Imibi Fragen Vorlesung an der Fachhochschule Aachen

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Was versteht man unter einer Bioraffinerie?

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Was ist mit energetischer bzw. stofflicher Nutzung von Biomasse gemeint?

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Welche Kontroversen bzgl. Biomassenutzung werden diskutiert?

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Welche mikrobiell erzeugten Produkte mit industrieller Relevanz kennen Sie?

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Welche mikrobiellen Produktionsorganismen kennen Sie? Unterscheiden Sie zwischen prokaryotischen (Gram-negativ/positiv) und eukaryotischen Produktionsorganismen.

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Wie lassen sich biogene Rohstoffe einteilen?

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Wie ist Biomasse im Allgemeinen zusammengesetzt?

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Nennen Sie Eigenschaften eines geeigneten mikrobiellen Produktions-organismus. Was sind die Vor- und Nachteile von E. coli?

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Was ist mit klassischer bzw. mit gerichteter Stammentwicklung gemeint? Nennen Sie Beispiele, Vor- und Nachteile.

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Nennen Sie Ansätze der Stammentwicklung zur Steigerung der mikrobiellen Aminosäureproduktion.


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Warum werden Futtermittel im großen Stil mit bestimmten (welchen?) Aminosäuren ergänzt?


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Was ist mit Bioökonomie gemeint?

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Imibi Fragen Vorlesung

Was versteht man unter einer Bioraffinerie?

  • integratives, multifunktionelles Gesamtkonzept
  • nachhaltige, simultane Erzeugung unterschied-lichster Zwischenprodukte und Produkte
  • Chemikalien
  • Werkstoffe
  • Bioenergie, inkl. Biokraftstoffe
  • möglichst vollständige Verwendung aller Rohstoffkomponenten
  • mögliche Koppelprodukte: Nahrungs- und Futtermittel

Produkte aus Bioraffinerien

Biobasierte Chemikalien und Werkstoffe:

  • Basischemikalien u. chem. Zwischenprodukte
  • Feinchemikalien, z.B. Pflanzenschutzmittel, Pharmagrundstoffe, Farbstoffe
  • Biobasierte Polymere, Werkstoffe und Verbund-werkstoffe
  • Klebstoffe, Farben und Lacke
  • Wasch-u. Körperpflegemittel
  • Düngemittel

Bioenergieträger:

  • Strom
  • Wärme
  • Biokraftstoffe, z.B. Ethanol, Biodiesel, synthet. Kraftstoffe aus Biomasse, Biomethan, Wasserstoff

Imibi Fragen Vorlesung

Was ist mit energetischer bzw. stofflicher Nutzung von Biomasse gemeint?

  • Energetisch (Biokraftstoffe, Biogas)
  • Stofflich: Umwandlung in höherwertige Produkte (Chemikalien, Biokunststoffe)

Imibi Fragen Vorlesung

Welche Kontroversen bzgl. Biomassenutzung werden diskutiert?

  • Tank/Teller/Trog-Debatte: Nutzung von Nahrungs- und Futtermitteln (1. Generation Biomasse)
  • Intensivierung von Land- und Forstwirtschaft vs. Biodiversität
  • regionale Verfügbarkeit von Biomasse
  • Einsatz gentechnisch veränderter Pflanzen
  • energetische vs. stoffliche Nutzung

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Welche mikrobiell erzeugten Produkte mit industrieller Relevanz kennen Sie?


  • Aminosäuren, z.B. L-Glutamat, L-Lysin, L-Arginin, L-Phenyalanin, L-Cystein, L-Tryptophan, L-Threonin


 


  • Organische Säuren, z.B. Milchsäure, Essigsäure, Zitronensäure, Gluconsäure


 


  • Biomasse, z.B. Starterkulturen, Bäckerhefe, Futterhefe


 


  • Enzyme, z.B. für Waschmittel, Lebensmittelindustrie, Textil- und Lederindustrie, Futtermittel


 


  • Vitamine, z.B. Riboflavin (B2), Cyanocobalamin (B12), Vitamin C, L-Sorbose (Vitamin C-Vorstufe), Aminosorbit


 


  • Antibiotika, z.B. Bacitracin A, Virginiamycin, Cyclosporin, Monensin, Penicilline, Cephalosporine, Tetracycline


 


  • Biopolymere, z.B. Polyhydroxyalkanoate, Polylactid, Xanthan, Scleroglucan, Pullulan


Imibi Fragen Vorlesung

Welche mikrobiellen Produktionsorganismen kennen Sie? Unterscheiden Sie zwischen prokaryotischen (Gram-negativ/positiv) und eukaryotischen Produktionsorganismen.

Gram-negative Bakterien

  • Escherichia coli
  • Pseudomonaden
  • Xanthomonas campestris

Gram-positive Bakterien

  • Corynebacterium glutamicum
  • Bacilli sp.
  • Chlostridien
  • Milchsäurebakterien
  • Streptomyceten

Mikroalgen

  • Cyanobakterien
  • Grünalgen

Hefen und andere Pilze (Eukaryoten)

  • Saccharomyces cerevisiae
  • Pichia pastoris
  • Penicillium
  • Aspergillus
  • Tetrahymena (Ciliat)

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Wie lassen sich biogene Rohstoffe einteilen?


