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Bioökonomie International 2013: EVITA - Beschleunigte Entwicklung von Taraxacum koksaghyz als alternativer Naturkautschuklieferant durch Züchtung von Elitematerial auf Basis der Pflanzensammlung des Vavilov Forschungsinstitutes der Pflanzenindustrie, Teilprojekt Continental GmbH

Fouling von Niederdruckmembranen während der Wasseraufbereitung: Ursachen, Analyse und Strategien zur Verringerung

Problemstellung: Niederdruckmembranen (Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen) stellen eine leistungsfähige Technik zur Aufbereitung verschiedener Rohwässer dar. Neben den Vorteilen eines kleinen Flächenbedarfs und eines verlässlichen Betriebes, birgt vor allem die hohe Ablaufqualität das Potential herkömmliche Aufbereitungstechniken zu ergänzen oder sogar zu ersetzen. Ein großes Problem beim Einsatz solcher Membranen ist das Membranfouling, unter dem Deckschichtbildung und andere Kolmationsmechanismen zusammengefasst werden. Dieses führt zur raschen Abnahme der Filtrationsleistung, zur Erhöhung der nötigen transmembranen Druckdifferenz, des Reinigungsintervalls und des Chemikalieneinsatzes, was insgesamt hohe Energieverbräuche und Betriebskosten verursacht. Ziel dieses Projektes ist es, den Einfluss von Wasserinhaltsstoffen auf die Deckschichtbildung während des Filtrationsprozesses durch Analyse des zu behandelnden Wassers abzuschätzen, neue Möglichkeiten des Monitorings dieser Stoffe zu identifizieren und darauf aufbauend geeignete Maßnahmen zur Stabilisierung der Filtration zu entwickeln. Vorgehensweise: Es werden sowohl Filtrationsteststände im Labor als auch eine Membrananlage im Pilotmaßstab betrieben. Durch Methoden der analytischen Chemie, wie die Gelpermeationschromatographie (LC-OCD) und der Fluoreszenzspektroskopie (EEM) wird die Fraktion der gelösten organischen Stoffe näher charakterisiert. Bildgebende Verfahren wie die Nanoparticle-Tracking-Analysis (NTA) kommen für die Untersuchung der kolloidalen und partikulären Wasserinhaltsstoffe zum Einsatz. Als Erweiterung dieser Methode wird das Anfärben unterschiedlicher Stoffklassen mittels Fluoreszenzmarkern untersucht, wodurch die Möglichkeit einer weitergehenden Diskriminierung dieser kolloidalen Wasserinhaltsstoffe besteht. Anhand von Modellwässern wird zunächst der Einfluss einzelner Wasserinhaltsstoffe sowie deren komplexes Zusammenspiel während der Membranfiltration untersucht. Die Ergebnisse werden durch Filtrationsversuche mit realen Wässern verifiziert. Im Rahmen einer statistischen Datenanalyse sollen so foulingrelevante Stoffe ausgemacht und je nach Zusammensetzung des Wassers durch gezielte Vorbehandlung, durch Verfahren wie z.B. Flockung, Adsorption oder Oxidation reduziert und Bedingungen für einen energie- und kosteneffizienten Einsatz dieser Technik identifiziert werden.

Einfluss natürlicher organischer Verbindungen auf Scalingprozesse während der Hochdruck-Membranfiltration

