Das Projekt "Teilvorhaben 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Obwohl inzwischen ein großer Anteil an Werkstoffen als Recycling-fähige Variante verfügbar ist, wurde deren Fügung meist nicht berücksichtigt. Somit ist das fertige Produkt oft ein Hybrid aus rezyklierbaren petrochemischen Materialien und Klebemitteln, die diese Verbinden. Daraus ergibt sich in dem angestrebten Projekt das Ziel, einen Klebstoff auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln. Zur Erreichung der notwendigen Haftfähigkeit ist die Kombination der strukturellen Vorteile von Lignin und einer Nachahmung biologischer Haftkräfte vorgesehen. So soll ein neuer biomimetischer Klebstoff entwickelt werden, der zum größten Teil aus Pflanzenresten besteht. Ein besonderer Vorteil des neuen Materials wäre dessen biologische Abbaubarkeit. Trotz der prinzipiellen Einsatzbarkeit von Lignin als Klebstoff kann das Material zurzeit nicht mit petrochemischen Derivaten konkurrieren. Dies ist insbesondere in einer geringen Haftung an glatten Oberflächen begründet. Aus diesem Grund ist eine Kombination der Ligninstruktur mit der primären Komponente von Muschelklebern, dem 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA), vorgesehen. DOPA zeigt sehr guten Hafteigenschaften. Durch die Kombination beider Stoffklassen können zwei leistungsfähige natürliche Bindungsmittel genutzt werden, um einen neuen, biologisch abbaubaren Klebstoff zu erschaffen. Es wird zunächst eine biokatalytische Kopplung des DOPA mit Lignin unter Einsatz von Laccasen verfolgt. Dies beinhaltet die Identifizierung geeigneter Laccasen, sowie Untersuchungen von Mediatoren in Bezug auf ihr Redoxpotential und Diffusivität. Ferner sind detaillierte Studien zum Reaktionsverlauf der Bindung und eine analytische Erfassung der gebildeten Produkte vorgesehen. Neben der Entwicklung des Klebstoffs muss auch eine auf die Verbundmaterialien abgestimmte Oberflächenvorbehandlung entwickelt werden, die eine optimale Haftung des Klebstoffes. Dies wird im Rahmen von Untersuchungen zu Materialvorbehandlungen und Fügefestigkeiten erreicht.
Das Projekt "Einfluss von Laccase Produktion durch Pilze und Mykorrhizen auf die Bildung und Stabilität organischer Substanzen in land- und forstwirtschaftlichen Böden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Bodenökologie durchgeführt.
Das Projekt "Teilvorhaben 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Tübingen, Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut durchgeführt. Obwohl inzwischen ein großer Anteil an Werkstoffen als Recyclingfähige Variante verfügbar ist, wurde deren Fügung meist nicht berücksichtigt. Somit ist das fertige Produkt oft ein Hybrid aus rezyklierbaren petrochemischen Materialien und Klebemitteln, die diese Verbinden. Daraus ergibt sich in dem angestrebten Projekt das Ziel, einen Klebstoff auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln. Zur Erreichung der notwendigen Haftfähigkeit ist die Kombination der strukturellen Vorteile von Lignin und einer Nachahmung biologischer Haftkräfte vorgesehen. So soll ein neuer biomimetischer Klebstoff entwickelt werden, der zum größten Teil aus Pflanzenresten besteht. Ein besonderer Vorteil des neuen Materials wäre dessen biologische Abbaubarkeit. Trotz der prinzipiellen Einsatzbarkeit von Lignin als Klebstoff kann das Material zurzeit nicht mit petrochemischen Derivaten konkurrieren. Dies ist insbesondere in einer geringen Haftung an glatten Oberflächen begründet. Aus diesem Grund ist eine Kombination der Ligninstruktur mit der primären Komponente von Muschelklebern, dem 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA), vorgesehen. DOPA zeigt sehr gute Hafteigenschaften. Durch die Kombination beider Stoffklassen können zwei leistungsfähige natürliche Bindungsmittel genutzt werden, um einen neuen, biologisch abbaubaren Klebstoff zu erschaffen. Es wird zunächst eine biokatalytische Kopplung des DOPA mit Lignin unter Einsatz von Laccasen verfolgt. Dies beinhaltet die Identifizierung geeigneter Laccasen, sowie Untersuchungen von Mediatoren in Bezug auf ihr Redoxpotential und Diffusivität. Ferner sind detaillierte Studien zum Reaktionsverlauf der Bindung und eine analytische Erfassung der gebildeten Produkte vorgesehen. Neben der Entwicklung des Klebstoffs muss auch eine auf die Verbundmaterialien abgestimmte Oberflächenvorbehandlung entwickelt werden, die eine optimale Haftung des Klebstoffes auf den Materialien gewährleistet. Dies wird im Rahmen von Untersuchungen zu Materialvorbehandlungen und Fügefestigkeiten bei technisch relevanten Materialien erreicht.
