{"id":1030,"date":"2024-12-04T12:56:13","date_gmt":"2024-12-04T12:56:13","guid":{"rendered":"http:\/\/pfi.agentur-reppa.de\/wordpress\/?page_id=1030"},"modified":"2025-07-08T14:23:01","modified_gmt":"2025-07-08T14:23:01","slug":"forschung","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/pfi-germany.de\/de\/biotechnologie\/forschung\/","title":{"rendered":"Forschung"},"content":{"rendered":"\n
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Forschung<\/strong><\/strong><\/strong><\/h1>\n\n\n\n
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Klimawandel, Treibhausgas-Emissionen, Verknappung und Verteuerung fossiler Energietr\u00e4ger: Das sind die globalen Entwicklungen, auf die wir uns einstellen m\u00fcssen. Die verst\u00e4rkte stoffliche und energetische Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen und verf\u00fcgbaren Restbiomassen<\/strong> ist sowohl aus \u00f6kologischer als auch \u00f6konomischer Sicht unabdingbar. Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Bereich der Biomassenutzung<\/strong> schafft die Grundlagen f\u00fcr eine effiziente und wirtschaftliche Nutzung dieser Ressourcen.<\/p>\n\n\n\n

Mit einem interdisziplin\u00e4ren Team aus Biotechnologen, Mikrobiologen, Chemikern und Ingenieuren konzentriert die PFI Biotechnology ihre Forschungsaktivit\u00e4ten auf folgende Bereiche:<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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\"Biotechnologe<\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n
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Biogas<\/strong><\/strong><\/strong><\/strong><\/summary>\n

Biogas<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
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Optimierung der Prozessbiologie<\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Zentrale Aufgabe der PFI Biotechnology ist es, Forschungsprojekte im Bereich Biogas zu initiieren und durchzuf\u00fchren. In laufenden Projekten erforschen wir bereits die mikrobielle Flora in Biogasanlagen. Die Optimierung der Prozessbiologie bietet noch erhebliches Potential f\u00fcr weitere Effizienzsteigerungen in der Biogasproduktion.<\/p>\n\n\n\n

Unser Ziel ist, die vielf\u00e4ltigen Interaktionen zwischen den zentralen mikrobiellen Gruppen im Biogasprozess zu beleuchten und ein tieferes Verst\u00e4ndnis der optimalen Wachstums- und N\u00e4hrstoffbedingungen zu gewinnen.<\/p>\n\n\n\n

Die Isolierung und Charakterisierung besonders leistungsf\u00e4higer Bakterien er\u00f6ffnet zudem die M\u00f6glichkeit zur Entwicklung speziell auf Biogasanlagen zugeschnittener Starterkulturen.<\/p>\n\n\n\n

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Nutzung von Restbiomassen \u2013 Lignocellulose<\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld der PFI Biotechnology ist die Untersuchung bislang kaum genutzter Biomassen auf ihre Eignung als Substrat zur Biogasproduktion. Im Fokus stehen dabei Restbiomassen und landwirtschaftliche Koppelprodukte wie Landschaftspflegematerial oder Stroh. Ein verst\u00e4rkter Einsatz dieser Substrate k\u00f6nnte den Konflikt entsch\u00e4rfen, ob die verf\u00fcgbaren landwirtschaftlichen Fl\u00e4chen zur Energie- oder zur Nahrungsmittelproduktion genutzt werden.<\/p>\n\n\n\n

Der Einsatz dieser stark lignifizierten Biomassen in Biogasanlagen stellt allerdings neue Herausforderungen an die Verfahrenstechnik und die Prozessbiologie. Wir entwickeln und optimieren neue Aufschlussverfahren, um diese Substrate zur Biogasproduktion nutzbar zu machen (siehe auch Biomasseaufschluss<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

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N\u00e4hrstoffoptimierung<\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Daneben \u00fcberpr\u00fcfen wir Additive auf ihre Wirkung im Biogasprozess. Ein wichtiges aktuelles Thema ist hierbei, wie Mikroorganismen ausreichend mit Spurenn\u00e4hrstoffen versorgt werden k\u00f6nnen, insbesondere bei Anlagen mit hohen Raumbelastungen und keinen oder nur geringen G\u00fclleanteilen im Substrat-Mix. Wir untersuchen, welche Spurenelemente f\u00fcr die Prozessstabilit\u00e4t in Biogasanlagen entscheidend sind, und ermitteln ihre optimalen Konzentrationen.<\/p>\n\n\n\n

Die Kosten-Nutzenrelation beim Einsatz von hydrolytischen Enzymen in Biogasanlagen ist Gegenstand eines umfangreichen Verbundprojektes, an dem die PFI Biotechnology mitarbeitet.<\/p>\n<\/details>\n\n\n\n

