Das Projekt "Direkte Beobachtung von Elementarprozessen bei der heterogenen Eis- Nukleation durch nichtlineare optische Spektroskopie: Die Rolle von Hydroxyl-Gruppen an den Oberflächen von mineralischen Aerosolpartikeln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Atmosphärische Aerosolforschung durchgeführt. Wolken beeinflussen den Energiehaushalt durch Streuung des Sonnenlichts und Absorption der Wärmestrahlung der Erde und gelten daher als wichtiger Faktor im Klimasystem. Die Untersuchung von atmosphärischen Prozessen im Allgemeinen und der Eisnukleation im Besonderen ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der mit Wolkenbildung, Niederschlagsentwicklung und Wechselwirkung mit der Strahlung zusammenhängenden Mechanismen. Mineralstaub, der den größten Teil der atmosphärischen Aerosole ausmacht, kann bei geringen Sättigungen und Temperaturen, die über dem homogenen Gefrierpunkt liegen, Eisbildung initiieren und auf diese Weise die Wolkendynamik und auch die Mikrophysik sowie die Eigenschaften der Wolken beeinflussen. Trotz zahlreicher Untersuchungen zum Einfluss von Partikelgröße und Oberflächeneigenschaften von Eiskeimen wissen wir über die heterogene Eisnukleation auf molekularer Ebene immer noch sehr wenig. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Projektverlängerungsantrags ist die Untersuchung der Bedeutung von OH-Gruppen an den Oberflächen mineralischer Aerosolpartikel in heterogenen Eisnukleationsprozessen mit Hilfe der nichtlinearen optischen (NLO-)Spektroskopie und insbesondere der Summenfrequenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen. Im DFG-Projekt AB 604/1-1 wurde bereits der Grundstein für das neue Forschungsfeld (Atmosphärische Oberflächenwissenschaft) am IMK-AAF des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelegt. Das Projekt hat deutlich gezeigt, dass sich die NLO-Spektroskopie für die Untersuchung von heterogenen Eisnukleationsprozessen auf molekularer Ebene eignet. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projekts sollen daher im Wesentlichen Wasser und Hydroxylgruppen an den Oberflächen zweier atmosphärisch relevanter Mineraloxide mit unterschiedlichem Eisnukleationsvermögen (Feldspat und Quarz) während des heterogenen Gefrierens untersucht werden. Mit Hilfe der Summenfrequenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen sollen die Grenzflächenwasser (flüssig und Eis) auf mineralischen Oberflächen analysiert sowie der Einfluss der OH-Gruppen an der Oberfläche auf den heterogenen Gefrierprozess bestimmt werden. Die hier geplanten Untersuchungen werden als Grundlage für eine deterministische Beschreibung des Prozesses des heterogenen Gefrierens an atmosphärischen Aerosolpartikeln mineralischen Ursprungs dienen. Solche Studien sind für unser Verständnis der atmosphärischen Prozesse und somit auch des Klimasystems von großer Bedeutung und darüber hinaus auch im Hinblick auf die lokale Wettermodifikation (z.B. Wolkenimpfung, Hagelabwehr) und die Klimaschutzpolitik von besonderem Interesse.
