Im TTRAFFIC-Projekt soll die Produktion von industriell relevanten Dikarbonsäuren aus erneuerbaren Ressourcen optimiert werden. Itakonsäure wurde aufgrund ihrer Anwendung in der Polymerindustrie als Produkt mit hohem Marktpotenzial gewählt. Diese kann mit verschiedenen Pilzen aus CO2-neutralen, nachwachsenden Rohstoffen, wie Zucker oder deren Polymere, hergestellt werden und hat den Vorteil, dass es bereits einige am Markt etablierte Polymere gibt, die auf diesem Monomer basieren. Damit ist es möglich, einen schnellen Beitrag zu einer zukünftigen Kreislaufwirtschaft zu leisten. In TTRAFFIC soll die Kompartimentierung der Pilzstoffwechselwege im Mittelpunkt stehen, mit dem Ziel Ganzzellkatalysatoren zu verbessern. Die RWTH Aachen befasst sich mit der Transportercharakterisierung und dem Engineering des Pilzes Ustilago als Itakonsäureproduktionswirt. Unser übergeordnetes Ziel ist es, einen Pilz mit stark verbesserter Itakonsäureproduktion bezüglich Titer, Ausbeute und Rate herzustellen. Die erwarteten Ergebnisse von TTRAFFIC könnten auf weitere organische Säuren, wie Succinat und Citrat, übertragbar sein. Mit dieser Technologie ist eine Prozessintensivierung möglich, was zu einer Ressourcenschonung beiträgt. Eine mögliche industrielle Verwertung, der in TTRAFFIC entstandenen Technologien und Produkte, soll optimiert werden. Deswegen wird der deutsche Industriepartner BRAIN AG diese Technologien bewerten.
Corynebacterium glutamicum wird seit Jahrzehnten erfolgreich für die biotechnologische Produktion von mehr als drei Millionen Tonnen Aminosäuren pro Jahr eingesetzt. Aufgrund der nachgewiesenen Eignung für die großtechnische Produktion hat sich C. glutamicum zu einem intensiv beforschten Modellorganismus in der Weißen Biotechnologie entwickelt. Das Ziel des ERA-IB-Verbundprojektes BioProChemBB bestand darin, C. glutamicum zu einem Plattform-Organismus weiterzuentwickeln, der nicht nur für die Produktion von Aminosäuren, sondern auch anderer industriell relevanter Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen eingesetzt werden kann. Im Fokus von BioProChemBB standen dabei verschiedene Dicarbonsäuren, die im Rahmen einer Studie des U.S. Department of Energy als vielversprechende chemische Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen identifiziert worden waren. Das Ziel des vorliegenden Teilprojekts 4 war die Konstruktion und Charakterisierung von C. glutamicum-Stämmen zur Produktion von Succinat und Itaconat. Succinat ist eine Plattform- Chemikalie, aus der eine Reihe bisher petrochemisch hergestellter 'Bulk'-Chemikalien synthetisiert werden können, wie z.B. 1,4-Butandiol, Tetrahydrofuran oder g-Butyrolacton. Itaconat ist eine ungesättigte C5-Dicarbonsäure, die unter anderem für die Herstellung von Polymeren von Interesse ist und z.B. petrochemisch erzeugtes Acrylat oder Methylacrylat ersetzen könnte. Für die Succinat-Produktion sollten sowohl die aerobe als auch die anaerobe Herstellung aus Glucose sowie aus Glycerin, einem Nebenprodukt der Biodiesel-Herstellung, etabliert werden. Die entsprechenden Stämme sollten rational über 'metabolic engineering' konstruiert werden, basierend auf dem umfangreichen Wissen zum Stoffwechsel und seiner Regulation in C. glutamicum. Für die Itaconat-Produktion sollte erstmals ein bakterieller Produktionsstamm entwickelt werden, der Vorteile gegenüber dem natürlichen Produzent Aspergillus terreus bieten könnte.
Ziel des Projektes ist die biotechnologische Verwertung von Lignozellulose zu Itaconsäure, eingebettet in eine modulare Strategie zur vollständigen stofflichen Nutzung verholzter Biomasse. Dies umfasst die Entwicklung eines Hefe-Stammes, eines Fermentationsverfahrens und der Technologie für effiziente Reinigung des Produktes. Um die erforderliche Textlänge zu erreichen wird dieser Satz noch angefügt.