Fermentation<\/strong><\/strong><\/strong><\/strong><\/strong><\/summary>\n

Fermentation<\/strong><\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die stoffliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen in Form einer biobasierten Chemikalien- und Polymerproduktion wird in Zukunft enorm an Bedeutung gewinnen. W\u00e4hrend wir im Energie- und Verkehrssektor verschiedene M\u00f6glichkeiten zur Substitution fossiler Brennstoffe haben, steht uns im Bereich der Polymere nur die Biomasse als zuk\u00fcnftige Alternative zur Verf\u00fcgung. Unser Ziel ist, die vielf\u00e4ltigen Interaktionen zwischen den zentralen mikrobiellen Gruppen im Biogasprozess zu beleuchten und ein tieferes Verst\u00e4ndnis der optimalen Wachstums- und N\u00e4hrstoffbedingungen zu gewinnen. Die Isolierung und Charakterisierung besonders leistungsf\u00e4higer Bakterien er\u00f6ffnet zudem die M\u00f6glichkeit zur Entwicklung speziell auf Biogasanlagen zugeschnittener Starterkulturen.<\/p>\n\n\n\n

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Fermentative Biopolymer-Herstellung<\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Ein Schwerpunkt der Aktivit\u00e4ten der PFI Biotechnology ist die fermentative Gewinnung von Biopolymeren zur Substitution von petrobasierten Kunststoffen.<\/p>\n\n\n\n

Wir erforschen derzeit die Produktion von Polyhydroxybutters\u00e4ure (PHB) und weiterer Polyhydroxyalkanoate (PHA) mittels spezieller Bakterienst\u00e4mme. PHB, PHB-Copolymere und weitere PHAs sind Speicherstoffe, die von verschiedenen Mikroorganismen intrazellul\u00e4r angelegt werden. Hieraus lassen sich thermoplastische Biopolymere mit hervorragenden Materialeigenschaften gewinnen, die in jeder Hinsicht mit petrobasierten Kunststoffen wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) konkurrieren k\u00f6nnen. Im Gegensatz zu diesen sind sie jedoch vollst\u00e4ndig biologisch abbaubar und k\u00f6nnen kompostiert werden.<\/p>\n\n\n\n

Einer breiten Anwendung von Biopolymeren stehen allerdings die noch sehr hohen Preise entgegen. Das liegt einerseits an den Rohstoffkosten, da derzeit haupts\u00e4chlich auf Basis von Zuckern (Frucht- oder Malzzucker) produziert wird, anderseits bedingt das aufwendige Abtrennen und Reinigen des PHB vom Zellmaterial relativ hohe verfahrenstechnische Kosten.<\/p>\n\n\n\n

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PHB aus Restbiomassen<\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Die PFI Biotechnology verfolgt daher das Ziel einer PHB-Produktion auf der Grundlage kosteng\u00fcnstig verf\u00fcgbarer Restbiomassen wie Stroh. Die Kombination thermischer und enzymatischer Aufschlussverfahren macht Hemicellulosen und Lignocellulose f\u00fcr eine Fermentation verf\u00fcgbar. Durch die Einbeziehung einer Biogasproduktion auf Basis der Reststoffe wird Energie f\u00fcr den Prozess bereitgestellt. Parallel untersuchen wir neue verfahrenstechnische Ans\u00e4tze f\u00fcr eine l\u00f6sungsmittelfreie Aufbereitung des Zielproduktes.<\/p>\n\n\n\n

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C5-Fermentation<\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Weitere Forschungsans\u00e4tze sind Fermentationen auf der Basis von Pentosen aus hydrolysierten Hemicellulosen. Die Gewinnung des hochwertigen Zuckeralkohols Xylitol aus Xylose mittels spezieller Hefen ist ein Schwerpunkt dieser Aktivit\u00e4ten.<\/p>\n<\/details>\n\n\n\n

Biomasseaufschluss<\/strong><\/strong><\/strong><\/strong><\/strong><\/summary>\n

Biomasseaufschluss<\/strong><\/strong><\/strong><\/h2>\n\n\n\n
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Prozessgesteuerte enzymatische Hydrolyse (PEH)<\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Abbaugrad und Abbaugeschwindigkeit von Substraten im Biogasprozess h\u00e4ngen stark vom strukturellen Aufbau der jeweiligen Einsatzstoffe ab. W\u00e4hrend Fette, Proteine sowie St\u00e4rke sehr schnell und weitgehend zu Biogas umgesetzt werden, stellen die faserigen Anteile, und hier insbesondere die Cellulosefraktion, eine Herausforderung f\u00fcr die Biogasproduktion dar. Zum einen erschwert die Struktur der Cellulosefasern die enzymatische Hydrolyse, zum anderen sind die typischen Milieubedingungen im Biogasfermenter (pH-Wert, Temperatur) ung\u00fcnstig f\u00fcr cellulolytische Enzyme und verringern deren Aktivit\u00e4t deutlich. Dementsprechend werden die faserigen Pflanzenanteile in Biogasanlagen nur langsam und unvollst\u00e4ndig abgebaut.<\/p>\n\n\n\n

