Biodieselherstellung? Wo fällt es an?
Glycerin -> bei der Umesterung
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