Das Projekt "Untersuchung der Photochemie von Sauerstoffspezies in der Mesopausenregion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Greifswald, Institut für Physik durchgeführt. Atomarer Sauerstoff (O) ist eine der Hauptkomponenten der Mesopausenregion der terrestrischen Atmosphäre. Er spielt für die Energiebilanz der Mesopausenregion eine entscheidende Rolle, da er aufgrund seiner langen Lebensdauer chemische potentielle Energie über große Distanzen transportieren kann und indirekt an der Strahlungskühlung dieser Höhenregion beteiligt ist. Darüber hinaus steht er in direktem Zusammenhang mit Ozon, was wiederum für die diabatische solare Heizung von großer Bedeutung ist. Die Zahl der O Messungen in der Mesopausenregion ist ziemlich begrenzt, insbesondere was Zeitserien über Zeiträume von mehr als einigen Jahren betrifft. Die üblicherweise verwendeten Methoden zur Messung von O in der Mesopausenregion basieren auf Airglow-Emissionen der Spezies O, O2 und OH und erfordern die Kenntnis zahlreicher chemischer Ratenkonstanten. Bisherige Studien zeigen klare Hinweise darauf, dass die existierenden Modelle zur Beschreibung der O2 A-Banden-Emission, der grünen Sauerstofflinie und der OH* Meinel-Emissionen nicht konsistent sind, und O Konzentrationsprofile liefern, die sich signifikant unterscheiden. Im Rahmen dieses Projektes soll die Konsistenz der existierenden photochemischen Modelle für die drei genannten Airglow-Emissionen untersucht werden und unter Verwendung von simultanen Satellitenmessunen aller drei Emissionen, sowie dedizierter Modellrechnungen die Übereinstimmung der Modelle verbessert werden. Bei den Messungen handelt es sich um Nightglow Messungen des SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHArtographY) Instruments, das von 2002 - 2012 auf dem Umweltforschungssatelliten Envisat operierte. SCIAMACHY bietet aufgrund seines breiten Spektralbereichs die einmalige Möglichkeit alle für dieses Projekt relevanten Airglow Emissionen gleichzeitig und spektral aufgelöst zu messen. Die geplanten Modellrechnungen sollen mit einer etablierten Suite an photochemischen und globalen Modellen durchgeführt werden. Mittels eines Inversionsverfahrens sollen photochemische Modellparameter derart optimiert werden, dass die Differenzen zwischen Modellergebnissen und SCIAMACHY Messungen für alle relevanten Emissionen simultan minimiert werden. Darüber hinaus soll im Rahmen des Projekts die räumliche und zeitliche Variabilität von O in der Mesopausenregion charakterisiert werden, insbesondere hinsichtlich solarere Einflüsse und möglicher Langzeittrends über den Zeitraum von 2002 - 2012. Es ist außerdem geplant, die existierende - und bekannte Weise unzureichendem - klimatologischen Modelle (z.B. MSIS) von O in der Mesopausenregion zu verbessern. Die Antragsteller sind anerkannte Experten auf Ihren jeweiligen Hauptarbeitsgebieten und besitzen langjährige Erfahrung im Bereich der Satellitenfernerkundung mittels Airglow-Emissionen, beziehungsweise der atmosphärischen Modellierung.
Das Projekt "Vorhaben: Gasdirekteinblasung bei Schiffsmotoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen - Motorenlabor durchgeführt. In dem Teilprojekt MethMare-LVK soll ein CFD-Simulationsmodell für direkteindüsende Brennverfahren mit EEL-Methan und EE-Methanol entwickelt werden, das auch die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß, CH4) zuverlässig abbildet. Dazu werden die Brennverfahren am optisch zugänglichen Großmotor des LVK zunächst mit geeigneten optischen Messtechniken (OH*-Chemilumineszenz, 2-Farb-Pyrometrie) hinsichtlich Zündung, Ort der Wärmefreisetzung, lokaler Flammentemperatur und Rußkonzentration untersucht. Das unter anderem auf Basis dieser optischen Messdaten entwickelte CFD-Simulationsmodell soll anschließend dazu dienen, die direkteindüsenden Brennverfahren für verschiedene EE-Kraftstoffe gezielt in Richtung niedrigster Schadstoffemissionen und hoher Wirkungsgrade weiterzuentwickeln.