Energie und Umwelt
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Blickpunkt Forschung: Materialinnovationen @ TU Wien

BM.1 Neuartige Faserbetone

Projektass. Dr. Ildiko Merta, Institut für Hochbau und Technologie, FB Baustofflehre, Werkstofftechnologie und Brandsicherheit

Aufgrund sensibler Daten ist die Präsentation derzeit nicht online verfügbar. Bitte wenden Sie sich bei Interesse direkt an die Vortragende.

BM.2 Maßgeschneiderte 3D gefertigte Produkte aus bio-basierten erneuerbaren Rohstoffen

Projektass. Dr. Stefan Baudis, Institut für Angewandte Synthesechemie, FB Makromolekulare Chemie
Dr. Christian Gorsche, Cubicure GmbH

Das Ziel des Projekts ist die Etablierung einer neuen Klasse an bio-basierten, auf nachwachsender Chemie aufbauenden Formulierungen für Lithographie-basierte additive Fertigungstechnologien (licht-basierte 3D Druckverfahren). Die zurzeit kommerziell erhältlichen Formulierungen für Lithographie-basierte additive Fertigungstechnologien (L-AMTs) basieren hauptsächlich auf petrochemischen Produkten, die ursprünglich für Beschichtungen in der Lackindustrie entwickelt wurden, z.B. (Meth)Acrylat-Monomere und Oligomere. Trotz des schlechten Rufs der (Meth)Acrylate, aufgrund ihrer gesundheitsgefährdenden Eigenschaften (beispielsweise bekamen sie den Titel "Allergen des Jahres 2012" verliehen von der amerikanischen Gesellschaft für Kontaktdermatitis) besetzt dieser Typus von lichthärtbaren Harzen den überwiegenden Marktanteil. Eine weitere kritische Komponente in gegenwärtig angewendeten Formulierungen ist der Photoinitiator, der die Vernetzungsreaktion, ausgelöst durch Licht, startet. Stand der Technik im Bereich der Photoinitiatoren sind kleine Moleküle, welche grundsätzlich migrationsanfällig sind. Beispielsweise wurden im Jahre 2005 in vier europäischen Ländern Spuren von Isopropylthioxanthon (ITX), ein häufig angewendeter Photoinitiator, in Babymilch gefunden. Es wurde ermittelt, dass das ITX aus der lichtgehärtenden Tinte der Milchpackungen stammte.

Die Motivation für dieses Projekt ist es, diese drei Probleme der 3D Druckindustrie zu lösen:
(1) die Nicht-Nachhaltigkeit und die gesundheitlichen Bedenken bezüglich
(2) (Meth)Acrylaten und
(3) Photoinitiatoren.
Grundlage für die neu entwickelten L-AMT Systeme werden lichthärtende Harze sein, die auf Biopolymeren, Lignin und Hyaluronsäure basieren, welche mit lichtvernetzbaren Gruppen modifiziert wurden. Lignin ist ein Abfallprodukt der Zellstoffindustrie und aus diesem Grund besonders interessant als Rohstoff. Um die Schädlichkeit der Komponenten zu verringern, werden die giftigen (Meth)Acrylate durch wenig giftige Gruppen ersetzt, z.B. durch Vinylester oder durch ungesättigte Fettsäuren, welche die Nachhaltigkeit weiter betonen.

Ein anderes wichtiges Ziel des Projekts ist die Entwicklung migrationsstabiler Photoinitiatoren, um weitere gesundheitliche Bedenken zu verringern. Das wird erreicht werden durch die chemische Anbindung der Photoinitiatoren an makromolekulare Komponenten, durch polymere Photoinitiator-Konzepte oder durch chemische Einbindung der Gruppen in das entstandene Netzwerk und eine damit verbundene Immobilisierung.
Fortschrittliche Fertigungsmethoden werden daraufhin mit zwei verschiedenen Verfahren des L-AMT ausgeführt:
(1) der Stereolithographie von den hoch-viskosen bis pastösen Formulierungen in einem neuen und innovativen industriellen Aufbau, um die flexible Produktion von maßgeschneiderten Bauteilen zu demonstrieren, und
(2) die Zwei-Photonen-Lithographie in einem experimentellen Aufbau, um die überragende Auflösung (<1 µm) dieser Vorreitertechnology zu nutzen.