Vor diesem Hintergrund entwickelt die PFI Biotechnology ein spezielles Vorhydrolyse-Verfahren, um Abbaugrad und Abbaugeschwindigkeit des Faseranteils wesentlich zu erh\u00f6hen. Bei der prozessgesteuerten enzymatischen Hydrolyse (PEH)<\/strong><\/a> wird die Biomasse in einem speziellen Hydrolysebeh\u00e4lter aufgeschlossen, bevor sie in den Biogasfermenter gelangt. In dem gesteuerten und sensor\u00fcberwachten Prozess werden optimale pH- und Temperaturbedingungen f\u00fcr die Aktivit\u00e4t hydrolytischer Enzyme eingestellt. Nach intensiven Untersuchungen im Labor- und Techmikumsma\u00dfstab wird das Verfahren derzeit in der Praxis erprobt (siehe auch Entwicklung<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

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Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH) <\/strong><\/strong><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

Die Nutzung lignifizierter Biomasse erfordert den Einsatz weitergehender Aufschlussverfahren, insbesondere wenn zuckerangereicherte Hydrolysate f\u00fcr Fermentationen bereitgestellt werden sollen.<\/p>\n\n\n\n

In diesem Zusammenhang arbeitet die PFI Biotechnology intensiv an einem hydrothermalen Aufschlussverfahren, der sogenannten Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH)<\/strong><\/a>. Durch ein spezielles diskontinuierliches Verfahren wird die Hemicellulosefraktion lignifizierter Substrate (beispielsweise Stroh) weitgehend hydrolysiert und die Lignocellulose f\u00fcr eine nachfolgende enzymatische Hydrolyse vorbereitet (siehe auch Entwicklung<\/strong><\/a>).<\/p>\n\n\n\n

Lignocellulose: <\/strong>ist das am weitesten verbreitete nat\u00fcrlich vorkommende organische Material und der Prim\u00e4rbaustein von Pflanzenzellw\u00e4nden. Die Hauptbestandteile von Lignocellulose sind Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Diese drei Biopolymerstrukturen sind gemeinsam f\u00fcr die Stabilit\u00e4t von Pflanzenmaterialien verantwortlich. Holz beispielsweise verdankt ihnen seine lange Haltbarkeit.<\/p>\n\n\n\n

Vor allem Lignin ist besonders best\u00e4ndig und sch\u00fctzt Pflanzenstrukturen gegen mikrobiellen Abbau. Aber genau diese Persistenz erschwert die biotechnologische Umsetzung von Lignocellulose zu chemischen Grundstoffen, Treibstoff (2G) oder Energie.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr eine m\u00f6glichst nachhaltige Umsetzung von Lignocellulose sind Gemische von Enzymen notwendig, die Cellulose und Hemicellulose in ihre Zuckerbestandteile hydrolysieren. Gegenw\u00e4rtig ist die Herstellung dieser Enzyme sehr teuer. Deshalb ist die Umsetzung der Prozesse im gro\u00dftechnischen Ma\u00dfstab derzeit nicht wirtschaftlich.<\/p>\n\n\n\n

2G-Treibstoffe: <\/strong>Biogene Treibstoffe \u2013 also Treibstoffe, die aus Biomasse gewonnen werden \u2013 unterteilt man in zwei Kategorien: Werden zucker- oder st\u00e4rkehaltige Substrate wie Mais oder Zuckerrohr verwendet, spricht man von biogenen Treibstoffen der ersten Generation (1G). 1G-Treibstoffe sind relativ einfach herzustellen und werden gro\u00dftechnisch beispielsweise in den USA und Brasilien produziert (Bioethanol). Da die Anbaufl\u00e4chen f\u00fcr 1G-Treibstoffe mit denen f\u00fcr Lebensmittel konkurrieren, verlieren diese Substrate zur Kraftstoffherstellung immer mehr an Popularit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n

Daher wird intensiv an der Herstellung von Kraftstoffen aus Restbiomassen wie Stroh geforscht. Restbiomassen bestehen haupts\u00e4chlich aus Lignocellulose und sind nicht f\u00fcr den Verzehr geeignet. Treibstoffe, die aus Lignocellulose gewonnen werden, bezeichnet man als Treibstoffe der zweiten Generation (2G). Sie im gro\u00dftechnischen Ma\u00dfstab herzustellen ist derzeit sehr teuer. Grund der hohen Kosten sind die eingesetzten Enzyme (siehe Lignocellulose).<\/p>\n\n\n\n

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Downloads<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH)<\/strong><\/a><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/details>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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