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Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe: Verbundvorhaben 'Maßgeschneiderte Lipasen zur Herstellung von neuartigen amphiphilen Polysacchariden' (BIOCATPOL), Teilprojekt B

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.

Partikelschaumwerkstoff auf Basis stärkehaltiger Rohstoffe, Teilvorhaben 3

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.

Partikelschaumwerkstoff auf Basis stärkehaltiger Rohstoffe, Teilvorhaben 1: Verfahrens- und Formteilentwicklung

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.

Partikelschaumwerkstoff auf Basis stärkehaltiger Rohstoffe, Teilvorhaben 2

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.

Mi2Pro: Skalierbare Milli- und Mikroproduktionstechnik zur energieeffizienten, kontinuierlichen Fertigung in der Prozessindustrie, Teilvorhaben: Ingenieurtechnische Methoden - Teilvorhaben: Funktionalisierung von Proteinen in der Lebensmittelproduktion (Cargill)

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.

Multifunktionale, sprühfähige und biologisch abbaubare Folien auf der Basis nachwachsender Rohstoffe im landwirtschaftlichen und gärtnerischen Kulturpflanzenbau, Teilvorhaben 3

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.

Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserver- und -entsorgung - Teil 1: Trinkwasser, Kernprojekt C7A: Neue Oxidations- und Sorptionsverfahren zur Entfernung von Partikeln und gelösten Störstoffen

Im Forschungsprojekt wurde einerseits die Möglichkeit des Einsatzes von Voroxidationsverfahren zur Flockungsverbesserung untersucht Für den Einsatz der Verfahren in Schwellen- und Dritte Welt Ländern sind veränderte Randbedingungen wie extreme Temperaturbereiche und Rohwasserbeschaffenheiten sowie die Verfügbarkeit von Chemikalien, Materialien und Fachwissen vor Ort zu beachten. Untersucht wurde im Detail der Erfolg einer Voroxidation bei Verwendung eutropher Rohwässer. Sowohl die mit Ozon als auch mit H2O2 stellten sich in den Versuchen als effiziente und praktikable Möglichkeit der Verbesserung der Flockung dar. Hohe Gehalte an gelösten organischen Stoffen stellen ein Potenzial für die Bildung halogenorganischer Verbindungen bei der Desinfektion durch Chlorung dar. Aus diesem Grund wurde untersucht inwieweit eine Entfernung gelöster organischer Stoffe durch Adsorption an Granuliertem Eisenhydroxid erfolgen kann. In den Versuchen zeigte sich, dass die ursprünglich geplante Regeneration des Adsorbens problematisch ist; eine vollständige Ablösung der adsorbierten Stoffe gelingt bei NOM aus Oberflächenwasser nicht. Ursache sind makromolekulare Stoffe, die sich an die Adsorbensoberfläche irreversibel anlagern. Für die Verringerung des DOC kommt dieses Verfahren daher nicht in Betracht.

Wechselwirkung zwischen Extrazellulären Polymeren Substanzen und Kationen

Die Wechselwirkung zwischem dem Polysaccharidanteil von Extrazellulären Polymeren Substanzen und den in der wässrigen Phase enthaltenen Kationen ist von maßgeblicher Bedeutung für die mechanischen und physikochemischen Eigenschaften eines Biofilms. Ziel des vorliegenden Teilprojekts ist die Untersuchung von kationisch induzierten Strukturänderungen des Polysaccharids. Insbesondere sollen Metallkomplexe charakterisiert werden, die das Polysaccharid bekanntermaßen in Gegenwart von zweiwertigen Metallionen ausbildet. Von größtem Interesse sind dabei Komplexstrukturen, die zur Verknüpfung verschiedener Polysaccharidketten und damit zur Bildung eines molekularen Netzwerks führen. Methodisch steht die kernmagnetische Resonanzspektroskopie, teilweise unter Anwendung von selektiver Isotopenmarkierung der Biopolymere, im Vordergrund. Die Beobachtung der 13C-Signale dient gleichermaßen der Detektion struktureller Veränderungen als auch der Messung der lokalen molekularen Beweglichkeit. Ergänzend ist die Anwendung anderer physikalisch-chemischer Methoden (Viskosimetrie, Konduktometrie) geplant. Die Ergebnisse sollen zu einem tiefergehenden Verständnis der Phänmomene führen, die makroskopisch an den Extrazellulären Polymeren in Gegenwart von Metallionen beobachtet werden.

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