Forschungsprofessur Sustainable Bioengineering
Vorsitzende der Forschungskommission
Haushaltsbeauftragte für die Fakultät Bioingenieurwissenschaften
Studienfachberater/in Biotechnologie mit vertiefter Praxis
Abstract Despite its recent commercialization of duckweed, the extraction of high-quality protein presents challenges primarily in the efficiency of the extraction processes. In this study, conventional, ultrasound-assisted extraction (UAE), and ultrafiltration (UF) extraction techniques, were evaluated showing significant enhancements in protein yield, amino acid profile, and chlorophyll extraction. The highest protein release of 80.83% was achieved with a 40% amplitude applied for 10 min. UAE increased the protein yield substantially compared to conventional methods, achieving the highest yield of 41.30% with a moderate protein content of 50.91% in Lemna gibba protein concentrate. However, it comes at the cost of reduced protein purity and altered protein profiles due to co-extraction of other plant components. SDS-PAGE analysis revealed that ultrasound methods improved the extraction of chlorophyll-binding proteins (LHCB1) but decreased the efficiency of extracting RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) subunits compared to non-ultrasound methods. Lysine and tryptophan were identified as limiting essential amino acids (EAA), except when ultrasound methods were applied, which raised the levels partially above the recommended amino acid score (AAS) threshold of 1 for adults. The study established a nitrogen-to-protein conversion factor for duckweed at ~ 5.8, aligning with RuBisCO-based calculations and providing a more accurate tool for future nutritional assessments of duckweed proteins.
Biotechnological and pharmaceutical processes based on bacteria require an inoculum with high long-term viability. In order to provide a stabilized bacterial culture for biodegradation of ammonia and ammonium, the model species Kocuria rhizophila DSM 348 was spray-dried using different protective agents. Providing a medium with 200 g/L skimmed milk powder (SMP) and 12.5 g/L monosodium L-glutamate (MSG) resulted in a survival rate of 99.1% ± 3.6% immediately after spray drying, whereas 200 g/L trehalose and 12.5 g/L MSG led to a lower viability (34.7% ± 5.9%). A reference medium with phosphates (7 g/L KH2PO4 + 7 g/L K2HPO4) accomplished a survival rate of 9.8% ± 2.9%. Long-term experiments confirmed high viability of spray-dried bacteria after 52 weeks at 4 °C with less than 1 log-reduction compared to the first day of storage, resulting in powders with at least 1010 CFU/g.
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Ludwig Gredmaier,
Sabine Grüner,
Rainer Joachim,
Peter Funke
This is a knowledge contribution to the unsatisfactory biodegradation problem, when biotrickling filters are purifying mixed paint solvents. A biotrickling filter manufacturer reported low biodegradation rates during the purification of a hydrocarbon pollutant mix from an industrial paint spraying floor. From a gas chromatograph/mass spectrometer analysis both hydrophilic and hydrophobic solvents were found in the polluted air. It is known that biodegradation is retarded, if the pollutant does not transfer from gas to liquid into the biofilm and it was therefore suspected that hydrophobic pollutants do not sufficiently migrate into the water/biofilm. To test this hypothesis, pure, rather than mixed pollutants, were injected into the abiotic biotrickling filter. When hydrophobic paint solvent (xylene) was sprayed into the biotrickling filter, the solvent load at the outlet of the filter was almost as high as at the inlet. But when pure, hydrophilic paint solvent (PGME) was sprayed into the abiotic biotrickling filter, the solvent load measured at the outlet of the filter was zero, indicating complete dissolution into the circulation water. Carbon/solvent loads at the filter outlet and inlet were measured with a portable flame ionization detector instrument. The experiment confirms that the hydrophobic solvent does not migrate into the liquid phase. This poor mass transfer of hydrophobic solvents is likely to be the reason for the low biodegradation rate. The result is highly relevant to the paint spraying industry and manufacturers of exhaust gas treatment equipment alike, who spend millions in non-sustainable incineration of exhaust gases.
