Forschung

Fossile Rohstoffe durch nachwachsende, biobasierte Alternativen zu ersetzen oder die Erschließung erneuerbaren Rohstoffquellen zu fördern sind Eckpfeiler der österreichischen Bioökonomiestrategie 2030. Eine bisher ungenutztes Potential bieten dazu Wasserpflanzen (Makrophyten). Klimatisch bedingte Veränderungen sowie Eutrophierung der Oberflächengewässer führen in Wien und Umgebung zur Zunahme der Wasserpflanzenbestände. Das zeigt sich unter anderem an der zunehmenden Verkrautung in der Alten sowie Neuen Donau. Um die ökologische Qualität und Erholungsaktivitäten zu gewährleisten, ist die Entfernung dieser Bestände unumgänglich. Untersuchungen der Universität für Bodenkultur (BOKU) am Standort Tulln zeigten, dass sich aus dieser Biomasse wertvolle Spezialpapiere sowie biobasierte und hoch verdichtete Plattenwerkstoffe herstellen lassen. Hierfür wurde ein Fasermaterial verwendet, das durch ein Aufschlussverfahren aus den Wasserpflanzen gewonnen wird. Die Wasserpflanzen haben aber auch einen hohen Anteil an Proteinen und löslichen Biopolymeren, die zur Herstellung von Klebstoffen verwendet werden können. Weiterhin besitzen Extraktstoffe der Wasserpflanzen antioxidative Eigenschaften und können somit in intelligente Verpackungsmaterialien eingearbeitet werden. In diesem Folgeprojekt möchte die BOKU gemeinsam mit dem Umweltbundesamt eine kaskadische Nutzung der Wasserpflanzen untersuchen. Dadurch soll ein ökologisches und ökonomisches Konzept entwickelt werden für eine Nutzung der Bestandteile der Wasserpflanzen in unterschiedlichen Materialanwendungen.

„Grüne Chemie“ ist ein sehr aktuelles und populäres Schlagwort. Die Notwendigkeit für bessere, grünere Prozesse in der chemischen Industrie und in den Bioraffinerie- und Cellulose-Wertschöpfungsketten ist heutzutage unbestritten und der fortschreitende Übergang von einer fossilen zu einer auf erneuerbaren Energien, Materialien und Prozessen basierenden Gesellschaft steht außer Frage. Grüne Chemie bedeutet viel mehr als nur von nachwachsenden Rohstoffen auszugehen – obwohl dies eine wichtige Voraussetzung ist. Ein grüner chemischer Prozess berücksichtigt alle damit verbundenen Prozesseigenschaften, wie etwa Ausbeuten, Lösungsmittel, Hilfsstoffe, Recyclingfähigkeit, Energieflüsse, Abbau- und Nebenprodukte, Umweltaspekte, und oft verschlechtert die Unzulänglichkeit dieser Kriterien die Nachhaltigkeit vermeintlich grüner chemischer Ansätze. Die Zellstoff- und Papierindustrie als Paradebeispiel für Bioraffinerie, sowie große Teile der Textilindustrie und viele Folgeindustrien, die auf Cellulose (und Lignin) basieren, haben den Vorteil, dass sie bereits nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) verwenden. Mit der zunehmenden Fokussierung auf Nachhaltigkeits- und Umweltthemen gewinnen „grüne“ Prozessaspekte immer mehr an Bedeutung und die Wissenschaft muss sich den damit verbundenen Grundlagenaspekten stellen. Das gestiegene Interesse an grüner Chemie aus akademischer Sicht geht damit Hand in Hand mit der industriellen Nachfrage nach grünen Prozessen und Produkten – eigentlich eine Win-Win-Situation. Ausgehend von diesem allgemeinen Hintergrund und begünstigt durch 25 Jahre Forschungstätigkeit rund um die Chemie nachwachsender Rohstoffe und Bioraffinerie an der BOKU – insbesondere der Cellulose- und Ligninchemie – wird sich das vorgeschlagene „CD-Labor für Cellulose Hightech-Materialien“ gemeinsam mit den vier Industriepartnern folgenden Forschungs- und Entwicklungsthemen widmen: • Überkritische CO2-Methoden zur Trennung, Analyse, Reinigung und Derivatisierung von Cellulose und Biomassekomponenten. • Kombination von Cellulose und nachwachsenden Rohstoffen mit modernen, nachhaltigen Modifizierungsmethoden zur Vermeidung von Greenwashing von Produkten und Prozessen. • Erweitertes Verständnis des Abbaus und der Alterung von Bioraffinerie- und Cellulose-Verarbeitungskomponenten als Grundlage für die Minimierung von Nebenreaktionen während der Verarbeitung, sowie der Verlängerung der Lebenszyklen und Verbesserung der Recyclingfähigkeit von Produkten. • Fortgeschrittene Charakterisierung von (oberflächen-)modifizierten Biomasse-/Cellulosekomponenten auf molekularer Ebene für ein besseres Verständnis von Struktur-, Eigenschafts- und Anwendungs-Beziehungen. • Zellulosechemie, Derivatisierung, Quell- und Auflösungsverhalten, Reaktivität, Stabilität, Analyse und Charakterisierung auf molekularer Ebene, Profiling funktioneller Gruppen und der Molekulargewichtsverteilung, Abbauverhalten und -mechanismen, Zellulose-Modellverbindungen, und Chromophorchemie. Geplant sind vier Themenfelder, die jeweils grob mit dem jeweiligen Fachgebiet und den Interessen eines der vier Industriepartner übereinstimmen: • Thema 1: Stärkungs- und Verdichtungsstrategien für cellulosebasierte Filterprodukte • Thema 2: Stabilisierung von Lyocell-Spinnlösungen für eine sichere und effiziente Produktion von Cellulosefasern • Thema 3: Cellulosederivate und Biomasse-basierte Nicht-Isocyanat-Polyurethane (NIPUs) als Bindemittel • Thema 4: Umweltfreundliche Textilfärbung

