Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Greifswald, Institut für Biochemie, Abteilung Biotechnologie und Enzymkatalyse durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer effizienten biokatalytischen Methode zur Acylierung von nachwachsenden Rohstoffen in Form von pflanzlichen Polysacchariden mit Fettsäuren zur Herstellung von amphiphilen Polysacchariden. Diese qualitativ-hochwertigen bio-basierten Produkte sollen, alternativ zu den herkömmlichen chemischen Methoden, mit Hilfe von maßgeschneiderten Lipasen hergestellt werden. Amphiphile Polymere spielen eine große Rolle in Anwendungen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Kosmetika, aber auch bei technischen Anwendungen als Binder, Coating und Detergenz. Zur Zeit kommen hierfür petro-basierte synthetische Copolymere zum Einsatz. Die Kombination und Integration von spezifischem Know-how im Protein-Engineering von Lipasen und deren Einsatz in der Modifikation von Polysacchariden ermöglichen neue Wege zur Herstellung von bio-basierten Produkten mit attraktiven Eigenschaften.
Das Projekt "Teilvorhaben: Ingenieurtechnische Methoden - Teilvorhaben: Funktionalisierung von Proteinen in der Lebensmittelproduktion (Cargill)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Cargill Deutschland GmbH durchgeführt. Das Verbundprojekt Mi2Pro zielt auf die Umstellung von absatzweisen Produktionsverfahren der Prozessindustrie auf einen kontinuierlichen Betrieb unter Verwendung von milli- und mikroverfahrenstechnischen Komponenten und prozessintegrierten Messverfahren für Prozesse mit Kapazitäten bis ca. 1000 t/a. Anhand industrieller Referenzprozesse wird die technische Machbarkeit der Übertragung im Labor- und im Pilotmaßstab gezeigt. Spezifische Herausforderungen in milli- und mikrokontinuierlichen Produktionen, wie z.B. die Handhabung von hochviskosen, feststoffhaltigen Medien, die kontinuierliche Überwachung der Produktqualität im Prozess, die sichere Reaktionsführung bei harschen Prozessbedingungen (z.B. Tieftemperatur, starke Exothermie) oder das Detektieren und Behandeln von Foulingerscheinungen, werden untersucht und apparative wie betriebliche Ansätze zur Problembeherrschung erprobt. Die adressierten Anwendungen aus der Spezialchemie, Lacke und Farben-Industrie, pharmazeutischer Wirkstoffe und Lebensmittelproduktion sind bzgl. ihrer Prozesscharakteristika und Produktionskapazitäten repräsentativ für eine Vielzahl weiterer Produkte z.B. auch aus der kosmetischen oder biotechnologischen Produktion. In dem Verbundprojekt sollen Methoden zu Design, Bau und Charakterisierung geeigneter Milli- und Mikroapparate als auch Inline-fähige Prozessmesstechnik evaluiert und standardisiert werden. Für die Umstellung von absatzweisen auf kontinuierliche Produktionsverfahren werden für die verschiedenen Skalen und unterschiedlichen Produkte und Prozesse ingenieurtechnische Ansätze erprobt und übergreifende Regeln etabliert. Cargill möchte mehrere Prozesse mit Mikroreaktortechnologie betrachten. Hierzu gehören verschiedene Polysaccharide und proteinhaltige Prozessströme aus der Lebensmittelproduktion, die durch eine gezielte Prozessführung funktionalisiert werden sollen. Foulingverhalten im Mikrokanal und in-line Analytik sollen ebenfalls untersucht werden.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Polysaccharidderivate zur Anwendung in Klebstoffsystemen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung durchgeführt. Das Konsortium des beantragten Forschungsvorhabens, bestehend aus Fraunhofer IAP und IFAM im Verbund mit industriellen Herstellern von Biopolymeren und Modifikaten, sowie mit Klebstoffproduzenten und Applikanten, hat sich das Ziel gesetzt, für verschiedene Klebstofftypen und Anwendungen biobasierte Klebstoffsysteme zu entwickeln. Basis soll die Erarbeitung von Struktur-Wirkungsbeziehungen von Derivaten der Stärke, Cellulose und Hemicellulose sein, um den optimalen Rohstoff/optimale Derivate für vielfältige industrielle Verwendungen und auch für Alltags- bzw. Konsumentenklebstoffe zur Verfügung zu stellen. Ein partieller Ersatz von synthetischen Polymeren und Copolymeren in Marktprodukten wird angestrebt. Ausgehend