Bei zahlreichen industriellen Prozessen fallen lösemittelhaltige Abluftströme an, die zur Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte gereinigt werden müssen. Konventionelle Abluftreinigungsverfahren wie die thermische Nachverbrennung erfordern jedoch hohe Temperaturen von 1200 °C und oft fossile Brennstoffe. Als deutlich nachhaltiger erweisen sich dagegen Biorieselbettreaktoren, mit denen Lösemittel bereits bei 20 °C biologisch abgebaut werden können. Die Schadstoffe werden dabei von Bakterien in einem Biofilm auf Lavasteinen in unbedenkliche Substanzen umgewandelt.
Die vielfältigen Möglichkeiten der Anwendung von Beschichtungen mit Biopolymeren legen es nahe, derartige Membranen mit gezielten Eigenschaften auszustatten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss verschiedener Additive und Prozessparameter auf die Stabilität und Durchlässigkeit von Biopolymermembranen, im Speziellen von Alginatfilmen. Als Modellsystem dienen im Vertropfungsverfahren hergestellte Alginatsphären. Neben den unterschiedlichen Effekten von Additiven zeigt sich, dass die mechanische Stabilität und Durchlässigkeit unabhängig voneinander beeinflusst werden können.
Fruits of oil plants, like nuts, are widely used in food industry and regarded as healthy due to their content of unsaturated fatty acids. Handling, processing and storage of products containing nuts are challenging, because oxidation has to be avoided. The consumer is able to taste rancidity, the consequence of oxidation, in an early stage. Therefore suitable precautions have to be considered. A promising possibility to enhance the oxidation stability was investigated – high pressure impregnation with antioxidants. A two steps procedure and the use of a CO2-rosemary extract, containing carnosic acid, gave the best result in terms of homogeneous impregnation. The effect on prolonging the shelf life was successfully observed using three different analytical methods – peroxide value, rancidity test and DPPH method. The oxygen stability and hence the shelf life of nuts was increasing with an increasing concentration of carnosic acid.
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Mirjam Haensel,
J. Voigt,
Sabine Grüner,
K. Sommer,
S. Lopez,
Andreas Kilzer,
Eckhard Weidner
Hochviskose Zuckerlösungen liegen nach einer Pulverisierung größtenteils amorph vor und sind damit stark hygroskopisch. Eine Pulverisierung wird dennoch angestrebt, da sich diese Flüssigkeiten durch ihre hohe Viskosität nur schlecht dosieren oder mit anderen Pulvern mischen lassen. Es wird dargestellt, mit welchen Verfahren zum einen qualitativ hochwertige Pulver hergestellt werden können und zum anderen die Hygroskopizität umgangen werden kann.
In einem laufenden Forschungsprojekt an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf soll der Schadstoffabbau in einem bereits bestehenden Biorieselreaktor, der VOCs im Abgasstrom einer lackverarbeitenden Industrie abbaut, erheblich verbessert werden.