Das Projekt "IBÖM02: XenoKat: Entwicklung eines biokatalytisch arbeitenden Biofilters auf Basis zellularer metallischer Werkstoffe für den gezielten Abbau von Xenobiotika" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Xenobiotika werden durch den Menschen in die Stoffkreisläufe der Natur eingebracht und nehmen dort undefiniert Einfluss; es sind regelrechte anthropogene Fußabdrücke, bestehend aus Schmerzmitteln, Antibiotika, Hormonen und anderen Chemikalien. Die bestehenden Wasser- und Abwasserreinigungsanlagen sind derzeit nicht in der Lage diese Frachten vollständig zu eliminieren, sodass diese in die Umwelt gelangen und dort undefiniert Einfluss nehmen können. Untersuchungen an Fischen, Lurchen und Wasserorganismen belegen die Schädigung der Wasserorganismen. Xenobiotika werden auch bereits in den großen Wasserreservoirs der Erde detektiert, die Prognose für die nächsten Jahre zeigt eine 30% Steigerung der Emissionen auf. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll ein Filtersystem entwickelt werden, welches Xenobiotika aus belasteten Wässern entfernt. Das Projekt ordnet sich in die zukünftige notwendige vierte Abwasserreinigungsstufe von Kläranlagen ein, um die Ressource Wasser zu schützen. Die Produktidee nutzt immobilisierter Pilzenzyme als Biokatalysatoren. Das Biokat-Filtersystem soll modular aufgebaut, mehrfach regenerierbar und austauschbar gestaltet werden. Es besteht aus einem durchströmten Filtergehäuse und dem Filter- bzw. Trägermaterial, welches aus zellularen biofunktionalisierten metallischen oder keramischen Werkstoffen besteht. Die Materialauswahl und die immobilisierten Enzyme sind entscheidend für den Wirkungsgrad. Im Vordergrund stehen die Laccasen und Peroxidasen aus Basidiomyceten, sie können Xenobiotika insbesondere ringförmige (aromatische) organische Substanzen durch enzymatische Biokatalyse spalten und so leichter biologisch abbaubar machen. Im Rahmen einer ersten Sondierungsphase wurden die Mitstreiter für die Projektidee mit wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Fachkompetenz gefunden sowie erste Versuchspläne umgesetzt. Das interdisziplinäre Fachkonsortium besteht aus Biotechnologen, Werkstoffwissenschaftlern, Wasserwissenschaftlern sowie Wirtschaftsingenieuren aus der Praxis. Die positive Evaluierung durch das BMBF wurde erreicht, die Machbarkeitsphase beginnt im Mai 2017.