Neben dekorativen Aspekten ist die wichtigste Aufgabe von Holzaußenbeschichtungen ihre Schutzwirkung gegenüber Witterungseinflüssen wie Sonne, Regen, Hagel, Frost und mikrobiellen Befall. Pilzbefall stört nicht nur die ästhetische Wahrnehmung, sondern kann auch das Beschichtungssystem langfristig zerstören. Der mikrobielle Bewuchs wird derzeit überwiegend durch Zugabe von Bioziden unterbunden. Allerdings haben Biozide den großen Nachteil, dass sie aus den Beschichtungssystemen emittieren oder ausgewaschen werden können. Dies hat zur Folge, dass zum einen die Wirksamkeit nach einer gewissen Zeit verloren geht und zum anderen toxische Stoffe in die Umwelt gelangen. Das Projekt FungiPhob setzt hier mit der Entwicklung neuartiger Bindemitteln an, die auf einem biotechnologisch hergestellten, trifunktionellen Zuckerderivat, der Itaconsäure, basieren. Die Doppelbindung lässt sich einfach modifizieren, so dass ein Bindemittel resultiert, das aufgrund seiner strukturellen Eigenschaften nicht mit Pilzen bewachsen wird. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die strukturelle Wirkkomponente kovalent an das Bindemittel gebunden ist und somit die Beschichtung nicht durch Auswascheffekte ihre Wirksamkeit verliert.
Im vorliegenden Teilprojekt soll die fermentative Herstellung von Itaconsäure aus kostengünstigen, ligninarmen agrarischen Rohstoffen, insbesondere Kaff, sowie die Derivatisierung von Itaconsäure zu Monomeren für Polyester untersucht und optimiert werden. Die Arbeiten umfassen folgende Arbeitspakete: a) Optimierung der chemischen/enzymatischen Hydrolyse der ligninarmen Rohstoffe, b) Screening nach geeigneten Mikroorganismen für die zum Einsatz kommenden Rohstoffe, c) Optimierung der Fermentationsparameter für Submerskulturen, der gleichzeitigen Fermentation und Verzuckerung sowie der Fermentation mit immobilisierten Mikroorganismen, d) Abtrennung und Aufreinigung von Itaconsäure, e) katalytische Derivatisierung von Itaconsäure zu Monomeren für die Polyestersynthese Die starke Beteiligung von Industriepartnern stellt nicht nur eine anwendungsorientierte Forschung sicher, sondern erlaubt zudem eine schnelle und direkte Verwertung aussichtsreicher Projektergebnisse durch diese Partner. Neben der prioritären Anmeldung von Patenten sind Präsentationen auf Fachkongressen sowie Veröffentlichungen in Fachzeitschriften vorgesehen. Darüber hinaus können die gewonnenen Erkenntnisse als Basis für weiterführende Projekte und vertiefte Kooperationen dienen.
In vielen Anwendungsfällen in der Papier verarbeitenden Industrie, z.B. bei Klappverpackungen (Faltschachteln) ist es erforderlich, die Klebstoffschichten elastisch zu gestalten. Dem Klebstoffsystem werden Weichmacher zugesetzt, um -die Elastizität zu erreichen und -bei Tieftemperaturanwendungen (z.B. Verpackungen für Tiefkühlware) die Adhäsion zu erhöhen. Phthalate, die heute standardmäßig als Weichmacher eingesetzt werden -werden aus der endlichen Ressource Erdöl hergestellt, -können aus Verpackungen in Lebensmittel migrieren und -sind grundsätzlich als gesundheitlich bedenkliche Stoffe eingestuft. Insbesondere die Nahrungsmittelindustrie hat sich zum nachhaltigen Wirtschaften verpflichtet und steht in der besonderen Verpflichtung, nur gesundheitlich unbedenkliche Stoffe zu benutzen. Erste Forderungen der Verpackungsindustrie, auf Phthalate zu verzichten, wurden an die Klebstoffhersteller adressiert.
In vielen Anwendungsfällen in der Papier verarbeitenden Industrie, z.B. bei Klappverpackungen (Faltschachteln) ist es erforderlich, die Klebstoffschichten elastisch zu gestalten. Dem Klebstoffsystem werden Weichmacher zugesetzt, um -die Elastizität zu erreichen und -bei Tieftemperaturanwendungen (z.B. Verpackungen für Tiefkühlware) die Adhäsion zu erhöhen. Phthalate, die heute standardmäßig als Weichmacher eingesetzt werden -werden aus der endlichen Ressource Erdöl hergestellt, -können aus Verpackungen in Lebensmittel migrieren und -sind grundsätzlich als gesundheitlich bedenkliche Stoffe eingestuft. Insbesondere die Nahrungsmittelindustrie hat sich zum nachhaltigen Wirtschaften verpflichtet und steht in der besonderen Verpflichtung, nur gesundheitlich unbedenkliche Stoffe zu benutzen. Erste Forderungen der Verpackungsindustrie, auf Phthalate zu verzichten, wurden an die Klebstoffhersteller adressiert.