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Konferenzbeiträge
Jörg Schäffer,
Vinzenz Ackermann,
Sabine Grüner
Berechtigungen: Peer Reviewed
Water Vapour Sorption on Used Foundry Sand with Regard to its Reusability (2026)
Sand is a widely used molding material in the foundry industry. With its availability becoming increasingly limited and transportation being cost-intensive, sustainable and environmentally friendly regeneration processes are attracting growing attention. The primary challenge in this context is the removal of binder residues remaining on the sand grains. Alkali silicates, considered as binder systems, place high demands on the specificity and sensitivity of analytical methods, since trace amounts of analyte (silicic acid) must be determined as quantitatively as possible on a chemically almost identical matrix. The present work discusses the use of water vapor sorption for the semi-quantitative determination of residual silicic acid in the presence of crystalline silicon dioxide. A particular focus is placed on modeling the sorption isotherms using the GAB and BET models. The specific surface areas determined for sands with varying degrees of binder loading are compared with the strength values of test specimens produced from these sands. A direct correlation between the achievable strength and the specific surface area is observed.Sand ist weitverbreiteter Formstoff in der Gussindustrie. Mit seiner immer knapper werdenden Verfügbarkeit und dem kostenintensiven Transport rücken nachhaltige und umweltschonende Regenerierungsverfahren zunehmend in den Fokus. Hauptaufgabe hierbei ist die Entfernung des auf dem Sandkorn zurückgebliebenen Bindemittels. Die als Binder in Betracht genommenen Alkalisilicate stellen hohe Anforderungen an die Spezifität und Sensitivität der Analytik, da Spuren von Analyt (Kieselsäure) auf einer chemisch nahezu identischen Matrix möglichst quantitativ bestimmt werden sollen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz der Wasserdampfsorption zur halbquantitativen Erfassung von Kieselsäureresten in Gegenwart kristallinen Siliciumdioxids diskutiert. Einen Schwerpunkt bildet die Modellierung der Sorptionsisothermen mit GAB- und BET-Modellen. Die ermittelten spezifischen Oberflächen verschieden stark bindemittelbelasteter Sande werden mit den Festigkeitswerten daraus hergestellter Prüfkörper verglichen. Dabei zeigt sich eine direkte Korrelation zwischen erreichter Festigkeit und spezifischer Oberfläche.
Jörg Schäffer,
Leitenberger Natalie,
Christoph Lindenberger,
Sabine Grüner
Hybridverfahren zur Luteingewinnung aus Mikroalgen: Kopplung von Hochdruckextraktion mit adsorptiver AufreinigungJörg Schäffer1, Natalie Leitenberger2, Christoph Lindenberger2, Sabine Grüner-Lempart1, 1Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Bioingenieurwissenschaften, Am Hofgarten 10, 85354 Freising, 2Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden, Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik, Kaiser-Wilhelm-Ring 23, 92224 Amberg Die biotechnologische Produktion von Wertstoffen aus Mikroalgen stellt eine nachhaltige Alternative zur konventionellen Gewinnung aus pflanzlichen Rohstoffen dar. Mikroalgen zeichnen sich durch hohe Wachstumsraten, geringe Flächenansprüche und die Möglichkeit der Kultivierung in geschlossenen Photobioreaktoren unter kontrollierten Bedingungen aus [1, 2]. Lutein, ein antioxidatives Xanthophyll aus der Gruppe der Carotinoide, gewinnt aufgrund seiner gesundheitsfördernden Eigenschaften, insbesondere bei der Prävention der altersbedingten Makuladegeneration, zunehmend an industrieller Bedeutung [3]. Der vorliegende Beitrag untersucht die Gewinnung von Lutein aus der Süßwassergrünalge Chlamydomonas asymmetrica mittels eines hybriden Prozesses, bestehend aus fraktionierter Hochdruckextraktion mit überkritischem CO₂ unter Einsatz eines Co-Solvents sowie anschließender Festbettadsorption an Kieselgel. Neben einer Lutein-angereicherten Fraktion mit ausgeprägten antioxidativen Eigenschaften wurde eine lipidreiche Fraktion isoliert, die trotz ihres hohen Gehalts an ungesättigten Fettsäuren ein prooxidatives Verhalten zeigte. Dieses Ergebnis widerspricht der erwarteten antioxidativen Wirkung und deutet auf komplexe Wechselwirkungen innerhalb der Extraktmatrix hin. Die Entfernung der Lipidfraktion führt zu einem lipidarmen, geruchlosen Extrakt, der das vollständige Pigmentspektrum von C. asymmetrica (mit Ausnahme von β-Carotin) enthält. Die antioxidative Aktivität, bestimmt über Peroxidzahl und DPPH-Deradikalisierung, ist vergleichbar mit der eines standardisierten Rosmarinextrakts. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung einer gezielten Prozessführung zur Gewinnung hochreiner Pigmentfraktionen und liefern neue Erkenntnisse zur Rolle coextrahierter Lipide bei der Beeinflussung antioxidativer Eigenschaften. Literatur [1] E. Jacob-Lopes, M. I. Queiroz und L. Q. Zepka, Hg. Pigments from microalgae handbook. Cham, Switzerland: Springer, 2020. [2] J. Hahm, „Process Concept and Designs for Value Added Chain of the Phototrophic Algae Chlamydomonas asymmetrica: Verfahrenskonzept und Entwürfe für die Wertschöpfungskette der phototrophen Alge Chlamydomonas asymmetrica,“ 2018. [3] J. W. Erdman et al., „Lutein and Brain Function,“ Foods (Basel, Switzerland), Early Access. doi: 10.3390/foods4040547.