von verschiedenen industriellen Rohstoffen werden Stärke-, Hemicellulose und Cellulosederivate am Fraunhofer IAP hergestellt, in der Entwicklung von Formulierungen am Fraunhofer IFAM verwendet und für Anwendungen als Dispersionskleber, Schmelz- und Reaktivklebstoff am IFAM und bei renommierten Klebstoffproduzenten getestet. Für Dispersionskleber wird eine Kombination von Degradation und Funktionalisierung durch Veresterung/Veretherung mit Variation der Kettenlänge des Substituenten und des Substitutionsgrades unter Erhalt der Wasserdispergierbarkeit durchgeführt, wobei Anwendungskonzentrationen von 30-50% mit speDas Klebevermögen von funktionalisierten Stärkeprodukten wird mit relativ hoch substituierten Hemicellulose- und Cellulosederivaten verglichen, um den Einfluss der chemischen Struktur auf das Klebevermögen von Biopolymerderivaten für verschiedene Materialien zu untersuchen. Schmelzbare Derivate werden aus Stärke, Cellulose und Hemicellulose hergestellt, um die Erfordernisse an Tg und MFI zu erfüllen. Im Arbeitspaket Reaktivklebstoffe geht es zum einen um den Aufbau von PUR-Dispersionen, zum anderen um die Einführung reaktiver Gruppen in die verschiedenen Polysaccharide.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Verfahrens- und Formteilentwicklung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT durchgeführt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Partikelschaumes auf Basis natürlicher Polymere (Polysaccharide, Polypeptide) zur Herstellung von Formteilen. Die Idee ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem in einer ersten Stufe ein expandierbares Granulat hergestellt wird, das in der zweiten Stufe mittels eines Aufschäumprozesses in einem Formwerkzeug zu einem Schaumformteil verarbeitet wird. Auf Basis natürlicher Polymere wird ein treibmittelgefülltes Granulat für den anschließenden Verschäumungsprozess entwickelt. Um eine Expansion herbei zu führen ist ein Treibmittel erforderlich, welches im Granulat gebunden bzw. enthalten sein muss. Im vorliegenden Vorhaben soll vorrangig Wasser als Treibmittel wirken, welches durch weiteren Energieeintrag verdampft und die Partikel auftreibt. Diese Verfahren sollen an die technische Anwendung als Verpackung angepasst und optimiert werden. Weitere Rezepturbestandteile können Fließhilfsmittel, Feuchthaltemittel, Nukleierungsmittel und synthetische bzw. halbsynthetische Biopolymere sein. Des Weiteren ist der Einfluss der Lagerung zu prüfen. Hinsichtlich des Aufschäum- und Formgebungsprozesses ist ein Verfahren zu entwickeln, welches eine maximale Expansion bei gleichmäßiger Formfüllung ermöglicht. Hinsichtlich der Energieübertragung zur Einleitung der Expansion stehen unterschiedliche Medien zur Auswahl (Dampf, Heißluft), deren Eignung, Vor- und Nachteile auszuwerten sind.
Das Projekt "Teilvorhaben 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Loick Biowertstoff GmbH durchgeführt. Das Ziel ist die Entwicklung eines Partikelschaumes zur Herstellung von Formteilen. Die Rohstoffbasis hierfür bilden natürliche Polymere ( Polysaccaride, Polypeptide), welche als komplexes, trockentechnisch gewonnenes Gemisch(Mehl) vorliegen. Hierzu muss ein geeignetes, expandierbares Granulat entwickelt werden, welches in einem Aufschäumprozess, in einem Formwerkzeug zu einem Schaumformteil verarbeitet wird. Das Verfahren zur Formteilproduktion soll die Herstellung von dreidimensionalen Teilen komplexer Geometrie ermöglichen. Die Partikel müssen maximal expandieren und zu einem kompakten Formteil verschweißt werden. Die Entwicklungsarbeiten können in die Entwicklung des Materials bzw. des expandierbaren Granulats und die Entwicklung des Verfahrens zur Verschäumung und Formgebung unterteilt werden. Auf Basis natürlicher Polymere wird ein treibmittelgefülltes Granulat für den anschließenden Verschäumungsprozess entwickelt. Im vorliegenden Vorhaben soll vorrangig Wasser als Treibmittel wirken, welches durch weiteren Energieeintrag verdampft und die Partikel auftreibt. Hinsichtlich des Aufschäum- und Formgebungsprozesses ist ein Verfahren zu entwickeln, welches eine maximale Expansion bei gleichmäßiger Formfüllung ermöglicht.
