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Projekt
Herstellung von Ethylbutyrat in einer autarken Reaktionskaskade (Akronym PEBcascade)
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Dirk Holtmann; Professor Dr. Roland Ulber
Fachliche Zuordnung
Bioverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506712131
Im Rahmen des Antrages wollen die Antragsteller eine autarke biotechnologische Reaktionskaskade zur Herstellung des Kraftstoffs Ethylbutyrat untersuchen. Die Esterproduktion ist ein komplexer Prozess, der mehrere Schritte umfasst, wie die Herstellung der Edukte (Alkohol und Carbonsäure), die chemische oder enzymatische Veresterung und die Abtrennung des Endprodukts. In unserem Ansatz wird eine künstliche anaerobe Mischkultur aus Clostridien und Hefen oder Bakterien in Kombination mit einer an der Zell-Oberfläche befindlichen Lipase für die Herstellung des Esters in einem Reaktionssystem verwendet. Während die Clostridien für die Produktion von Butyrat verantwortlich sind, produzieren die Hefen oder Bakterien Ethanol. Die Lipase wird an der Zelloberfläche des ethanolproduzierenden Stammes exprimiert. Es wird erwartet, dass mit diesem Ansatz optimierte Produktivitäten erreicht werden, da synergistischen Effekte zwischen den Biokatalysatoren entstehen. Um einen neuartigen Produktionsweg für den Biokraftstoff zu realisieren, werden naturwissenschaftliche (Mikrobiologie, Molekularbiologie) mit verfahrenstechnischen Untersuchungen (Prozessentwicklung, Modellierung) kombiniert. Das Projekt umfasst die Prozessentwicklung und -modellierung, ein Scale-up (auf 50 Liter) und eine Anwendung des Kraftstoffs in einem Einzylinder-Benzinmotor. In einem ersten Schritt werden die Biokatalysatoren (Butyrat-Produktion mit Clostridien, Ethanol-Produktion mit Hefen und Bakterien sowie die Esterbildung durch verschiedene Lipasen) getrennt im Detail charakterisiert (WP1). Die kinetischen Daten werden eine Auswahl der "besten" Katalysatoren ermöglichen. Die Daten werden auch für ein erstes mathematisches Modell verwendet, um die Anforderungen für die Etablierung einer Kaskadenreaktion zu beschreiben. WP2 konzentriert sich auf die Auswahl eines organischen Lösungsmittels für eine in-situ-Produktentfernung des Ethylbutyrats. Von besonderem Interesse sind dabei die Stabilität der Biokatalysatoren und die Verteilungskoeffizienten von Butyrat, Ethanol, Ethylbutyrat und Nebenprodukten. Um die Anforderungen an alle Biokatalysatoren zu erfüllen, wird eine Medienoptimierung durchgeführt (WP3). Um eine geeignete Oberflächenexpression der Lipase zu identifizieren, werden in WP4 verschiedene Stämme und Transport-Systeme verglichen. Schließlich sollen die identifizierten Stämme in ein Reaktorsystem integriert werden. Dabei werden die Zusammensetzung der Mischkultur und die Leistung der autarken Reaktionskaskade untersucht. Die gewonnenen Daten werden für die Verfeinerung des mathematischen Modells verwendet (WP5). In WP+ werden die grundlegenden Verbrennungseigenschaften von Ethylbutyrat untersucht. Dies wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Fahrzeugantriebe (TUK) geschehen. Zu Beginn des Projekts ist geplant, kommerzielles Ethylbutyrat zu testen, um die Motoreinstellungen zu bestimmen, und am Ende des Projekts vergleichende Tests mit dem hergestellten Produkt durchzuführen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Mitverantwortlich
Professor Dr.-Ing. Michael Günthner