Problemstellung: Regionale Wasserknappheiten stellen eine der größten globalen Herausforderungen unserer heutigen Generation dar. Die einzige Möglichkeit, vorhandene Trinkwasserressourcen über den hydrologischen Zyklus hinaus zu erweitern, stellt neben der Wasserwiederverwendung die Entsalzung von Meer und Brackwasser dar. Für die Entsalzung von salinen Wässern hat sich die Hochdruck-Membranfiltration mithilfe von Lösungs-Diffusions-Membranen (Umkehrosmose) als zurzeit energieeffizienteste Technologie etabliert. Allerdings stellt das sogenannte Membranscaling, d.h. die Deposition, Anreicherung und das Wachstum von Kristallen auf der Membranoberfläche infolge der Überschreitung von Löslichkeitsprodukten verschiedener Minerale (z.B. CaSO4) ein limitierendes und zu großen Teilen ungelöstes Problem dar. Scalingschichten belegen die Membranoberfläche, erhöhen den Filtrationswiderstand und führen unmittelbar zur Effizienzminderung oder zum Ausfall des Verfahrens. Allgemein bekannt ist, dass die Anwesenheit natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe (NOM) die Kristallisationskinetik von Mineralen in der Lösung beeinflussen kann. Auch im Falle der Membranfiltration konnte in Studien gezeigt werden, dass es zu Wechselwirkungen zwischen NOM und Membranscaling kommt. Ein besseres Verständnis dieser Wechselwirkungen unterstützt die Entwicklung angepasster und effizienter Maßnahmen zur Minimierung von Membranscaling. Vorgehensweise: Zur Untersuchung des Einflusses natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe auf das Membranscaling wurden am Institut verschiedene Laborversuchsstände und eine vollautomatische Hochdruck-Membranfiltrations-Versuchsanlage aufgebaut sowie Untersuchungsmethoden etabliert. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit von NOM die Kristallisationsprozesse in der Lösung verzögern und bestätigen bereits publizierte Erkenntnisse. Weiterhin konnte in Vorversuchen gezeigt werden, dass das Kristallwachstum auf der Membranoberfläche während der Filtration durch die Anwesenheit von NOM beeinflusst wird (Kristallform und -anzahl). In anstehenden Untersuchungen wird der Einfluss von Oberflächeneigenschaften der Membran auf die Scalingprozesse untersucht. Zur genaueren Charakterisierung der relevanten Fraktionen der NOM werden neben den verfahrenstechnischen Untersuchungen wasserchemische Analysen wie die Gelpermeationschromatographie (LC OCD) und Fluoreszenzspektrometrie eingesetzt. Die Charakterisierung der ausgefallenen Kristallschichten und -strukturen auf der Membran erfolgt mittels mikroskopischer Methoden.

Chemoenzymatische Synthese und Entwicklung von biologisch abbaubaren, strukturell beständigen Kern-Schale-Nano-Architekturen zum Transport von Wirkstoffen, Teilvorhaben 1: Freie Universität Berlin

Gegenstand des Projekts ist die Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere durch Kombination aus linearen und dendritischen Architekturen zum effektiven Wirkstofftransport in vivo sowie die Untersuchung der Wirkstoffaufnahme. Die Anforderungen an die als Nanotransporter bezeichneten Trägersubstanzen sind neben ihrer Löslichkeit in wässrigen Medien vor allem die nicht toxische Abbaubarkeit in vivo. Da viele Wirkstoffe hydrophob sind braucht es zudem einen Trägerstoff, der die Wirkstoffe effektiv aufnehmen und am Ziel auch wieder freigeben kann ohne mit dem Wirkstoff oder den Zellen zu wechselwirken. An erste Ergebnisse aus Vorversuchen soll mit dem Ziel die Wirkstoffaufnahme und -freisetzung besser zu verstehen und zu optimieren angeknüpft werden. Dazu werden die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberfläche des neu entwickelten Systems untersucht. Auch werden Anstrengungen unternommen die Wasserlöslichkeit zu erhöhen und die Pharmakokinetik (PK) und Pharmakodynamik (PD) von neuen Wirkstoffen (NCE) und anderen Biomolekülen zu verbessern. Als Methoden werden organische Synthese und entsprechende Trennmethoden (z.B. Ultrafiltration, Dialyse, GPC) eingesetzt. Die Charakterisierung erfolgt durch physikalisch chemische Methoden, wie NMR, IR, Gelektrophorese, Z-Potential, DLS, AFM, TEM, bzw. Cryo-TEM, CMC-Bestimmung. Das Up-scaling erfolgt in Zusammenarbeit mit der Nanopartica GmbH.