Das Projektziel ist die Erweiterung der Nutzung von biotechnologisch hergestellter Itaconsäure im Bereich Polymerharze für Lackanwendungen. Die einzelnen Teilprojekte decken die Wertschöpfungskette, ausgehend von der Funktionalisierung der Itaconsäure über die Poly- bzw. Copolymerisation zu Lackharzen, deren Formulierung zu Beschichtungsstoffen bis hin zur Applikation und Charakterisierung der Gebrauchseigenschaften, ab. In diesem Teilprojekt sollen Itaconsäurederivate radikalisch zu Acrylat- bzw. Methacrylatanaloge für beschichtungstechnische Applikationen copolymerisiert und deren Werkstoff- und Verarbeitungseigenschaften ermittelt werden. Unter Verwendung von Itaconsäure werden zusätzlich auch Synthesewege zur Herstellung von Polyesterpolyolen erarbeitet, die dann in einem zweiten Schritt weiter zu UV-vernetzbaren PU-Dispersionen oder PU-Itaconatdispersionen konvertiert werden. Diese lassen sich durch die verbleibenden Doppelbindungen photochemisch vernetzen und erhalten damit eine zusätzliche Vernetzungsdichte, die zu einer höheren Härte für Möbel- oder Parkettlacke führt bzw. zu einer verbesserten Witterungsbeständigkeit für Außenlacke. Die beschriebenen Harztypen stellen somit eine Alternative zu den sehr modernen acrylatbasierten, wasserverdünnbaren UV-vernetzenden Lacken dar. Neben der Entwicklung der Syntheserouten wird in diesem Teilprojekt für ausgewählte Harze auch die Möglichkeit eines Scale-up in 100 kg Maßstab erprobt. Hierbei soll die Machbarkeit einer späteren industriellen Nutzung untersucht werden. Eine besondere Herausforderung ist der feste Aggregatzustand der Itaconsäure im Vergleich zu der niedrigviskosen Acryl- bzw. Methacrylsäure. Dies erfordert eine Entwicklung einer adaptierten Produktionstechnik. Auf Basis der Projektergebnisse soll ein geeignetes Verfahren zur Gewinnung von itaconsäurebasierende Dispersionsharze realisiert werden.
Wesentliche Ziele des Projektes sind die Kostensenkung der biotechnischen Itaconsäure-Produktion, um den Einsatz der Itaconsäure u.a. als geruchsfreie und ungiftige Komponente in verschiedenen Gebrauchskunststoffen (Harze, Lacke) und Spezialitäten zu ermöglichen. Durch gezielte Mutation/Selektion zur Verbesserung bestehender bzw. Etablierung neuer Itaconsäure-Überproduzenten sowie durch Einsatz innovativer Strategien der Prozessführung sollen insbesondere Produkt-Endkonzentration und Produktivität gegenüber den Vorgängerprojekten verbessert werden. Neben der Prozessoptimierung soll auch die extraktive Produktaufarbeitung näher untersucht werden. Die Erkenntnisse sollen dazu dienen, einen mit der Citronensäureproduktion vergleichbaren biotechnischen Prozess zu etablieren und somit die Kosten der Itaconsäureproduktion zu senken. In ähnlich gelagerten Bioprozessen könnten die Teilergebnisse einfließen, dort ebenfalls zur Kostenreduzierungen führen und so deren Wettbewerbschancen insbesondere im global steigenden Bioprozess-Markt erhöhen.
Das Projektziel ist die Erweiterung der Nutzung von biotechnologisch hergestellter Itaconsäure im Bereich Polymerharze für Lackanwendungen Die einzelnen Teilprojekte decken die Wertschöpfungskette, ausgehend von der Funktionalisierung der Itaconsäure über die Poly- bzw. Copolymerisation zu Lackharzen, deren Formulierung zu Beschichtungsstoffen bis hin zur Applikation und Charakterisierung der Gebrauchseigenschaften, ab. In diesem Teilprojekt werden schwerpunktmäßig wasserverdünnbare und lösemittelarme Beschichtungssysteme mit den neu entwickelten itaconsäurehaltigen Lackharzdispersionen formuliert und unter anwendungsnahen Bedingungen getestet. Der photochemisch induzierte Abbau der Polymerkette sowie deren Hydrolysestabilität sollen Aufschluss über die mögliche Anwendung der neu entwickelten Lackharze im Außenbereich geben. Analog dazu werden auch die Kratz- und Abriebbeständigkeit, die Beständigkeit gegenüber Chemikalien und die Stoßempfindlichkeit ermittelt. Diese Parameter sollen Aufschluss über die Eignung als Möbel- bzw. Parkettlack geben. Weiterhin werden Untersuchungen zum Benetzungsverhalten, Verträglichkeit mit üblichen Lackhilfsstoffen und das Langzeitstabilitätsverhalten der neuen Beschichtungen unter Produktionsbedingungen durchgeführt. Die Lackformulierungen werden darüber hinaus auch üblichen anwendungstechnischen Prüfungen wie Haftung, Anfeuerung, Oberflächenglätte, Bewitterungstests, usw. unterzogen. Für erfolgversprechende Laborformulierungen ist ein Upscaling geplant. Es wird angestrebt zum Projektende 1-2 Demonstratoren mit ausgewählten Formulierungen zu beschichten.
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