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts werden Materialien zur Trennung und Analyse chiraler Verbindungen basierend auf Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) entwickelt und bewertet. Thematisch ist die Forschungsarbeit an der Schnittstelle zwischen organischer und analytischer Chemie, Chemie nachwachsender Rohstoffe (Cellulose und andere Polysaccharide) und im Bereich pharmazeutische Analytik angesiedelt. Die Trennung chiraler Verbindungen in die jeweiligen Enantiomere ist eine allgegenwärtige analytische und präparative Herausforderung in medizinischen, pharmazeutischen und chemischen Disziplinen. Dies betrifft beispielsweise die Herstellung und Reinheitsbestimmung von chiralen Arzneimitteln (z.B. Ibuprofen), die pharmakokinetische Studie optisch aktiver Pharmazeutika sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin, sowie die Untersuchung von Lebensmittelkontaminanten (z.B. Mykotoxine) und Umweltschadstoffen (z.B. chirale Fungizide und Pestizide). Die gängigste Methode hierbei ist chirale HPLC. Eine Vielzahl an HPLC-Säulenmaterialien basierend auf verschiedensten chiralen Selektoren ist bereits kommerziell erhältlich, wobei sich Polysaccharid-basierte Kieselgel-Hybrid-Phasen als die leistungsstärksten herauskristallisiert haben. Diese sind allerdings nur in neutraler Form verfügbar. Chirale Verbindungen enthalten jedoch auch saure und basische molekulare Struktureinheiten und liegen daher häufig in ionisierter Form als organisches Salz vor. Ziel des Projektes ist es, neuartige chirale Ionentauscher auf Basis von Polysaccharid-Derivaten herzustellen, welche zur Auftrennung bisher schwer- bis nicht-trennbarer Säuren und Basen in den oben genannten Disziplinen genutzt werden können. Hierbei sollen in weiterer Folge auch die zugrundeliegenden molekularen Erkennungsmechanismen zum besseren Verständnis der Trennparameter untersucht werden.