Das Projekt "Teilvorhaben 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Lebensmittel- und Umweltforschung e.V. durchgeführt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Partikelschaumes auf Basis natürlicher Polymere (Polysaccharide, Polypeptide) zur Herstellung von Formteilen. Die Idee ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem in einer ersten Stufe ein expandierbares Granulat hergestellt wird, das in der zweiten Stufe mittels eines Aufschäumprozesses in einem Formwerkzeug zu einem Schaumformteil verarbeitet wird. Auf Basis natürlicher Polymere wird ein treibmittelgefülltes Granulat für den anschließenden Verschäumungsprozess entwickelt. Um eine Expansion herbei zu führen ist ein Treibmittel erforderlich, welches im Granulat gebunden bzw. enthalten sein muss. Im vorliegenden Vorhaben soll vorrangig Wasser als Treibmittel wirken, welches durch weiteren Energieeintrag verdampft und die Partikel auftreibt. Diese Verfahren sollen an die technische Anwendung als Verpackung angepasst und optimiert werden. Dem Antragsteller obliegt innerhalb des Projektverbundes die Aufgabe der Entwicklung des expandierbaren Granulates sowie des zu dessen Herstellung geeigneten Verfahrens. Hierzu erfolgt in erster Instanz eine Auswahl an Rohstoffen und Additiven die in ersten Versuchen zu einer Basisrezeptur und somit einer ersten Eingrenzung der geeigneten Rohstoffe führen. Das angewendete Verfahren ist die Extrusion. In den weiteren Schritten erfolgt die Optimierung von Rezeptur und Verfahren. Hauptrohstoffe sind Stärken und stärkehaltige Produkte. Wesentliches Treibmittel ist Wasser.
Das Projekt "Verhalten von Biopolymeren während der Uferfiltration" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, Fachgebiet Wasserreinhaltung durchgeführt. Problemstellung: In Berlin sowie an vielen anderen urbanen Standorten wird für die Trinkwassergewinnung Uferfiltrat eingesetzt. Im Gegensatz zu Grundwasser handelt es sich bei Uferfiltrat um Oberflächenwasser welches nach einer Untergrundpassage aus ufernahen Brunnen gefördert wird. Neben klassischen Filtereigenschaften weißt das Ufer als Filter auch eine hohe Dichte an verschiedenen Mikroorganismen auf. Aus Feldstudien geht hervor, dass die Reduktion bis hin zur vollständigen Entfernung von gelösten organischen Kohlenstoffen und zahlreichen Spurenstoffen auf mikrobielle Aktivität zurückzuführen ist. Die Abbau- bzw. Transformationsleistung wird dabei von zahlreichen Parametern wie Redoxbedingung, Temperatur oder zur Verfügung stehenden Substraten beeinflusst. Ein Substrat stellen dabei die Biopolymere dar, welche sich als eine Fraktion des gelösten organischen Kohlenstoffs überwiegend aus Proteinen und Polysacchariden zusammen setzten. Vorangegangene Arbeiten weisen auf einen Zusammenhang zwischen dem Abbau von Biopolymeren und einigen Spurenstoffen hin. Ähnlich der Biopolymere wird zum Beispiel das Röntgenkontrastmittel Iopromid als Vertreter der Spurenstoffe unmittelbar nach der Infiltration unabhängig von der Temperatur fast vollständig abgebaut bzw. transformiert. Detaillierte Kenntnisse über die im Ufer stattfindenden biologischen Prozesse liegen aber bisher nicht vor. Projektziel und Vorgehensweise: In Langzeitversuchen wird der Abbau von Biopolymeren genauer untersucht. Über mehrere Jahre kontinuierlich mit Oberflächenwasser durchströmte Sandsäulen dienen dabei als Modellsystem. Zunächst werden Hinweise für den Betrieb von Sandsäulen in Bezug auf das verwendete Füllmaterial und die damit verbundenen Einlaufzeiten aus den Langzeitversuchen ermittelt. Durch Variation der Temperatur, der Redoxbedingungen und des Füllmaterials kann deren Einfluss auf den Biopolymerabbau bestimmt werden. Um darüber hinaus Klarheit über einen möglichen Cometabolismus zwischen Iopromid und den Biopolymeren zu gewinnen wird der Spurenstoff mittels Massenspektrometrie detektiert. Neben den Abbauraten sollen auch neue Aufschlüsse über die Kinetik der zugrunde liegenden Bioreaktionen gewonnen werden. Zu diesem Zweck sind Kleinfilterkreislaufversuche mit verschiedenen Medien geplant. Diese werden so ausgelegt, dass die ersten 10 cm der Bodenpassage, also die Infiltrationszone simuliert werden kann. Um eine genaue Zuordnung zwischen Spurenstoff- und Biopolymerabbau zu gewährleisten ist weiterhin der Einsatz von künstlichen oder aufkonzentrierten Biopolymerlösungen angedacht.