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Sabine Grüner,
Jodok Waibel Nakahara,
Anna Lena Schuhmacher,
Detlef Koch,
Amir Asgharzadeh,
Thomas Federrath,
Javier Riegau-Badenas
Biotechnologically modified sand as sustainable resource for construction industry S. Grüner1*, J. Waibel Nakahara1, A. L. Schuhmacher1, D. Koch2, T. Federrath3 1 Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, 2 Koch Carbon Consulting GmbH, 3 Albert Hodel GmbH *sabine.gruener@hswt.deSand is the basis for inorganic building materials and the second-most used resource after water. However, not all sand sources are equally suitable for the construction industry. Variations in grain size, surface, bulk density, and water storage capacity, along with availability and the environmental impact of extraction, affect the usability of sand. Often, the particle surface of sand grains is too smooth for concrete production, the porosity of the bulk material is either too high or too low, or the flow behavior is not ideal. This research focuses on enhancing the usability of sand through biotechnological methods, specifically by using microorganisms, which modify particle surfaces and their interaction. The goal is to drive innovation and support a nature-positive transition, aligning with one of the five priority actions defined by the World Economic Forum. [1][2] Figure 1. Microscopic view of G. resinaceum on an agar plate (a). Sand cube created through MICP using S. pasteurii (b). The roughness of sand particle surface was improved through targeted measures. Microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP), utilizing the bacterium S. pasteurii and the use of additives to modify the crystal structure of CaCO₃, effectively reduced porosity and water storage capacity. Fungal mycelium of G. resinaceum strengthened interparticle connections and increased surface roughness. [3][4] The growth of bacteria and fungi in sand bulk material was successfully implemented, resulting in the compaction of sand grains. The crystalline structure and associated strength of sand granules treated with microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) were influenced by specific additives. This effect can be demonstrated by compressive strength measurements using cubes created with MICP, as shown in Figure 1. Additionally, a successfully reduced water absorption capacity, an increased surface roughness as well as a corresponding reduction in flowability of the modified sand were achieved. These modifications open up new areas of application for sand raw materials that were previously difficult to utilize, enhancing the properties of sand for the construction industry. Future investigations will focus on optimizing the modification processes and scaling up the application. References [1] World Economic Forum Nature Positive: Role of the Cement and Concrete Sector, 2023, insight report, No. 31 [2] Food and Agriculture Organization of the United Nations, Status of the World´s Soil Resources, 2015, Main Report [3] A. Van Wylick et al. Fungal Biology and Biotechnology, 2021, 8, No. 16 [4] M. S. Carter et al. Applied and Environmental Microbiology, 2023, 89 No. 8
Effect of mild protein extraction methods, including pulsed electric fields, on Duckweed and functional properties of a protein concentrate as an innovative food source (2024) Poster presentation, 38th EFFoST International Conference 2024, 12-14 November 2024, Bruges .