  • Nachwachsende Rohstoffe, z.B. Holz, energetische Gräser


→ extra dafür angebaut

  • Land- und forstwirtschaftliche biogene Reststoffe, z.B. Rübenschnitzel, Maisspindeln, Stroh, Reststoffe der Primärraffination
  • Industrielle biogene Reststoffe, z.B. Restbiomasse aus Fermentationen (Schlempe), Molke, Treber, Fruchtschalen
  • Biogene Abfallstoffe, z.B. Speisealtfette, Lebensmittelabfälle

Imibi Fragen Vorlesung

Wie ist Biomasse im Allgemeinen zusammengesetzt?

  • Pflanzliche Biomasse: Kohlenhydrate (Cellulose!), Fette, Lignin
  • Tierische Biomasse: Proteine, Fette
  • Kohlenhydrate aus
    1. Nahrungs-, Futter-, und Energiepflanzen: Stärke, Saccharose
    2. Zellwänden von Pflanzen und Algen: Cellulose, Hemicellulose, Pektin
    3. Zellwänden von Pilzen und Algen: Chitin, Alginat, Lignin

Imibi Fragen Vorlesung

Nennen Sie Eigenschaften eines geeigneten mikrobiellen Produktions-organismus. Was sind die Vor- und Nachteile von E. coli?

  • produziert das gewünschte Produkt (Ausbeute und Titer müssen anschl. verbessert werden)
  • wächst schnell und in ausreichend großem Maßstab/Zelldichte (ausreichende O2-Versorgung im Bioreaktor?)
  • kompatibel mit Substrat (z.B. niedriger Fe-Gehalt erforderlich für Zitronensäure-Produktion mit Aspergillus niger)
  • ggf. gentechnischer Zugang (Genom-Sequenz, Gentransfer-Methoden)
  • genetisch stabil (z.B. Plasmid-Stabilität, Phagen-Anfälligkeit)
  • sicher (nicht pathogen, keine (Endo-)Toxine)
  • bereits industriell etabliert (relevante Gene können in E. coli, S. cerevisiae, B. subtilis eingebracht werden)
  • E.coli:
  • Vorteile:
    • anspruchslos (Minimalmedium), schnelles Wachstum, hohe Zelldichte (Hochzelldichte-Ferm. bis 190 gdcw ∙ L-1)
    • leicht gentechnisch veränderbar
    • etablierte molekularbiologische Methoden
    • etablierte Expressionssysteme
    • Sicherheitsstämme:
      1. können menschlichen Organismus nicht mehr besiedeln
      2. können DNA nicht mehr an andere Organismen weitergeben
  • Nachteile:

    • Endotoxin-Bildung (stabile LPS der Außenmembran)
    • Anfälligkeit gegenüber Phagen-Infektion

Imibi Fragen Vorlesung

Was ist mit klassischer bzw. mit gerichteter Stammentwicklung gemeint? Nennen Sie Beispiele, Vor- und Nachteile.

Gerichtete Stammentwicklung

Genetic engineering

  • Enzyme engineering
  • Plasmide, aber auch genomische Integration
  • regulierbare Promotoren
  • genomische Modifikation:
    1. Deletion (knock out)
    2. Integration (knock in)
  • Knowledge-based, gentechnische Methoden müssen verfügbar sein

Klassische Stammentwicklung

Ungerichtete Mutagenese (chemisch, UV), anschl. Screening

  • klassische Genetik: Transposons, Transduktion, anschl. Screening
  • Vorteile:
    1. keine Gentechnik (non-GMO)
    2. non-knowledge-based (man muss nicht wissen, wie eine bestimmte Eigenschaft zu erreichen ist
  • Nachteile:
    1. zeit-, kosten- und arbeitsaufwändig (Screening)
    2. Anhäufung von (unentdeckten) nachteiligen Mutationen

Imibi Fragen Vorlesung

Nennen Sie Ansätze der Stammentwicklung zur Steigerung der mikrobiellen Aminosäureproduktion.


  • Substrataufnahme (verbessern), z.B. Transporterüberexprimierung
  • Vorstufenbereitstellung (erhöhen), z.B. durch Metabolitverfügbarkeit und Promotorstärken
  • Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten (NADH, NADPH, Verhältnis von Glykolyse zu Pentosephosphat-Weg)
  • Feedback-resistente Enzyme
  • Aufhebung limitierender Biosyntheseschritte
  • Ausschaltung/Regulierung der Nebenproduktbildung
  • Export, z.B. Transporterüberexprimierung
  • Ausschaltung des Abbaus
  • Optimierung globaler Regulationsmechanismen

Imibi Fragen Vorlesung

Warum werden Futtermittel im großen Stil mit bestimmten (welchen?) Aminosäuren ergänzt?


  • Futtermittel enthalten limitierten Anteil an Aminosäuren, z.B. in Weizen Lysin
  • Bei z.B. niedrigem Lysin-Anteil im Weizen werden andere Aminosäuren nicht vollständig genutzt

→ Zugabe von Lysin, Threonin und Tryptophan verdoppelt Nährwert des Futters

Imibi Fragen Vorlesung

Was ist mit Bioökonomie gemeint?

  • Entwicklung einer biobasierten Wirtschaft
  • Nutzung von erneuerbaren biologischen Ressourcen zur Herstellung von Produkten und zur Bereitstellung von Dienstleistungen
  • Anwendung innovativer biologischer und technologischer Kenntnisse und Verfahren

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