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Synthese Lignin-basierter Polyether und Polyester als Bindemittel für Offset-Druckfarben" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Holzforschung - Wilhelm-Klauditz-Institut durchgeführt. Im Rahmen dieses Teilprojektes werden neuartige Lignin-basierte Polyether und Polyester entwickelt, die als Kolophonium-freie Bindemittelkomponente für Rollenoffset-Druckfarben verwendet werden sollen. Dabei wird ein Fokus auf die Modifikation von technisch verfügbarem Kraft-Lignin und Soda-Lignin gelegt, welches kommerziell in großen Mengen verfügbar ist und derzeit nur thermisch genutzt wird. Das Fraunhofer WKI wird sich während des Projekts auf die Synthese Lignin-basierter Polyether und Polyester konzentrieren, wobei der Schwerpunkt auf den Polyethersynthesen liegen wird. Für die Lignin-basierten Polyether ist vorgesehen die OH-Gruppen des Lignins entweder mit Polyglykolethern oder mit Glycidylestern der Kochsäuren umzusetzen. Durch diese beiden Synthesewege können so Lignin-basierte Polyether mit einer unterschiedlichen Hydrophobie synthetisiert werden und so auf die Bindemittelanforderung des Rollenoffset-Drucks eingestellt werden. Bei den Lignin-basierten Polyestern wird das Lignin mit Diolen und Disäuren umgesetzt, um so die OH-Gruppen zu verestern. In Absprache mit Worlée Chemie wird das Fraunhofer WKI den Schwerpunkt auf zähe Polyester legen. Dabei sollen vor allem bio-basierte Komponenten verwendet werden. Hier kommen unter anderem 1,3-Propandiol, Glycerin, Bernsteinsäure und Isosorbid in Frage. So können Bindemittel mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen synthetisiert werden. Des Weiteren wird das Fraunhofer WKI zusammen mit den Projektpartnern eine gründliche Studie der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen durchführen, um so die Materialeigenschaften der Polyester an den Rollenoffset-Druck anpassen zu können.
Das Projekt "Verbesserte Strategien zur biotechnologischen Herstellung maßgeschneiderter zuckerbasierter Biotenside (SurfGlyco) - Teilvorhaben 2: Enzymatische Glycolipid-Synthesen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik, Bereich II: Technische Biologie durchgeführt. In SurfGlyco sollen enzymatische Glykolipidsynthesen in ungewöhnlichen Reaktionsmedien wie stark eutektischen Lösungsmittel (DES) durchgeführt werden. Neben der Erzeugung von Esterbindungen zwischen den Zucker- und Fettsäurebausteinen mit Esterasen und Lipasen soll versucht werden, mit Etherasen und Glykosidasen auch Glykolipide mit Etherbindungen zu synthetisieren, wie sie in natürlich vorkommenden mikrobiellen Tensiden zu finden sind, was im Erfolgsfall gegenüber Zuckerestern zu chemisch wesentlich stabileren Produkten führen würde. Ein Screening auf Enzyme aus der Klasse der Lipase/Esterasen sowie der Glykosidasen/Etherasen, die zur Synthese von Glykolipiden in DES geeignet sind, soll in kommerziell erhältlichen Enzymbanken erfolgen. Für die enzymatischen Synthesen sollen unterschiedliche DES-Systeme getestet und solche mit maßgeschneiderten Eigenschaften ausgewählt werden, wozu z.B. der Erhalt der Enzymaktivität (vor allem bei Glycosidasen), Enzymstabilität und die Löslichkeit sowohl der hydrophilen als auch der hydrophoben Substrate gehören. Als Substrate sollen verschiedene Mono-, Di- und Oligosaccharide in Kombination mit kurz-, mittel- und langkettigen Acylverbindungen eingesetzt werden einschließlich solcher mit Hydroxylgruppen, wie sie in natürlich vorkommenden mikrobiellen Biotensiden vorkommen. Ein wichtiger Schwerpunkt wird parallel dazu liegen auf der Aufarbeitung der synthetisierten Produkte aus den DES, da dazu bisher kaum Literaturdaten existieren. Im Labormaßstab produzierte neuartige Glykolipide sollen nach Isolierung und Aufreinigung den Projektpartnern zur Charakterisierung und für Anwendungsuntersuchungen zur Verfügung gestellt werden. Für ein späteres wirtschaftliches Verfahren wird von großem Interesse sein, die am besten geeigneten Enzyme zu immobilisieren und wiederzuverwenden zu können. Auch diesbezüglich gibt es bisher noch keine Literaturdaten zur Verwendung in DES.