Jörg Schäffer,
Natalie Leitenberger,
Christoph Lindenberger,
Sabine Grüner
Gewinnung von Lipid- und Pigment-haltigen Wertprodukten aus der Mikroalge Chlamydomonas asymmetrica durch fraktionierte Extraktion mit überkritischem CO2 Jörg Schäffer1, Natalie Leitenberger2, Christoph Lindenberger2, Sabine Grüner-Lempart1, 1Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Bioingenieurwissenschaften, Am Hofgarten 10, 85354 Freising, 2Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden, Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik, Kaiser-Wilhelm-Ring 23, 92224 Amberg Die biotechnologische Wertstoffproduktion mit Mikroalgen stellt eine attraktive und nachhaltige Alternative zur Gewinnung aus pflanzlichen Rohstoffen dar. Zum einen erlaubt die kontinuierliche Kultivierung in geschlossenen Photobioreaktoren, unter kontrollierbaren Bedingungen, die Herstellung eines konstanten Rohstoffstroms in gleichmäßiger Qualität. Zum anderen können Mikroalgen, die in der Regel anspruchslos und robust sind, schnell wachsen und benötigen keine landwirtschaftlichen Nutzflächen. Erfolgt die Kultivierung in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen, der Nutzung von industriellen Reststoffströmen auf landwirtschaftlich nicht nutzbarem Land, ist nicht nur der Nachhaltigkeitsaspekt, sondern auch der ökonomische Anspruch schnell erfüllt. Prominente Wertstoffe, die mit Mikroalgen erfolgreich hergestellt werden, sind beispielsweise Astaxanthin und β-Carotin, beides fettlösliche Pigmente mit antioxidativen Eigenschaften, die der Gruppe der Carotinoide zugeordnet werden [1]. Beide Wirkstoffe werden kommerziell in der Lebensmittelindustrie, in Kosmetika oder im Tierfutter eingesetzt. Ein weiteres, farbgebendes Antioxidans aus der Gruppe der Carotinoide mit hohem Verwertungspotential ist Lutein. Dieses Xanthophyll wird im primären Stoffwechsel sowohl von Pflanzen als auch Mikroalgen synthetisiert und erfreut sich eines zunehmenden Interesses. [2] Der erfolgreiche Einsatz zur Therapie und Prävention der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) im Augapfel sowie die Senkung des Risikos für bestimmte Krebsarten, Herzerkrankungen und Schlaganfälle, sorgen für eine hohe Aufmerksamkeit [3]. Zurzeit wird Lutein noch überwiegend aus den Blüten der aufrechten Studentenblume Tagetes erecta, welche zur Familie der Asteraceae gehört, gewonnen [4]. Deren kommerzieller Anbau findet vor allem in Lateinamerika, Südafrika und Indien statt. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Forschungsarbeiten zur Gewinnung des Xanthophylls Lutein, in möglichst reiner Form, aus der Süßwassergrünalge Chlamydomonas asymmetrica. Es wird eine schonende und qualitätserhaltende Aufarbeitungsstrategie, ausgehend von der geernteten Frischmasse der Mikroalge, vorgestellt. Die Kultivierung erfolgt unter optimierten Bedingungen in Blasensäulen-Photobioreaktoren. Desweiteren wird aufgezeigt, dass der Einsatz einer fraktionierten, partiell Modifier-gestützten Hochdruckextraktion mit überkritischem Kohlendioxid nicht nur die Gewinnung einer Lutein-angereicherten Wertstofffraktion erlaubt, sondern einer weitere, vielversprechende Lipidfraktion erhalten wird. Die analytische Charakterisierung der Inhaltsstoffe wird von der Bestimmung der antioxidativen Eigenschaften der Extraktfraktionen flankiert. [1] F. Pagels, D. Salvaterra, H. M. Amaro und A. C. Guedes, „Pigments from microalgae,“ in Handbook of Microalgae-Based Processes and Products, E. Jacob-Lopes, M. Manzoni Maroneze, M. I. Queiroz und L. Queiroz Zepka, Hg., Elsevier, 2020, S. 465–492. [2] Y. Xie, X. Xiong, S. Chen, Challenges and potential in increasing lutein content in microalgae. Microorganisms, 2021, 9. Jg., Nr. 5, S. 1068. [3] J. D. Ribaya-Mercado und J. B. Blumberg, „Lutein and zeaxanthin and their potential roles in disease prevention,“ Journal of the American College of Nutrition, 2004, 23. Jg., Nr. 6, S. 567-587. [4] P. K. Kashyap, et al., An efficient process for the extraction of lutein and chemical characterization of other organic volatiles from marigold (Tagetes erecta L.) flower. Food Chemistry, 2022, 396. Jg., S. 133647.
