Entwicklung von porösen Polymeren zur effizienten Stofftrennung durch Adsorption in fermentativen Bioraffinerieprozessen

Zur Erreichung der klimapolitischen Ziele sind Reduktionen der Emissionen bis hin zur Treibhausgasneutralität unabdingbar. Vor allem die chemische Industrie muss sich massiven Transformationen stellen. Die Verwendung von nachwachsender Biomasse als Ausgangsmaterial für wichtige Plattformchemikalien stellt eine vielversprechende Alternative zum Erdöl dar. Bioraffinerien prozessieren biologisches Material, um Energie, eine Bandbreite an Plattformchemikalien und biobasierte Materialien zu erzeugen. Bioraffinerieprodukte zeigen bezüglich ihrer Eigenschaften häufig eine geringe Volatilität mit hohem Siedepunkt und verfügen zugleich über eine niedrige thermische Stabilität. Eine Alternative zur thermischen Verdampfung von Wasser ist daher dringend angebracht und erfordert eine selektive Abtrennung polarer, wasserlöslicher Komponenten mit hohem Sauerstoffgehalt. Die vorliegende Arbeit möchte neue Impulse zur Optimierung des Downstreamprozesses von wässrigen Fermentationsmedien geben. Die Flüssigphasenadsorption eröffnet ein großes Potential, energieintensive Aufreinigungsverfahren zu ersetzen und den Downstreamprozess wirtschaftlich rentabel zu machen. Dafür wurden zwei industriell bedeutende Produkte aus unterschiedlichen Stoffklassen exemplarisch untersucht: Itakonsäure als eine Dicarbonsäure und Lysin als eine essentielle Aminosäure. Beide Verbindungen werden aus Glukose gewonnen. Beginnend mit der Betrachtung kommerzieller Polymeradsorbentien wurde darüber hinaus in dieser Arbeit eine Bandbreite an porösen Polymeren synthetisiert, charakterisiert und für die Flüssigphasenadsorption der beiden exemplarischen Systeme Itakonsäure-Glukose und Lysin-Glukose evaluiert. Hierbei wurde der Fokus auf die Einbettung von Stickstoff- und Sauerstoffatomen in das aus Kohlenstoff bestehende Polymergerüst gelegt. Dies geschah sowohl über die Vernetzung eines Monomers mit entsprechender Funktionalität intern oder mit einem externen Vernetzer, der Synthese von Copolymeren aus zwei unterschiedlichen Monomeren oder der oxidativen Nachbehandlung im Anschluss einer erfolgreichen Polymerisation. Während Itakonsäure bevorzugt an nicht-funktionalisierten HCPs (hochvernetzte Polymere=engl. hypercrosslinked polymers) adsorbiert, benötigt Lysin funktionelle Gruppen. Hier erwiesen sich Sauerstoff-funktionalisierte Polymere als die effektivsten Adsorbentien. Eine weitere Untersuchung widmet sich der Formgebung der erhaltenen fein pulvrigen Polymeradsorbentien. Dafür wurden das Pressen ohne Additive, die Schmelzextrusion mit entsprechender thermoplastischer Bindermatrix und die Nassgranulation evaluiert. Das technische Potential dieser Polymeradsorbentien wurde abschließend in einem Festbettadsorber durch Messen von Durchbruchskurven und deren Auswertung mittels IR-Onlineanalytik untersucht. Ausgewählte Adsorbentien wurden für einen Ausblick dieser Arbeit mit realen Fermentationsgemischen in Batch-Adsorptionsexperimenten getestet

Respiration-based investigation of adsorbent-bioprocess compatibility

Background: The efficiency of downstream processes plays a crucial role in the transition from conventional petrochemical processes to sustainable biotechnological production routes. One promising candidate for product separation from fermentations with low energy demand and high selectivity is the adsorption of the target product on hydrophobic adsorbents. However, only limited knowledge exists about the interaction of these adsorbents and the bioprocess. The bioprocess could possibly be harmed by the release of inhibitory components from the adsorbent surface. Another possibility is co-adsorption of essential nutrients, especially in an in situ application, making these nutrients unavailable to the applied microorganism. Results: A test protocol investigating adsorbent-bioprocess compatibility was designed and applied on a variety of adsorbents. Inhibitor release and nutrient adsorption was studied in an isolated manner. Respiratory data recorded by a RAMOS device was used to assess the influence of the adsorbents on the cultivation in three different microbial systems for up to six different adsorbents per system. While no inhibitor release was detected in our investigations, adsorption of different essential nutrients was observed. Conclusion: The application of adsorption for product recovery from the bioprocess was proven to be generally possible, but nutrient adsorption has to be assessed for each application individually. To account for nutrient adsorption, adsorptive product separation should only be applied after sufficient microbial growth. Moreover, concentrations of co-adsorbed nutrients need to be increased to compensate nutrient loss. The presented protocol enables an investigation of adsorbent-bioprocess compatibility with high-throughput and limited effort

The Radish Gene Reveals a Memory Component with Variable Temporal Properties

Memory phases, dependent on different neural and molecular mechanisms, strongly influence memory performance. Our understanding, however, of how memory phases interact is far from complete. In Drosophila, aversive olfactory learning is thought to progress from short-term through long-term memory phases. Another memory phase termed anesthesia resistant memory, dependent on the radish gene, influences memory hours after aversive olfactory learning. How does the radish-dependent phase influence memory performance in different tasks? It is found that the radish memory component does not scale with the stability of several memory traces, indicating a specific recruitment of this component to influence different memories, even within minutes of learning