Das Projekt "Teilprojekt C" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, Institutsteil Straubing, Bio-, Elektro- und Chemokatalyse durchgeführt. Innerhalb des Projektes OMCBP wird die Fraunhofer Projektgruppe BioCat neue Elisabethatriene spezifische P45o Monooxygenasen zur Verfügung stellen. Dazu werden in enger Zusammenarbeit mit den anderen Partnern aus Elisabethatriene synthetisierenden Pflanzen, über deren cDNA, die dort vorhandenen Elisabethatriene modifizierenden P45o Enzyme analysiert und geeignete Kandidaten-Enzyme in bakteriellen Systemen exprimiert. Gleichzeitig werden bereits bei der Projektgruppe vorhanden P45o Bibliotheken nach Enzymen mit einer entsprechenden Aktivität durchmustert. Die besten Kandidaten aus den beiden Ansätzen werden dann als Ausgangspunkt für ein Enzym Engineering genutzt um verschiedene Positionen des Elisabethatriene Grundgerüstes gezielt hydroxylieren zu können.
Das Projekt "Modelluntersuchungen von vibrationell angeregten Hydroxyl-Molekülen und Luftglühen unter Einwirkung von Ionisationsereignissen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Institut für Umweltphysik durchgeführt. Die Emissionen vibrationell angeregter Hydroxyl-Moleküle (OH*) enthalten wichtige Informationen über chemische und dynamische Prozesse in der irdischen Mesosphäre. Die Untersuchung von OH* während sporadischer Ionisationsereignisse stellt eine interessant Möglichkeit dar, unser Verständnis dieser chemischen und dynamischen Prozesse zu überprüfen. Bisher sind die beobachteten Störungen der OH*- Emissionen durch Ionisationsereignisse jedoch kaum verstanden. Solare Teilchenereignisse bewirken ausgeprägte Veränderungen der OH*-Emissionen, die bisher noch nicht von Modellen widergegeben werden konnten. Des Weiteren sind die beobachteten starken OH*-Emissionen während elektrischer Entladungen oberhalb von Gewitterwolken deutlich stärker als die Vorhersagen plasmachemischer Modelle. Das Ziel dieses Projektes ist, die Auswirkungen von Ionisationsvorgängen in der Mesosphäre auf OH* zu untersuchen. Zu diesem Zweck sollen bestehende Ionen- und Plasmachemie Modelle ausgebaut werden, um die chemischen Prozesse eingehend untersuchen zu können. Insbesondere soll die vorgeschlagene Bildung von OH* durch vibrationell angeregte Stickstoffmoleküle betrachtet werden. Außerdem sollen die möglichen Auswirkungen von Temperaturerhöhungen als Folge der Ionisationsvorgänge untersucht werden. Die Modellergebnisse sollen mit Satellitenbeobachtungen von OH*-Emissionen verglichen werden.
Das Projekt "Rolle der mittleren Atmosphäre bezogen auf das Klima (ROMIC): Variabilität der OH Emissionshöhe und Satellitenmessungen der Mesopausentemperatur im vergangenen Sonnenzyklus (OHCycle)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Greifswald, Institut für Physik durchgeführt. Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben verfolgt zwei Hauptziele: Zum einen soll mit Hilfe von SCIAMACHY Satellitenmessungen die räumliche und zeitliche Variabilität der OH Emissionshöhe charakterisiert werden. Dies ist für die Interpretation von Bodenmessungen der Mesopausentemperatur von großer Bedeutung. Das zweite Hauptziel besteht in der Untersuchung von Langzeit- und Sonnenzyklusvariationen der Mesopausentemperatur unter Verwendung der verfügbaren Satellitenmessungen (mittels SCIAMACHY, MLS und SABER). Schwerpunkte dieses Ziels sind Vergleiche der Satellitenmessungen, Zusammenführung der Datensätze und eine quantitative Untersuchung insbesondere der sonnengetriebenen 27-Tage-Variabilität der Mesopausentemperaturen. Hier besteht großer Forschungsbedarf. Die Variabilität der OH Emissionshöhe wird mit Hilfe von SCIAMACHY Nightglow-Messungen untersucht. SCIAMACHY erlaubt die Untersuchung einzelner OH Vibrations-Rotationsbanden, insbesondere der am häufigsten verwendeten Banden OH(3-1) und OH(6-2). Mittels eines Inversionsverfahrens werden aus den SCIAMACHY Messungen vertikale Emissionsratenprofile abgeleitet. Mit Hilfe einer Regressionsmethode werden saisonale, QBO-, Sonnenzyklus- und Langzeitvariationen der OH Emissionshöhe bestimmt. Für das zweite Hauptziel stehen Mesopausentemperaturmessungen der Instrumente SCIAMACHY, SABER und MLS zur Verfügung. Die Datensätze werden mittels Regressions-, Korrelations- und der superposed epoch Methode analysiert.