Hochleistungspolyamide aus Pflanzenölen

Ziel des Projekts ist es Monomersynthesen ausgehend von Ölsäure, Erucasäure und anderen, auch mehrfach ungesättigten, Fettsäuren zu entwickeln um einen Zugang zu Polyamiden aus heimischen nachwachsenden Rohstoffen aufzuzeigen. Die im Projekt erzielten Daten sollen unter anderem auch das mögliche Substitutionspotential der untersuchten nachwachsenden Polyamide aufzeigen und neue Anwendungsmöglichkeiten von heimischen nachwachsenden Rohstoffen im Nichtnahrungsmittelsektor demonstrieren. Neben klassischen organischen Synthesen sollen in diesem Projekt auch katalytische und nachhaltige Verfahren zur Monomersynthese untersucht und miteinander verglichen werden. Nach erfolgreicher Synthese von Fettsäurederivaten mit terminalen als auch innenständigen -NH2 Gruppen sollen diese zu den entsprechenden Polyamiden umgesetzt werden. Die so erhaltenen Polymere werden vollständig chemisch charakterisiert (NMR, GPC, IR, ...). Nach erfolgreicher Optimierung der Monomer- und Polymersynthese sollen größere Mengen der Polyamide dargestellt werden um deren Anwendungseigenschaften zu charakterisieren. Neben thermischen Daten (Tm, Tg, Stabilität) sollen auch mechanische Eigenschaften (Härte, Elastizität, Bruchzähigkeit, Steifigkeit, ...) untersucht werden um mögliche Einsatzgebiete der erhaltenen Kunststoffe aufzuzeigen.

Aufskalierbare Farbstoffsolarzellen - FSZ-Industrie, Multichromophore Donor-Akzeptor-Farbstoffsysteme

Fouling von Niederdruckmembranen durch organisches Material aus Kläranlagenabläufen

Problemstellung: Die nachgeschaltete Ultra- bzw. Mikrofiltration von Kläranlagenabläufen bietet eine wirkungsvolle Möglichkeit, den steigenden Anforderungen an die Qualität aufbereiteter Abwässer im Hinblick auf die Keim- und Nährstoffbelastung der Vorfluter gerecht zu werden. Sinkende Herstellungs- und Betriebskosten haben den Einsatz von Niederdruckmembranen zwar effizienter gemacht. Das Hauptproblem stellt jedoch nach wie vor das Fouling dar, wobei durch die Verblockung der Membranporen und Kuchenbildung auf den Membranoberflächen der Durchfluss verringert und somit der Betrieb der Membranfilter beeinträchtigt wird. Vorangegangene Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Membranfiltration kommunalen Abwassers (neben kolloidalem Fouling und Biofouling) insbesondere gelöste organische Makromoleküle mikrobieller Herkunft (sog. extrazelluläre polymere Substanzen/EPS) zu einer langfristigen und z. T. irreversiblen Abnahme des Durchflusses führen. Ziel dieses Projekts ist eine genauere Identifizierung der Fouling verursachenden Substanzen innerhalb der EPS sowie die Aufklärung der dem Fouling zugrunde liegenden Mechanismen. Vorgehensweise: Anhand von Versuchen mit einer Cross-flow-Testzelle sollen Erkenntnisse über das Foulingverhalten von konventionell gereinigtem kommunalem Abwasser sowie unterschiedlichen Modelllösungen (z. B. Proteine, Polysaccharide) bei der Filtration über verschiedene Ultrafiltrationsmembranen erzielt werden. Ferner soll kommunales Abwasser vor der Membranfiltration mit aus bakteriellen Kulturen gewonnenen EPS dotiert werden, um Näheres über den Einfluss dieser Substanzen auf das Fouling zu erfahren. Die Charakterisierung von Zulaufwasser und Permeat erfolgt über gelchromatographische Auftrennung des organischen Stoffgemischs in Fraktionen unterschiedlicher Molekularmassenbereiche mit Kohlenstoff- und Stickstoffdetektion (LC-OCD-OND). Diese Methode ermöglicht u. a. die nähere Charakterisierung der makromolekularen Fraktion im Hinblick auf das N:C-Verhältnis und erlaubt somit Rückschlüsse auf den Einfluss stickstoffhaltiger Substanzen (z. B. Proteine) und stickstofffreier Stoffe (Polysaccharide) auf das Membranfouling.

