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Biologischer Abbau technisch relevanter Polymere und synthetischer Polymere

Polymere stellen eine sehr umfangreiche Gruppe chemischer Verbindungen dar, die verschiedenen Stoffklassen angehoeren. Sie kommen in aussergewoehnlich grossen Mengen in unserer Biosphaere vor. Es handelt sich dabei um Substanzen, die aus solchen Molekuelen aufgebaut sind, in denen eine Art oder mehrere Arten von Atomen oder Atomgruppierungen wiederholt aneinandergereiht sind. Polymere sind auch Hauptbestandteil der Kunststoffe. Hierbei handelt es sich um Materialien, deren wesentliche Bestandteile aus makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, die synthetisch oder durch Abwandeln von Naturprodukten oder durch biotechnologische Produktion entstehen. Der Abbau von Polymeren in Kunststoffen sowie von natuerlichen und synthetischen Kautschuken durch Bakterien und Pilze ist auf biochemischer und molekularer Ebene bisher wenig erforscht worden. Ein Verstaendnis der ablaufenden Vorgaenge koennte dazu beitragen, biotechnologische Verfahren zu entwickeln, solche polymeren Werkstoffe und Verpackungsmaterialien zu entsorgen oder in wiederverwertbare Substanzen zu ueberfuehren. Fuer wasserloesliche, technisch relevante Polymere ist die Kenntnis und ein Verstaendnis des Abbaus besonders wichtig, weil diese meist nicht rezyklisiert oder deponiert werden koennen. Darueber hinaus tragen Kenntnisse ueber die biologischen Abbaumechanismen dazu bei, polymere Materialien zu entwickeln, die gegenueber einem Abbau inert sind und die fuer besonders langlebige Anwendungen geeignet sind. Die am Abbau von aus Biosynthesen hervorgegangenen Polyamide, Poly(aepfelsaeure) und Naturkautschuk beteiligten Proteine sollen charakterisiert und deren Strukturgene kloniert werden. Daneben zielen Untersuchungen auch auf die Aufklaerung des mikrobiellen Abbaus synthetischer Polymere wie zB Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol oder Polyacrylsaeure sowie synthetischer Kautschuk ab.

Biologischer Abbau wasserloeslicher Polymere

Chemosynthetische wasserloesliche Polymere finden eine weite industrielle Anwendung. Da es keine Moeglichkeiten zum Sammeln, zum Rezyklisieren oder zum Verbrennen dieser Polymere gibt, kommt der biologischen Abbaubarkeit eine erhoehte Bedeutung zu. Ziel dieser Arbeit ist es, Mikroorganismen zu isolieren, die in der Lage sind, wasserloesliche Polymere abzubauen und als Kohlenstoffquelle zu verwenden, und die Abbaumechanismen aufzuklaeren. Dies soll zunaechst an Polymeren, wie Polyethylenglycol, Polyvinylalkohol und Polyacrylsaeure geschehen.

Biogeochemical interface formation in soils as controlled by different components

We consider clay minerals, iron oxides and charcoal as major components controlling the formation of interfaces relevant for sorption of organic chemicals, as they control the assemblage of organic matter and mineral particles. We studied the formation of interfaces in batch incubation experiments with inoculated artificial soils consisting of model compounds (clay minerals, iron oxide, char) and natural soil samples. Results show a relevant contribution of both iron oxides and clay minerals to the formation of organic matter as sorptive interfaces for hydrophobic compounds. Thus, we intend to focus our work in the second phase on the characterization of the interface as formed by organic matter associated with clay minerals and iron oxides. The interfaces will be characterized by the BET-N2 and ethylene glycol monoethyl ether (EGME) methods and 129Xe and 13C NMR spectroscopy for determination of specific surface area, sorptive domains in the organic matter and microporosity. A major step forward is expected by the analysis of the composition of the interface at different resolution by reflected-light microscopy (mm scale), SEM (scanning electron microscopy, micrometer scale) and secondary ion mass spectrometry at the nanometer scale (nanoSIMS). The outcomes obtained in combination with findings from cooperation partners will help to unravel the contribution of different types of soil components on the formation and characteristics of the biogeochemical interfaces and their effect on organic chemical sorption.

Oxaphil

Simultane Rückgewinnung von Monomeren und werthaltigen Zuschlagsstoffen aus dem Recycling von Polyestertextilien (SiWerTEX)

Elektroenzymatische Synthese von Glykolaldehyd aus biobasiertem Ethylenglykol zur Herstellung von formaldehydfreien Aminoharzen und Duromeren

Die neue Bewertung der toxikologischen Eigenschaften von Formaldehyd hat in der jüngsten Vergangenheit einen intensiven Impuls zur Substitution dieser Substanz, insbesondere im Bereich der Formaldehyd-basierten Harze wie beispielsweise PF- und Melaminharze, generiert. Das Ziel von 'HarzForFree' ist es nun, eine neue Syntheseroute für Glykolaldehyd zur Substitution von Formaldehyd zu entwickeln, bei der die Kopplung von Biokatalyse mit der Elektrochemie einen effizienteren Stoffwandlungsprozess ermöglichen soll.