Das Projekt "Entwicklung und Erprobung von Holzwerkstoffen auf der Basis von Phenoloxidase und Peroxidase-katalysierten technischen Ligninen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Pfleiderer GmbH & Co. KG, Holzwerkstoffe durchgeführt. Ziel der Forschungsarbeiten ist konkret die Entwicklung eines sowohl technologisch einsetzbaren, als auch wirtschaftlich vertretbaren Bindemittels fuer Holzwerkstoffe auf rein natuerlicher Basis (Lignin-Enzym) und eines Verfahrens zur Verwendung desselben in den normalen Fertigungsanlagen der Spanplattenindustrie. Dabei ist das primaere Forschungsziel eindeutig die rein biologische Verleimung von Spanplatten ohne sonstige Bindemittelanteile, und in zweiter Linie erst - wenn sich dieses Ziel als zu hoch gesteckt erweisen sollte - die zumindest teilweise Substitution mit noch anteiliger Verwendung herkoemmlicher Bindemittel. Modellhaft interpretieren wir dabei unser System als einen biologischen 'Zweikomponentenkleber', entsprechend den in der Natur ablaufenden Lignin - Enzym - Reaktionen selbst: - die eine Komponente, der Binder, als das technische Lignin aus der Zellstoffabrikation - die zweite Komponente, der Haerter, bestehend aus den Enzymen Peroxidase oder Laccase, welche die notwendigen Radikale fuer die Polymerisation liefern.
Das Projekt "Entwicklung eines biokatalytisch arbeitenden Biofilters auf Basis zellularer metallischer Werkstoffe für den gezielten Abbau von Xenobiotika" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ASA Spezialenzyme GmbH durchgeführt. Xenobiotika insbesondere aus Arzneimittelrückständen stellen in der Natur ein kumulierendes Problem dar, sie werden stetig über die Kläranlagen in die Gewässer eingetragen. In Sedimenten und in Grundwässern sind sie in teils deutlich messbaren Konzentrationen nachweisbar. Die Auswirkungen auf die lebenden Organismen in den Gewässern sind bekannt, einige zeigen organische Veränderungen unter dem Einfluss bestimmter Xenobiotika. Die Aufgabe besteht nun diese Xenobiotika effizient und nachhaltig aus den Wässern zu entfernen. Erster vorbeugender Einsatzpunkt ist dabei der Kläranlagenablauf. Für dessen Reinigung sollen regenerierbare Filtersysteme entwickelt werden, die auf der Basis immobilisierter Enzyme aus Basidiomyceten arbeiten. Diese Enzyme spalten einen Teil der Xenobiotika, dadurch werden sie besser biologisch abbaubar. Das biochemische Verfahren ordnet sich in die Technologieentwicklung der vierten Reinigungsstufe von Kläranlagen ein. Zunächst werden die Laccasen ausgewählt, die die beste Umsetzung der ausgewählten Xenobiotika zeigen. Die Produktionsstämme der ausgewählten Enzyme werden auf ihre Enzymbildung untersucht und optimiert. Für die isolierten Stämme werden wirtschaftliche Produktionsverfahren entwickelt und die resultierenden Enzympräparate den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Daran anschließend wird das Enzymmodul zur Reinigung von Xenobiotika sowie ein Regenationsverfahren für das Trägermaterial entwickelt. Für das gesamte Verfahren inklusive des Immobilisierungsverfahrens wird ein Scale-up durchgeführt. Abschließend werden Feldversuche zur Reduzierung von Spurenschadstoffen in realen Abwässern sowie eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.
Das Projekt "Entwicklung der small laccase zur Anwendung in biokatalytischen Reaktionen und Oberflächenfunktionalisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Technische Biochemie durchgeführt. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) nimmt die Häufigkeit der durch oxidativen Stress bedingten chronischen oder nicht-übertragbaren Krankheiten (NCDs) zu. Nach Schätzungen sollen NCDs bis 2030 zu 75% aller Todesfälle beitragen. Aus diesen Gründen haben Antioxidantien in den letzten Jahren erhebliches Interesse gefunden. Synthetische Antioxidantien werden aufgrund potenzieller Gesundheitsrisiken nur unter strengen Auflagen verwendet. Der Mangel an natürlichen phenolischen Antioxidantien mit wünschenswerten Eigenschaften hat eine hohe Nachfrage an Nahrungsergänzungs-Antioxidantien hervorgerufen. Diese haben eine potenzielle Anwendung in der Gesundheitsindustrie zu Prävention und Therapie von Hautkrebs und möglicherweise auch anderer nichtinfektiöser Krankheiten, bei denen oxidativer Stress eine wichtige Rolle spielt. Das Vorhaben zielt darauf ab, das stabile Enzym small laccase (SLAC) durch gerichtete Evolution für potentielle Anwendungen in der Biokatalyse (Antioxidantien) und Oberflächenfunktionalisierung (hygienische Oberflächen bei Verpackungen) zu optimieren.
