Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Funktionalisierte Ligninspaltprodukte als Synthesebausteine für die Herstellung von Klebstoffen, Lacken, Polyurethanen und Epoxyden (Lignoplast); Teilvorhaben 6: Enzymatische Ligninfunktionalisierung

Anschrift
Universität Stuttgart - Fakultät 4 Energie-, Verfahrens- und Biotechnik - Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP)
70569 Stuttgart
Pfaffenwaldring 31
Kontakt
Prof. Dr. habil. Günter Tovar
Tel: +49 711 970-4109
E-Mail: guenter.tovar@igvp.uni-stuttgart.de
FKZ
22024612
Anfang
01.07.2013
Ende
31.12.2016
Aufgabenbeschreibung
Im Verbundvorhaben LIGNOPLAST entwickeln 5 Forschungseinrichtungen und 8 Industrieunternehmen innovative Verfahren zur Herstellung aromatischer Synthesebausteine aus verschiedenen Lignintypen und deren Anwendung in Klebstoff-, Lack-, Polyurethan- und Epoxidsystemen. Als Rohstoffe werden unterschiedliche technische Lignine aus der Zellstoffproduktion, wie z.B. Kraft-Lignin und Lignine aus "Bioraffinerieverfahren" (Organosolv-Lignin oder Hydrolyse-Lignine, die als Reststoffe der enzymatischen oder sauren Verzuckerung anfallen) eingesetzt. Die gewünschten Synthesebausteine werden durch hydrolytischen Abbau der makromolekularen Struktur der Lignine und anschließende chemische und enzymatische Funktionalisierung gewonnen. Die Struktur der Synthesebausteine wird dabei so gezielt angepasst, dass neue Klebstoff-, Lack-, Polyurethan- und Epoxidsysteme formuliert werden können. Diese werden in Musterwerkstoffen und -bauteilen eingesetzt, welche anwendungstechnisch charakterisiert und mit konventionellen Systemen verglichen werden. Über die gesamte Prozesskette findet eine ökonomische und ökologische Bilanzierung sowie abschließend eine Konzeptentwicklung für eine industrielle Umsetzung statt. Im Teilvorhaben des IGVP sollten neue Enzymen zur Lignin-Modifizierung und Modifizierung von Lignin-Abbauprodukten untersucht werden. Zunächst werden bakterielle Enzymen zur Modifizierung von Lignin und Ligninabbauprodukten in silico identifiziert. Potenzielle Kandidaten für die Modifizierung von Lignin und aromatischen Lignin- Abbauprodukten sollten über heterologe Expression hergestellt, aufgereinigt und charakterisiert werden, wobei zudem eine Eignung der untersuchten Enzyme für einen Prozess zur Modifizierung von Lignin oder Ligninabbauprodukten untersucht werden soll.
Ergebnisdarstellung
Es wurden zahlreiche Enzyme in ligninolytischen Bakterien im Rahmen einer Genomsequenzierung identifiziert. Darunter Dioxygenasen zur Ringspaltung, Hydroxylasen zur Einführung von OH-Gruppen in Aromaten, Decarboxylasen für eine Decarboxylierung von Aromaten und auch die Recarboxylierung aromatischer Moleküle. Diese putativen Enzyme sind vielversprechend bezüglich der Herstellung von Feinchemikalien und der Modifizierung von Liginabbauprodukten und anderen aromatischen Molekülen. Es wurden eine Dyp-type-Peroxidase des Typs A und eine des Typs C aus zwei Aktinobakterienstämmen ausgewählt, heterolog hergestellt, aufgereinigt und charakterisiert. Die Dyp-type Peroxidase des Typs A zeigte eine geringere Peroxidase-Aktivität, und war zwar in der Lage verschiedene Farbstoffe zu oxidieren, die Umsetzung von Aromaten wie Guajakol und Lignin-Modellverbindungen konnte jedoch nicht gemessen werden. Die Beteiligung dieses Enzymes am Ligninabbausystem des Ursprungsorganismus ist somit fraglich. Diese Peroxidase könnte eventuell im Abbau von Farbstoffen Anwendung finden. Die Dyp-type-Peroxidase des Typs C konnte aromatische Verbindungen und Lignin-Modellsubstanzen sowie Mangan und Veratrylalkohol oxidieren. Diese Verbindungen sind typische Substrate der in Ligninabbau gut beschriebenen pilzlichen Peroxidasen. Somit konnte mit dieser Peroxidase ein vielversprechendes Enzym für die Lignin-Modifizierung und die Umsetzung von Ligninabbauprodukten identifiziert und charakterisiert werden. Die Vanillylalkohol-Oxidase konnte erfolgreich mit hohen Enzymausbeuten in E. coli hergestellt werden und zeigte eine gute Temperaturstabilität. Es konnte die Umsetzung von Vanillylalkohol zu Vanillin und Eugenol zu Coniferylalkohol gezeigt werden. Außerdem konnte Oxidation weiterer Substrate wie Catechol, 3-Methylcatechol, 4-Ethylphenol und p-Cresol beobachtet werden. Die Vanillylalkohol-Oxidase kann für die Einbringung von OH-Gruppen in aliphatische Seitenketten von Aromaten eingesetzt werden.

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