Innovationsraum: CtC - Kohlenhydrathaltige Abfälle zu Chemikalien

ERA CoBioTech Call 2: MIPLACE - Integration von Plastik in die zirkuläre Bioökonomie mit Hilfe von Mikroorganismen

ANTIPARAM: Antifoulingkonzepte für Mehrparameter-Analysenmess- und Wasserentkeimungssysteme, ANTIPARAM: Antifoulingkonzepte für Mehrparameter-Analysenmess- und Wasserentkeimungssysteme

Ziele des Teilvorhabens sind die Synthese und Materialentwicklung von Spezialpolymeren für die Herstellung von ultradünnen transparenten Hydrogelfilmen für die Antifouling-Beschichtung optischer Sensoroberflächen und UV-Lampen zur Brauchwasserbehandlung. Im Projekt sollen Kombinatiosschichtsysteme aus hydrophilen und zwitterionischen Polymeren zur kovalenten Anbindung an Bauteile und Sensoren für die Trink- und Brauchwasseraufbereitung sowie für das Gewässermonitoring erzeugt und optimiert werden. Als Materialien für Antifoulingbeschichtungen von Sensoren und UV-Lampen sollen zwei Polymerklassen im Projekt untersucht werden, Polyethylenglykole (PEG) und Poly(2-oxazoline) (POx). Um die Eigenschaften der PEG- bzw. POx-Beschichtungen weiter zu verbessern, sollen im Projekt chemisch modifizierte PEGs bzw. POxs hergestellt werden. Dabei werden neben der Variation der Molmasse gezielt Start-, Seiten- und Endgruppen eingeführt, welche einerseits eine bessere Anbindung an die jeweilige Substratoberfläche und andererseits die Möglichkeit einer zusätzlichen Modifizierung der Schichten (z.B. mit Tetraetherlipiden oder für die Einführung von zwitterionischen Gruppen) gewährleisten. Zusätzlich können bei Bedarf Co-Monomere mit vernetzbaren Seitengruppen eingeführt, wodurch die mechanische Stabilität der Hydrogelfilme gesteuert werden kann.

ANTIPARAM: Antifoulingkonzepte für Mehrparameter-Analysenmess- und Wasserentkeimungssysteme, ANTIPARAM: Antifoulingkonzepte für Mehrparameter-Analysenmess- und Wasserentkeimungssysteme

Als GESAMTZIEL fokussiert das geplante Projekt auf die Entwicklung einer nicht-toxischen funktionalen Beschichtung von Komponenten und Baugruppen für das Gewässermonitoring in der Trink- bzw. Brauchwasseraufbereitung. Im Einzelnen sollen anti-adhäsive Schichtsysteme auf Glas- und Stahlwerkstoffen etabliert werden. Diese Substrate (planar und gekrümmt) sollen im Projekt mit einer effektiven Antifoulingbeschichtung funktionalisiert werden, die erstmals definiert polyhydrophile Funktionspolymere (PEG, POx) mit polyzwitterionischen Funktionspolymeren (Betaine) kombiniert (Kombinationsschichtsystem). Für die Substratkopplung bzw. Interkalierung wird hierbei eine membrananaloge Immobilisierungsmatrix auf der Basis von Tetraetherlipiden eingesetzt. Folgende Zielparameter sollen durch das o.g. Kombinationsschichtsystem erreicht werden: - Verminderung der Biofilmbildung um 70% - UV-Transparenz: min. 70% im Wellenlängenbereich von 185 - 280 nm - Thermowechselstabilität: 5 - 50 °C - Mechanisch stabil gegenüber Sandfrachten (Anströmgeschwindigkeit: 2 m/s und Partikelfracht: 150 mg/L) Die Arbeiten sind zu Arbeitspaketen zusammengefasst und orientieren sich am Verbundantrag: - Erstellung Pflichtenheft - Definition Anforderungsprofil - Bereitstellung von Substraten zu Beschichtungs- und Testzwecken - Biofunktionalität, biologische Testung von Schichten, Biofilmen - Applikationstests und Feldversuche - Stabilitätsuntersuchungen in Demonstratoren für Durchflussmesssysteme und Mesokosmen im Gewässermonitoring - Aufbau und Betrieb eines Demonstrationssystems - Systemintegration beschichteter Komponenten und Praxiserprobung - Konzeption gerätetechn. Anlagen - Aufbau eines Mess- und Analysesystems zum Feldtest der Beschichtungen - Verifizierung und Validierung der Ergebnisse - Ergebnisbewertung, Projektmanagement.

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