Zusammenfassendes Animationsvideo zum Zeitschriftenbeitrag ‘Reinigung von lösemittelhaltiger Prozessabluft in Biorieselbettreaktoren (Purification of Solvent-Containing Exhaust Gas in Biotrickling Filters), in: Chemie Ingenieur Technik, doi.org/10.1002/cite.202100058
Automatisierte industrielle Prozesse und hohe Sicherheitsanforderungen erfordern auch unter erschwerten Bedingungen verlässliche Signale und Markierungen, die unter anderem mit reflektierenden Verbundfolien auf Kunststoffbasis geschaffen werden können. Bisher werden diese Hochleistungsfolien nach Verwendung teuer entsorgt und nicht wiederverwendet.Im Forschungsvorhaben soll ein umweltschonender Reinigungsprozess für gebrauchte Verbundfolien entwickelt werden, der eine mehrfache Verwendung dieser Folien erlaubt und somit dem Nachhaltigkeitsgedanken und der Ressourcenschonung gerecht wird. Die Herausforderung liegt in einer schonenden, qualitätserhaltenden mechanischen Reinigung, bei der sowohl umweltschonende Reinigungslösungen zum Einsatz kommen und der Verbrauch an Frischwasser weitestgehend durch eine Kreislaufführung des Waschwassers eingeschränkt wird. Zudem müssen Messsysteme installiert und geprüft werden, mit denen eine Charakterisierung der Verbundfolien entsprechend der gegebenen DIN-Normen möglich ist. Die Entwicklung des gesamten Reinigungsverfahrens schließt sich daran an.
Abbau von Mikroplastik durch ein innovatives biologisches Verfahren (2025) Vortrag beim Forum Mikroverunreinigungen (Umweltcluster Bayern) in Augsburg am 07.05.2025 .
Markus Mostegel,
Christian Männl,
Sabine Grüner
Forschungsprojekt PlasticWorms - Kann Mikroplastik biologisch abgebaut werden? (2025) Vortrag bei der 53. Lehrerbesprechung der Kanal- und Kläranlagen-Nachbarschaften in Landshut .
Effect of pulsed electric fields on protein extraction of duckweed (L. minor and L. gibba) (2024) Oral presentation, 5th World Congress on Electroporation and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine, and Food & Environmental Technologies, 15-19 September 2024, Rome .
Markus Mostegel,
Sabine Grüner
Forschungsprojekt PlasticWorms – Biologischer Abbau von Mikroplastik aus kommunalem Abwasser (2024) Vortrag bei der Gemeinderatssitzung in Petershausen am 27.06.2024 .
J. Voigt,
Sabine Grüner,
Andreas Kilzer,
K. Sommer
Entwicklung eines neuen Verfahrens für den Abbau von Spurenstoffen mit hohen Abbauraten und Abbaugraden bis zu 95 Prozent bei gleichzeitig reduzierten Investitions-, Energie- und Betriebskosten …
Ziel ist die nachhaltige und ressourcenschonende Gewinnung von regionalen Texturaten, bestehend aus Proteinen, Hydrokolloiden sowie Fasern aus pflanzlichen Rohstoffen mit Hilfe innovativer und …
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