Präsentation Baudis

BM.3 Medizinprodukte aus dem Bioreaktor (Tandem scFV Projekt 2017)

Associate Prof. Dr. Oliver Spadiut, Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften, FB Bioverfahrenstechnik
Dr. Florian Forster, Sciotec Diagnostic Technologies

Ausgangssituation, Problematik und Motivation: Immer mehr Menschen leiden unter Beschwerden, wie Magen-Darm Problemen, Kreislaufbeschwerden, Migräne, Asthma, Hautkrankheiten, sowie anderen allergieähnlichen Symptomen. In sehr vielen Fällen ist eine Unverträglichkeit gegenüber gewisser Bestandteile unserer Nahrung die Ursache für diese Beschwerden. Speziell die Zöliakie, als komplexe Kombination von Unverträglichkeit, Entzündungs- und Autoimmunreaktion, hat in den letzten Jahren wesentlich an klinischer Bedeutung gewonnen (mehr als 15 Millionen Menschen in Europa leiden unter dieser Systemerkrankung). Obwohl sich ein paar wenige potentielle Medikamente in präklinischen oder klinischen Phasen befinden, ist das Einhalten einer strikten glutenfreien Diät zurzeit die einzige Möglichkeit der Krankheit Zöliakie zu begegnen.

Ziele und Strategie: Um eine Möglichkeit für Zöliakiepatienten zu schaffen, geringe Mengen an Gluten zu verzehren ohne die Entzündungskaskade in Gang zu setzen, haben wir Glutosin® entwickelt. Glutosin® ist ein Kombinationspräparat, welches gefällte Gerbsäure sowie neuartige Gluten-spezifische Antikörperfragmente (scFv) einsetzt, um verzehrte Gluten-Peptide nicht mehr bioverfügbar zu machen. Die Gerbsäure reagiert mit den Epithelzellen des Dünndarms und macht die Öffnung der Tight Junctions durch Gliadin deutlich schwieriger, die rekombinanten Antikörperfragmente (scFv) binden die Gliadin-Peptide und verhindern somit ihre Aufnahme. Dazu haben wir spezielle, neuartige scFv-Dimer Tandem Konstrukte designed, die in E. coli aber nur als unlösliche, falsch gefaltene Proteinaggregate (sog. inclusion bodies; IBs) produziert werden können. Daher haben wir in den letzten Jahren die recht komplexen Prozessschritte Produktion der scFv IBs im Bioreaktor, Ernte der IBs, Waschen, Solubilisierung und Refolding der IBs sowie Produktreinigung erfolgreich entwickelt. Das rückgefaltene, gereinigte Produkt wurde bereits erfolgreich in in vivo-Toxizitätsstudien getestet. Weiters haben wir die Prozesskette von der Vorkultur bis hin zum finalen Produkt integriert analysiert, um Zusammenhänge zwischen den einzelnen Unit Operations sowie den Qualitätsattributen des Produktes besser verstehen und somit kontrollieren zu können. Bislang werden in der Bioverfahrenstechnik einzelne Unit Operations meist getrennt voneinander und offline analysiert, was zu zeitlichen Verzögerungen und daher zu Fehl-Batches führt. Diese Analysen sowie smartes Prozessdesign erlauben es uns, das gewünschte scFv-Dimer skalierbar und günstig zu produzieren, und somit Glutosin® in Zukunft als preisgünstiges Medizinprodukt anbieten zu können. In unserer Kooperation haben wir bislang Folgendes erfolgreich entwickelt/getestet:
1. Neuartiges Tandem scFV Dimer
2. Rekombinanter Produktionsprozess des scFv Dimers als IBs in E. coli
3. IB Prozess mit finalem refolding yield von ca. 40%
4. Integrierte Prozessanalyse für Prozessverständnis und - kontrolle
5. In vitro-Studien mit Caco Zelllinien
6. In vivo-Toxizitätsstudien

Ausblick:
1. Risk assessment
2. Testen der Prozessrobustheit
3. Upscaling des Produktionsprozesses
4. Herstellung der Klinikcharge für die orale Darreichungsform
5. In vivo-Studie mit humanen Probanden

Projektwebsite

Präsentation Spadiut

BM.4 Biotreibstoff und Bioraffinerie

Univ.Ass. Dr. Walter Wukovits | Univ.Ass. Dr. Martin Miltner, Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften, FB Thermische Verfahrenstechnik und Simulation

Waste2Fuels
hat sich zum Ziel gesetzt, Technologien zu entwickeln um agro-industrielle Abfallströme in hochqualitatives Biobutanol umzuwandeln. 1-Butanol wird als Lösungsmittel in der Industrie (Chemie, Textilien) und in Lacken, als Basischemikalie (Butylacrylat, Butylacetat) oder Extraktionsmittel eingesetzt. Darüber hinaus wird es als vielversprechender Biotreibstoff angesehen. Derzeit wird 1-Butanol ausschließlich petrochemisch hergestellt. Bis etwa in die 1950er Jahre fiel 1-Butanol als Nebenprodukt der ABE (Aceton-Butanol-Ethanol)-Fermentation an. Während der Prozess in China, der Sowjetunion oder in Südafrika noch einige Jahrzehnte weiterbetrieben wurde, verlor er an Bedeutung, das er nicht wettbewerbsfähig gegenüber der petrochemischen Synthese war.

