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Folie 1 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Transglutaminase‐quervernetzte Proteine als Bindemittel für
Holzwerkstoffe
TGProHol22025814 MLU 22005315 IHD
Folie 2 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Projektdaten
Projektträger Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR)über Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)
Verbundvorhabenim FSP Klebstoffe
Transglutaminase‐quervernetzte Proteine als Bindemittel für Holzwerkstoffe (TGProHol)Teilvorhaben 1: Enzymoptimierung (FST 1: MLU Halle)
Laufzeit: 01/2016 bis 03/2019Teilvorhaben 2: Verfahrensentwicklung (FST 2: IHD)
Laufzeit: 10/2015 bis 12/2018Industriepartner Kronospan Sandebeck,
Classen Industrie Baruth,Roquette Frankfurt
Folie 3 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Optimierung und Anwendung proteinbasierter Bindemittel zur Herstellung formaldehydarmer Holzwerkstoffe, die ggf. auch recyclierbar sind (Hydrolyse der Proteinvernetzung über Proteasen)
Quervernetzung unterschiedlicher Proteine (u. a. Casein und Erbse)durch Enzym Transglutaminase (TG)
Verbesserung der Thermostabilität des mikrobiellen Enzyms (mTG) Anpassung an Holzwerkstoff‐Herstellungsprozesse
Voraussetzung: Proteine sollen (wasser‐)löslich bzw. quellbar sein, Denaturierung des Protein nicht vorab (z. B. durch thermische Behandlung
bei Sprühtrocknung) sondern erst bei Plattenherstellung
Zielstellung
Folie 4 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Motivation
Herausragende Eigenschaften proteinbasierender Biomaterialien
Knochen:Komposit aus enzymatisch quervernetztemKollagen und Calcium‐Phosphat
Spinnenseide:Physikalisch vernetztes Protein
Folie 5 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Der biologische Quervernetzer mTG
N
OO
N
ONH
H
H
N
ONH2
OH
N
ONH2
H
+
3‐D‐Struktur der Transglutaminase ausStreptomyces mobaraensis (MTG) Reaktionsschema der mTG
+ NH3
‐ / + MTG
Folie 6 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
• Entwicklung eines 2‐Komponenten‐Bindemittelsystems
• Analyse der Quervernetzungs‐struktur des Bindemittels im Holzkomposit
• Erhöhung der Thermostabilitätder mTG und deren Bereitstellung
• Untersuchung zur Rezyklisierungder Holzkomposite
• Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit der Proteine im Herstellungsprozess
• Herstellen von Holzwerkstoffen • Optimierung der Produktions‐
parameter • Übertragung in den industriellen
Maßstab
TGgProHol ‐ Zusammenarbeit
Folie 7 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
AP 1. Entwicklung eines 2‐Komponenten‐Bindemittel‐Systems (Vermeidung Protease) => gelungen, s. u.
AP 2. Untersuchungen zur Lokalisierung und Beschaffenheit des Bindemittels in der Spanplatte=> keine kristallinen Strukturen mittels XRD auffindbar.
AP 3. Verbesserung der thermischen Beständigkeit der Transglutaminase=> gelungen (s. u.)
AP 4. Untersuchungen zur Wiederverwendbarkeit der verwendeten Holzspäne in proteingebundenen Spanplatten => gelungen – proteasebehandelte Spanplatte konnte aufgelöst und
Späne wieder zur Plattenherstellung eingesetzt werden.