Das Projekt "Untersuchungen zum Laccase-Mediator-System" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Pflanzenchemie und Holzchemie, Lehrstuhl für Pflanzenchemie und Zellstofftechnik durchgeführt. Untersuchungen zum Mechanismus der enzymatischen Bleiche von Zellstoffen mittels Laccase und Mediator. Das Thema teilt sich dabei in 2 Schwerpunkte: enzymatische Bleiche und Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus anhand von Reaktionen mit Modellverbindungen. Desweiteren die Anwendung des Laccase-Mediator-Systems in der organischen Synthese.
Das Projekt "Teilvorhaben 3: Cellulose-abbauende Archaea" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH durchgeführt. Um den Aufschluss der Lignocellulose aus Getreidestroh kostengünstiger und effizienter zu machen sollen mikrobieller Enzyme wie Cellulasen, Hemicellulasen, Laccasen und Peroxidasen aus extremophilen Mikroorganismen (vorwiegend Archaea) isoliert werden. Die DSMZ besitzt weltweit die umfangreichste Sammlung extremophiler Mikroorganismen. Das Temperaturoptimum der Cellulaseenzyme dieser extremophilen Organismen liegt oft bei etwa 80 Grad C, was u.a. die Gefahr einer Kontamination mit anderen mesophilen Bakterien reduziert. Dadurch wird sich die Ausbeute an Zucker und damit in Folge auch die Bioethanolproduktion erhöhen. Um das Ziel zu erreichen, wird die DSMZ zunächst extremophile Organismen auf ihre cellulolytische Aktivitäten hin untersuchen und dem Verbundpartner SeqLab zur DNA-Sequenzierung zur Verfügung stellen. Außerdem wird die DSMZ SeqLab bei der Suche nach cellulolytischen Genen, die durch Metagenomanalyse von Umweltproben erhalten wurden, mit ihrer Bioinformatik unterstützen. Die Neuisolate der cellulolytischen Mikroorganismen werden von der DSMZ in Reinkultur genommen, chemotaxonomisch charakterisiert und unter besonderer Berücksichtigung der metabolischen Eigenschaften phänotypisiert werden. Dies ist notwendig um die Neuisolate valide benennen zu können. Die axenischen Kulturen der identifizierten Stämme werden an der DSMZ durch Gefriertrocknung und Lagerung konserviert, damit sie für die Herstellung von Enzymen zur Verfügung stehen.
Das Projekt "Förderschwerpunkt Biotechnologie: ChemBioTec: Identifizierung, Erforschung und rekombinante Herstellung innovativer Laccasen für die Produktion von Feinchemikalien im großtechnischen Maßstab zur Substitution umweltbelastender chemischer Synthesen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Greifswald, Institut für Biochemie, Abteilung Biotechnologie und Enzymkatalyse durchgeführt. Ziel des Projekts war es, über Laccase-vermittelte Reaktionen eine umweltfreundliche Synthese von Feinchemikalien vorzunehmen und somit im Rahmen der Weißen Biotechnologie ökoeffiziente Syntheseverfahren zu etablieren. Besonderes Augenmerk fiel hierbei auf die Gewinnung von sekundären Aminen. Dabei fanden Laccasen aus Weißfäulepilzen, direkt aus dem Pilz isoliert sowie rekombinant hergestellt, und rekombinante bakterielle Laccasen in Kopplungsreaktionen ihren Einsatz. Mit Beginn des Projekts erfolgte die Vereinbarung eine enzymvermittelte Synthese von sekundären Aminen anzustreben, um so prinzipielle Reaktionsmuster und -kinetiken für nachfolgende Untersuchungen zu erhalten. Die Beispielreaktion stellt die heteromolekulare Kopplungen eines ortho- bzw. para-dihydroxylierten, alkylsubstituierten aromatischen Laccase-Substrates und diverser aliphatischer Amine dar.
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