Das Projekt "Oberflächenaktive Kombinationsprodukte aus epoxidierten Fettderivaten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Wuppertal, Fachbereich C, Lehrstuhl Kommunikation und Management chemischer Prozesse in der Industrie durchgeführt. Neuartige oberflächenaktiven Kombinationsprodukten aus epoxidierten Fettderivaten, natürlichen Hydroxycarbonsäuren und Polyolen werden in einer Art 'Baukastensystem' weiter umgesetzt, die entstandenen Additionsprodukte physikochemisch als auch anwendungstechnisch in Bezug auf den Einsatz als Tenside und Emulgatoren in der Reinigungs- und kosmetischen Industrie untersucht. Im Idealfall sind die Zielverbindungen ohne Lösungsmitteleinsatz in nur einem Reaktionsschritt zugänglich (green chemistry), bestehen vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen und sind zudem biologisch abbaubar. Als Rohstoffquellen sollen bevorzugt ölsäurebasierende Systeme eingesetzt werden. Folgende Arbeitspakete sind definiert: Herstellung von Additionsprodukten unterschiedlicher Molekulargewichte auf Basis unterschiedlicher polarer (Hydroxycarbonsäuren, Polyole) sowie lipophiler Komponenten (Fettsäuren, Fettsäureester, Triglyceride). Aufbau eines ökologisch und ökonomisch geeigneten Syntheseprozesses, Untersuchung des Syntheseprozesses beim scale up und Entwurf eines Prozess-Designs zur Herstellung der oben genannten Tenside und Emulgatoren. Die Additionsprodukte sollen analytisch und physikochemisch charakterisiert und auf die Anwendung als Tenside und Emulgatoren untersucht werden. Auf Basis der Struktur-Wirkungsbeziehungen sollen gezielte Produkte durch Modifikation der Lipidfragmente und der polaren Komponente dargestellt werden.
Das Projekt "BioIndustrie2021 - CLIB 2021: BISON - Biotechnologische Synthese von Carboxyaminen und Carboxyalkoholen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan, Forschungsdepartment Biowissenschaftliche Grundlagen, Lehrstuhl für Biologische Chemie durchgeführt. Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines technisch umsetzbaren biotechnologischen Prozesses zur Synthese von omega-Carboxyalkoholen und omega-Carboxyaminen, insbesondere von omega-Aminolaurinsäure aus dem allgemein verfügbaren Laurinsäuremethylester. Eine wesentliche Rolle für die regiospezifische Funktionalisierung eines Alkans bzw. einer Carbonsäure spielen hier zwei Enzyme: eine Monoxygenase und eine Transaminase. Für diese beiden Reaktionsschritte zuvor identifizierte Biokatalysatoren mit initialer Substraterkennung (z.B. AlkBGT und pQR800) sollen mit gentechnischen Methoden dargestellt sowie biochemisch und strukturell charakterisiert werden. Zudem soll durch Protein-Engineering eine Optimierung hinsichtlich der industriell relevanten Substrate vorgenommen und eine gekoppelte Reaktionskette in vitro etabliert werden. Pilze insbesondere der Gattung Candida besitzen bereits die Fähigkeit, mit Hilfe sehr effizienter Cytochrom-P450-Monoxygenasen über die so genannte omega-Oxidation aus Fettsäuren alpha,omega-Dicarbonsäuren herzustellen, aus denen omega-Aminocarbonsäuren leicht zugänglich sind. Daher sollen die relevanten Enzyme rekombinant hergestellt, charakterisiert und zur biotechnologischen Produktion von hydroxylierten Fettsäuren eingesetzt werden.
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