Das Projekt "Teilvorhaben 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt e.V. durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung von multifunktionalen, sprühfähigen und biologisch abbaubaren Folien für den landwirtschaftlichen Kulturpflanzenanbau auf Basis einheimischer nachwachsender Rohstoffe. Das TITK entwickelt im Rahmen des Projektes vor allem Rezepturen auf der Basis von Polysacchariden und deren Derivaten. Entsprechende Synthesetechnik ist am TITK vorhanden. Die auf 4 Forschungseinrichtungen und 1 mittelständige Firma verteilten Arbeiten enthalten als Schwerpunkte: Entwicklung von Rezepturen für wässrige, sprühfähige Dispersionen und Lösungen der ausgewählten Rohstoffe, Charakterisierung der Filmbildungsprozesse und der resultierenden Folieneigenschaften, Auswahl geeigneter Sprühtechnik zum Aufbringen der Dispersionen bzw. Lösungen auf den Boden, Nachweis der Verwendbarkeit der entwickelten Rezepturen in Freilandversuchen, Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen den neuen Folien und dem Boden sowie Ermittlung weiterer innovativer Anwendungsgebiete. Die Projektergebnisse stehen der Firma Agrofol GmbH für eine Produktentwicklung zur Verfügung. Ziel ist die Patentierung und industrielle Herstellung des neu entwickelten Werkstoffes. Wissenschaftlich bedeutsame Erkenntnisse werden publiziert.
Das Projekt "Bedeutung von Eisenoxiden und Tonmineralen für die Stabilisierung der organischen Substanz im Unterboden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Lehrstuhl für Bodenkunde durchgeführt. Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen) Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, daß auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe untersucht, um die Ergebnisse der Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.
Das Projekt "Cell wall hemicelluloses as mobile carbon stores in plants" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Basel, Philosophisch-Naturwissenschaftliche Fakultät durchgeführt. Non-structural carbohydrates (NSC) are the most important carbon reserves in most tissues and species. Beside NSC, cell wall hemicelluloses as the second most abundant polysaccharides in plants have often been discussed to serve as additional carbon reserves during periods of enhanced carbon-sink activity. By using a refined extraction method hemicelluloses were quantitatively and qualitatively determined in tissues of different plant functional groups and the ecophysiological importance of hemicelluloses as mobile carbon pools was investigated in two studies. In the first study hemicelluloses were investigated in newly synthesized tissues of 16 species of four different plant functional groups that were grown under extremely low (140 ppm), medium (280 ppm) or high (560 ppm) CO2 concentrations inducing a massive carbon-under or -oversupply. The changed carbon source-sink activities were evidenced by significant increments of biomass and NSC under elevated CO2 concentrations in tissues of all species. In contrast, hemicellulose concentrations remained remarkably stable with varying CO2 supply. Nevertheless, the monosaccharide spectrum of hemicelluloses showed a significant increase in glucose monomers in leaves of woody species as carbon supply increased. In contrast to the growing tissues of the first experiment the second study investigated the potential carbon reserve function of hemicelluloses by using the naturally occurring fluctuation in carbon-sink activity during bud break in mature forest trees (two deciduous species Carpinus betulus L., Fagus sylvatica L. and two evergreen species Picea abies L., Pinus sylvestris L.). NSC concentrations in branch sapwood of the deciduous trees declined strongly immediately before bud break and increased after bud break. Previous seasons' needles exhibited a significant increase in NSC concentrations shortly before bud break which declined again after flushing. Short-term fluctuations in hemicellulose concentrations were found in branch sapwood of Carpinus and previous seasons' needles of Picea and Pinus and correlated with those of NSC suggesting a mobile reserve function of hemicelluloses. The observed variations in hemicellulose concentrations in previous seasons' needles were due to variations in hemicellulose-bound glucose. In conclusion, this thesis showed that during 'de-novo' synthesis of cell-walls, hemicellulose concentrations do not vary strongly with changing carbon supply. Hemicelluloses are therefore unlikely to play a significant role as additional carbon sinks at future elevated atmospheric CO2 concentrations. On the other hand, apart from their predominant structural function, hemicelluloses can serve as additional carbon reserves in mature tissues during times of exceptionally high carbon demand.
