Arzneistoffträger auf Basis von Kollagen bieten aufgrund der Interaktionen mit Zellen und des positiven Einflusses auf die Geweberegeneration Vorteile gegenüber synthetischen Polymersystemen. Das Verständnis um Möglichkeiten zur Steuerung der Wirkstofffreigabe ist noch begrenzt. Zwei Prozesse, welche durch Modifikation des Trägermaterials wie z.B. Vernetzung gesteuert werden können, spielen eine entscheidende Rolle: Die Quellung des hydrophilen Polymers und dessen enzymatischer Abbau. Im Forschungsvorhaben sollen diese auf mikrostruktureller Ebene charakterisiert, mathematisch beschrieben und zur numerischen Simulation in zwei Raumdimensionen erforderliche Parameter bestimmt werden. Bei der Modellierung werden auf mikroskopischer Ebene Erhaltungsgesetze formuliert. Durch einen Mittelungsprozess unter Einbeziehung heuristischer Ansätze wird ein Übergang auf die Makroskala vollzogen. Der Degradationsprozess wird anschließend mit dem bereits in eigenen Vorarbeiten untersuchten Quellungsvorhang gekoppelt. Parallel werden die experimentellen Untersuchungen zur Wirkstofffreigabe durchgeführt. Die abschließende mehrdimensionale Simulation soll eine gezielte Einstellung der Matrixeigenschaften und -form zur Optimierung einer lokalen Arzneistofftherapie ermöglichen.
Im Vorgängerprojekt 'Mehrcyclische organische Carbonate als Vernetzer für biobasierte und formaldehydfreie Klebstoffe' CycloCarb (FNR-FKZ: 22027014) konnte im Labormaßstab aufgezeigt werden, dass sich gesundheitlich unbedenkliche mehrfunktionelle cyclische Carbonate als Vernetzer von petrochemischen und biobasierten Polymeren, vor allem von Lignin, eignen und sich neue, formaldehydfreie lignin-basierte Klebstoffe herstellen lassen. Bei ersten Verklebungstests von Holzfurnieren wurden gute Festigkeiten erzielt. Der noch zu geringen Reaktivität zwischen Lignin und den Carbonaten soll entgegengewirkt werden, indem diese in einer Zwischenstufe zu höhermolekularen Lignin-Carbonat-Präpolymeren umgesetzt werden. Im Laborversuch konnten viskose Präpolymer-Produkte erhalten werden, die über eine Vielzahl an cyclischen Carbonat-Funktionen pro Molekül verfügen, eine erhöhte Reaktivität aufweisen und mit etlichen weiteren potentiellen Reaktionspartnern wie Tanninen, Kohlenhydraten und Proteinen, aber auch mit konventionellen Klebharzkomponenten kompatibel sind. Ein Schwerpunkt der Projektarbeiten besteht in der Entwicklung von Prä-Polymeren aus Pflanzenölcarbonaten, konventionellen Carbonaten und Lignin bis in den Technikumsmaßstab. Pflanzenölcarbonate werden zusammen mit dem Projektpartner HOBUM Oleochemicals GmbH unter Verwendung neuer Katalysatoren entwickelt und am Thünen-Institut für Holzforschung mit Lignin zu Prä-Polymeren verarbeitet. Produktcharakterisierung, Klebstoffformulierung, Upscaling und Verklebungstests werden vom Thünen-Institut für Holzforschung und Prefere Resins Germany GmbH durchgeführt. Die Prä-Polymere werden schließlich im Kilogrammmaßstab erzeugt, um Holzwerkstoffe, faserbasierte Materialien und Mineralstoffe verkleben und anwendungsorientiert prüfen zu können.
Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen und Paraffinen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten sowie als Verarbeitungshilfsmittel bei Polymeren getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.
Das Gesamtziel von NaPeMon ist die Entwicklung eines elektrochemischen Verfahrens zur Umwandlung von Monoterpenen des Rohterpentins aus industriellen Reststoffströmen in werthaltige Plattformchemikalien (Carbonylverbindungen) und deren anschließende Umsetzung zu Alkoholverbindungen. Spezifische Ziele dieses Verbundvorhabens sind: a) die Nutzung heimischer, regenerativer Ausgangsstoffe (Rohterpentin aus der Zellstoffindustrie) mit industrierelevanter Verfügbarkeit, b) die elektrochemisch mediierte Periodatspaltung von Monoterpenen in Dicarbonylverbindungen, c) die elektrochemische Reduktion von Carbonylverbindungen, d) die Kopplung der elektrochemischen Periodatregeneration als anodische Halbzellreaktion mit der reduktiven Alkoholsynthese in der kathodischen Halbzelle in einem integrierten Elektrolysesystem ('200% Zelle'), e) die Skalierung des gekoppelten elektrochemischen Prozesses, f) die Vermeidung von Abfällen durch prozessintegrierte Regeneration der Oxidationsäquivalente (elektrochemische Regeneration von Periodat), g) die Bereitstellung attraktiver Plattformchemikalien (Monoterpen-basierte Dicarbonylverbindungen und entsprechende Dialkohole) für die chemische Industrie. Ziel des Teilvorhabens von Fraunhofer IGB ist die Entwicklung eines reduktiven elektrochemischen Prozesses zur Umsetzung von Monoterpen-basierten Dicarbonylverbindungen in Dialkohole, die als Plattformchemikalien für die Herstellung von Polymeren und Harzen genutzt werden können. Dieser reduktive Prozess soll so flexibel gestaltet werden, dass er mit der oxidativen Spaltung von Periodat in einem elektrochemischen Gesamtprozess gekoppelt werden kann. Die Elektrodenmaterialien und elektrochemischen Prozessparameter werden identifiziert, bewertet und optimiert, unter anderem im Hinblick auf die Robustheit für den Langzeitbetrieb mit komplexen Eduktgemischen.