Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben (FSP-Klebstoffe) Biomimetischer Klebstoff aus ligninhaltigen Pflanzenresten (BioBond); Teilvorhaben 1

Anschrift
Fachhochschule Aachen - Campus Jülich - Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften und Technik - Institut für Nano- und Biotechnologien
52428 Jülich
Heinrich-Mußmann-Str. 1
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Nils Tippkötter
Tel: +49 241 6009-53884
E-Mail: tippkoetter@fh-aachen.de
FKZ
22030514
Anfang
01.10.2015
Ende
31.03.2019
Aufgabenbeschreibung
Die weltweite Produktion von Chemikalien basiert auf fossilen Rohstoffen. Um der globalen Erwärmung und dem Verbrauch fossiler Brennstoffe entgegenzuwirken, sind alternative Ressourcen dringend erforderlich. Nachwachsende Rohstoffe wie Lignin oder Chitosan werden dabei einen wesentlichen Einfluss auf den Ersatz fossiler Ressourcen in der chemischen Industrie haben. Aufgrund von EU-Regularien und Umweltinitiativen wächst der Markt für nachhaltige und abbaubare Klebstoffe stetig. Ziel des Verbundprojektes „Biomimetischer Klebstoff aus ligninhaltigen Pflanzenresten“ (BioBond) ist die Entwicklung eines Adhäsiv, das auf nachwachsten Rohstoffen basiert. Die Haftung soll durch das „Nachahmen“ der Haftfähigkeit der Miesmuschel etabliert werden. Als Gerüst soll zum einen Organosolv-Lignin dienen, ein Nebenstrom der Lignocellulose-Bioraffinerie. Lignin zählt zu den wenigen erneuerbaren Quellen für phenolische Bestandteile und birgt daher großes Potential als Baustein für neuartige Materialen und Produkte mit einem neutralen CO2-Fußabdruck. Lignin wird meist thermisch verwertet, da Ansätze zum mikrobiologischen oder enzymatischen Abbau von Lignin komplex und zeitaufwändig sind. Chitosan ist ein biogenes Polymer, dass in Insekten und Pilzen natürlicherweise vorkommt. Seine reichhaltige Verfügbarkeit macht es zu einem hervorragenden Backbone für ein Catechol-Adhäsiv. Neben Lignin soll daher Chitosan als Backbone für unseren Muschelklebstoff verwendet werden. Muscheln besitzen die Fähigkeit unter Wasser, an Schiffen oder an metalloxidhaltigen Oberflächen zu haften. Funktionsweisend für die Adhäsion des Muschelklebstoffes ist die Catecholgruppe der Aminosäure L-DOPA. Ziel war es, durch das Nachahmen der Adhäsionseigenschaften der strukturverwanden Muschel-Aminosäuren ein starkes, vollständig biobasiertes Adhäsiv mit einem Lignin oder Chitosan-Backbone zu entwickeln.
Ergebnisdarstellung
Um ein Adhäsiv zu entwickeln, dass aus nachwachsen Rohstoffen besteht, nachhaltig hergestellt werden kann und dessen Haftkraft die Muschel nachahmt, wurde ein Konzept bestehend aus drei Bestandteile etabliert: Lignin oder Chitosan als Backbone, Laccasen als Katalysatoren und Catechole als funktionelle Gruppe. Im Folgenden werden die Ergebnisse von Teilprojekt 1 dargestellt. Zunächst wurde Organosolv (OS)-Lignin, ein Nebenstrom der Lignocellulose-Bioraffinerie, als Gerüst für das biologische Klebstoffsystem ausgewählt. Zur Funktionalisierung von Lignin wurde ein zweistufiger Prozess etabliert: Im ersten Schritt wird L-Lysin unspezifisch an Lignin gebunden, um einen Amin-Anker für die Funktionalisierung mit einem Catechol bereitzustellen. Anschließend werden geeignete Catechol-Donoren an die primären Amine des Lignins gehängt. Insgesamt konnte ein Lignin-Catechol Adhäsiv nach dem Vorbild der Muschel entwickelt werden, dass biogenen Ursprungs ist und ohne toxische Chemikalien produziert werden kann. In Stirnzugversuchen konnte eine maximale Zugfestigkeit auf Aluminumzylindern von 0,3 MPa erzielt werden. Mittels SuperPro-Designer wurden die Produktionskosten auf 11 Euro pro kg geschätzt. Die Funktionalisierung des Chitosan-Backbones erfolgte durch eine autokatalytische Bildung einer CN- Bindung mit Catecholen. Mittels AT-IR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die CN-Bindung bei einem pH-Wert von 5 ausgebildet wird. Im stark sauren Milieu (pH 1) findet hingegen keine Reaktion statt. Die Optimierung der Haftkraft wurde durch Teilprojekt 2 durchgeführt. Auf Korund gestrahlten Aluminiumzylindern konnte eine Haftkraft von 4,56 ± 0,54 MPa gemessen werden. Unsere Kostenkalkulation hat ergeben, dass die Produktionskosten für unser Chitosan-Catechol bei rund 7 Euro pro kg liegen.

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