Organische Reststoffe des biologischen Abbaus von industriellen und kommunalen Abwaessern

In Kommunalabwaessern aus Industrieanlagen liegt ein erheblicher Anteil der organischen Substanzen in einer derzeit nicht vollstaendig charakterisierbaren Form vor. Besondere Bedeutung haben hier die Stoffe, die nach der Abwasserbehandlung als schwer und nicht abbaubare Stoffe ins Gewaesser gelangen. Es handelt sich hierbei zum Teil um Huminstoffe mit geringer Umweltrelevanz sowie problematische, zunaechst unbekannte Reststoffe. Zur Charakterisierung solcher Substanzen wird die Gelchromatographie (GPC) mit hydrophilen Gelen verwendet. Mittels GPC werden organische Wasserinhaltsstoffe nach Molekulargewicht getrennt und die erhaltenen Fraktionen analysiert. Als wichtige Kenngroessen werden hierbei die UV/Vis-Absorption und DOC kontinuierlich direkt am Auslauf der Trennsaeule gemessen. Zur AOX-Messung werden die einzelnen Molmassenfraktionen am Auslauf der Trennsaeule gesammelt und sequentiell analysiert. Nach der Adsorption an Aktivkohle und Verbrennung werden die organisch gebundenen Halogene coulometrisch bestimmt. Um weitere Informationen ueber organische Reststoffe erhalten zu koennen, wird die Moeglichkeit einer kontinuierlichen Messung von organisch gebundenen Stickstoff (DON) geprueft.

Verminderung des refraktären CSB im Abwasser Altpapier verarbeitender Papierfabriken durch den Einsatz mikrobiologischer Spezialprodukte

Ziel des Forschungsvorhabens stellt die Verminderung der Konzentration des Rest-CSB im gereinigten Abwasser von Papierfabriken durch eine intensivierte Betriebsweise der biologischen Abwasserreinigung, speziell unter Nutzung neuer biotechnologischer Spezialprodukte dar. Durch eine im Rahmen des Projekts zu erarbeitende Methodik zur Effektivitätsbewertung der biologischen Abwasserreinigung, speziell bezüglich der Elimination des refraktären CSB, sollen Grundlagen für die Ableitung, Erprobung und Bewertung von Maßnahmen zur Intensivierung der biologischen Reinigungsprozesse geschaffen werden. Mit dem Einsatz eines neuen Analyseverfahrens auf der Grundlage von Gelchromatografie und TOC-Analytik werden differenzierte Kenntnisse zur stofflichen Charakteristik der Restbelastung erwartet. Im Ergebnis der Laboruntersuchungen zum Einsatz von mikrobiologischen, den biologischen Reinigungsverlauf begünstigenden Spezialprodukten, werden deren Wirksamkeit, Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzbedingungen beurteilt. Auf dieser Grundlage sind Maßnahmen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von biologischen Reinigungsanlagen abzuleiten. Die angestrebte umfassende Bewertung der Leistungsfähigkeit einer ARA bezüglich Rest-CSB bzw. von Maßnahmen zur Erhöhung der CSB-Elimination soll bisher brachliegendes Potenzial zur Senkung der CSB-Konzentration aufdecken und nutzbar machen. Wenn dies gelingt, ohne das zusätzliche Reinigungsstufen errichtet und betrieben werden müssen, können z.T. erhebliche Kosten eingespart werden. Weiterhin wird durch eine Reduzierung der Restbelastung des Abwassers auch das Potenzial zur innerbetrieblichen Wiederverwendung erhöht.

Teilprojekt A 03: Weitergehende Oxidationsverfahren fuer die kombinierte Behandlung von Gerbereiabwaessern, Organische Reststoffe des biologischen Abbaus von Gerbereiabwasser

Das Ziel des Teilprojektes ist die weitergehende Analytik und Charakterisierung der organischen Reststoffe am Beispiel der Gerbereiabwaesser, wodurch sich direkte Kooperationen mit den Teilprojekten A4 und A5 ergeben. Die primaere Aufgabe ist dabei die Unterscheidung der in der biologischen Behandlung mikrobiell entstehenden Substanzen mit vermutlich geringer Umweltrelevanz von den anthropogen bedingten, kritischer zu sehenden Reststoffanteilen. Hierfuer soll die analytische und praeparative Gelchromatographie eingesetzt werden, weil auch mit hoehermolekularen synthetischen Reststoffen zu rechnen ist. Ferner soll geprueft werden, ob auffaellige Stoffklassen auftreten.

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