Die wichtigsten technischen Neuerungen im Zuge des Projektes Waste2Fuels umfassen:
• Entwicklung neuer Vorbehandlungsmethoden, um agro-industrielle Abfälle in einen geeigneten Rohstoff für die Produktion von Biobutanol umzuwandeln
• Entwicklung genetisch modifizierter Mikroorganismen, um die Effektivität der Biobutanol-Fermentation zu erhöhen
• Kopplung von Biofilm-Reaktor und Lösungsmittelabtrennung, um die Umwandlung der Rohstoffe in Aceton, Ethanol und Butanol zu verbessern
• Aufwertung/Nutzung von Nebenprodukten
• Entwicklung eines integrierten Modells, um den Prozess zu optimieren und die Übertragung in den industriellen Maßstab zu erleichtern
• Analyse des Prozesses mittels Ökobilanz und techno-ökonomischer Betrachtung
• Untersuchung möglicher Versorgungsketten und Entwurf einer Strategie zur Abfallbewirtschaftung.

Lignozellulosebasierte Bioraffinerie
Lignozellulose aus Biomasse stellt ein vielversprechendes Substrat für die Herstellung hochwertgeschöpfter Produkte über integrierte Bioraffineriekonzepte dar. In unseren Konzepten wird die Lignozellulose-Biomasse zunächst in einem gestuften Organosolv-Prozess fraktioniert (Bioaktive Stoffe, Zellulose, Hemizellulose/Mischzuckerfraktion, Lignin) und anschließend diese Fraktionen je nach Anwendungsfall vorkonditioniert. Dann werden die Einzelfraktionen einer weiteren Veredelung zugeführt. Als bioaktive Stoffe sind je nach Ausgangsrohstoff und Betriebsbedingungen des initialen Aufschlusses unterschiedlichste Substanzgruppen wie Polyphenole, Pigmente, Anthraquinone, Alkaloide, Anthocyanine oder Cannabinoide auskoppelbar. Lignin wird nach einem von uns patentierten Verfahren in Nanolignin übergeführt. Für dieses Produkt sind vielfältige und hochwertige Anwendungen im Bereich Verpackungsindustrie, Nahrungsmittel und Nahrungsergänzungsmittel, Kosmetik und Pharma bekannt. Zellulose kann gemäß des Standes der Technik als Faser z.B. in der Zellstoff- sowie Papier- und Kartonagenproduktion verwendet werden, oder aber, nach einer enzymatischen Hydrolyse in Glucose, als Rohstoff für weitere Synthesen dienen. Die Hemizellulosenfraktion schließlich, selbst eine Mischung aus C5- und C6-Zuckern, kann ebenfalls als Rohstoff für weitere Synthesen herangezogen werden. Vorgesehen sind hier biotechnologische Synthesen (Fermentationen), beispielsweise auf Pilz- oder Bakterienplattformen, deren Stoffwechsel das hochwertgeschöpfte Produkt als Metabolit enthält. Auf diese Weise sind vielfältigste Biomassen und organische Reststoffströme vollständig in wertvolle Produkte überführbar. Ökonomisch nicht sinnvoll verwertbare Ströme können im integrierten Bioraffineriekonzept schließlich über den Biogasweg zur Energieproduktion verwendet werden. Experimentelle Untersuchungen im Bereich der Biomassefraktionierung und der Nanoligninproduktion können auf verschiedenen Skalen durchgeführt werden (Labor, Technikum) und liefern Informationen zur optimalen Betriebsführung. Die Entwicklung integrierter Bioraffineriekonzepte, Produkte und Produktionsprozesse wird begleitet durch Prozesssimulation und Life Cycle Assessment.

Projektwebsite Waste2Fuels
Projektwebsite Lignozellulosebasierte Bioraffinerie

Präsentation Wukovits/Miltner

Anmerkung:

Die vorliegenden Präsentationen sind interne Projektdokumentationen, die hier laut §42g UrhG den Teilnehmer_innen der Veranstaltung „Blickpunkt Forschung: Materialinnovationen @ TU Wien am 19.09.2018" zur Ansicht zur Verfügung gestellt werden. Eine Verbreitung des Materials insbesondere zu kommerziellen Zwecken ist nicht gestattet. Darüber hinaus ist ein weiteres Online-Stellen der Unterlagen nicht zulässig.