Ergebnisse (MLU) ‐ Enzymentwicklung
Folie 8 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Verbesserung der Thermostabilität der mTG
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120 wt S2P BS03 BS12 BS16
Res
takt
ivita
et [%
]
Zeit [min]
Relative Steigerung
Variante t1/2 [min] wtWt‐Activa 1,9 1S2P 3,5 2BS03 21,5 11BS12 31,9 16BS16 37,4 20
Stabilitätstest bei 60°C
Thermostabilität (Halbwertszeit t1/2) bei 60 °C um den Faktor 20 erhöht
Folie 9 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Co‐expression of mTG and its pro‐peptide as independent polypeptides
Hitzeaktivierung von pro‐mTG Varianten
[PDB 31U0]
2‐Komponenten Bindemittelsystem
Folie 10 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
mTG
Pro-mTG
Pro(Y12A)-mTG
Pro(L18A)-mTG
Pro(E31A)-mTG
Pro(Y12A-L18A)-mTG
0
20
40
60
80
100
Rel
ativ
e Ak
tivita
et [%
]
Pro(L18A)‐mTG: Inaktiv bei 24°C, ca. 30% Aktivität (im Vergleich zu aktiver BS16) bei 60°C
Aktivität von Pro‐mTG Varianten
Folie 11 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Ergebnisse zur Protein‐Verarbeitbarkeit
Viskosität von Erbsenproteinsuspensionen (Variation Feststoffgehalt) Viskosität mit Feststoffgehalt
1
10
100
1.000
10.000
100.000
1.000.000
10.000.000
0 0 1 10 100 1.000 10.000
Viskositä
t [mPas]
Scherrate [1/s]
5 % 10 % 15 % 20 %
Folie 12 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
PB mit Casein/Erbse (TG Activa + BS 16 quervernetzt)
PB11,5 mm
einschichtig680 kg/m³
10 % Casein/Erbse0/2 % Enzym
(Activa oder BS 16)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C
Folie 13 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
IB von PB mit Casein/Erbse + Enzymen
IB bei Casein gegenüber Erbse deutlich höher,Enzymaktivierung mit TG Activa bei Casein > BS16, Erbse ohne Einfluss
PB11,5 mm
einschichtig680 kg/m³
10 % Casein/Erbse0/2 % Enzym
(Activa oder BS 16)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
ohneEnzym
ActivaWM
Enzym BS16
ohneEnzym
ActivaWM
Enzym BS16
Casein Erbsenprotein
Que
rzug
festigkeit [N/m
m²]
Folie 14 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
DQ von PB mit Casein/Erbse + Enzymen
TS bei Casein mit TG Activa gegenüber Erbse niedriger, BS 16 negativ
PB11,5 mm
einschichtig680 kg/m³
10 % Casein/Erbse0/2 % Enzym
(Activa oder BS 16)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C0
25
50
75
100
125
150
ohneEnzym
ActivaWM
Enzym BS16
ohneEnzym
ActivaWM
Enzym BS16
Casein Erbsenprotein
Dicken
quellung
24 h WL [%
]
Folie 15 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
MDF mit Erbse (TG Activa quervernetzt)
MDF11,5 mm
einschichtig750 kg/m³
0 und 10 % Erbse(Blowline)
0 und 2 % Enzym TGActiva
(Blender)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C
Folie 16 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
MDF mit Erbse (TG Activa quervernetzt)
Folie 17 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
IB von MDF mit Erbse + Enzym
IB gegenüber bindemittelfreien MDF höher, mit Enzym deutlich verbessert
0,00,20,40,60,81,01,21,4
bindemittelfrei mit Enzym ohne Enzym
ohne Protein Erbsenprotein
Que
rzug
festigkeit [N/m
m²]
MDF11,5 mm
einschichtig750 kg/m³
0 und 10 % Erbse(Blowline)
0 und 2 % Enzym TGActiva
(Blender)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C
Folie 18 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
DQ von MDF mit Erbse + Enzym
TS bei allen Varianten nicht messbar, Enzym ohne Einfluss ?
MDF11,5 mm
einschichtig750 kg/m³
0 und 10 % Erbse(Blowline)
0 und 2 % Enzym TGActiva
(Blender)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C
Folie 19 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Formaldehydabgabe von MDF mit Erbse + Enzym
Formaldehydabgabe (ISO 12460‐3) gegenüber bindemittelfreien MDF niedriger!
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
bindemittelfrei mit Enzym ohne Enzym
ohne Protein Erbsenprotein
Form
alde
hyda
bgab
e [m
g/m²h]
unter Nachweisgrenze , < 0,2 mg HCHO/m²h
MDF11,5 mm
einschichtig750 kg/m³
0 und 10 % Erbse(blowline)
0 und 2 % Enzym TGActiva
(blender)0 % Paraffin
26 s/mm bei 170 °C
Folie 20 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
Herstellung proteingebundener Holzwerkstoffe möglich: höhere Feuchten vor Heißpressen vorteilhaft niedrige Feststoffgehalte hohe Feuchten lange Presszeiten Bindung von HCHO aus dem Holz (MDF‐Versuche Pilotmaßstab)
Enzym TG Activa vernetzt Casein und führt zu besseren Eigenschaften,bei Weizenprotein kein, bei Erbsenprotein wenig Einfluss
Enzyme als Vernetzer temperaturempfindlich,mTG 16 zeigt 20‐fach höhere Thermostabilität bei 60°C als Ausgangsenzym (mTG in Activa) aber: noch keine Verbesserung der Platteneigenschaften
Späne caseingebundener, TG‐vernetzter Spanplatten nach Proteasebehandlungwiederverwendbar
zukünftige Aufgaben:Erhöhung Feststoffgehalte niedrigere Feuchten kürzere PresszeitenEnzym‐Anpassung an HWS‐Herstellungstechnologien (u.a. Temp. > 60°C)
Zusammenfassung
Folie 21 Pietzsch/KrugAbschluss‐Workshop FNR „Klebstoffe…“ Transglutaminase‐quervernetzte Proteine für HWS (TGProHol) Dresden, 18.‐19.09.2019
BMEL als Projektförderer FNR als Projektträger
Auditorium
Dank
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