Transglutaminase‐quervernetzte Proteine als Bindemittel ... · Folie 1 Abschluss‐Workshop FNR...

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


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


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


Motivation

Herausragende Eigenschaften proteinbasierender Biomaterialien

Knochen:Komposit aus enzymatisch quervernetztemKollagen und Calcium‐Phosphat

Spinnenseide:Physikalisch vernetztes Protein


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


• 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


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


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


Co‐expression of mTG and its pro‐peptide as independent polypeptides

Hitzeaktivierung von pro‐mTG Varianten

[PDB 31U0]

2‐Komponenten Bindemittelsystem


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


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 %


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


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




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]


DQ von PB mit Casein/Erbse + Enzymen

TS bei Casein mit TG Activa gegenüber Erbse niedriger, BS 16 negativ

PB11,5 mm




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 [%

]


MDF mit Erbse (TG Activa quervernetzt)

MDF11,5 mm


0 und 10 % Erbse(Blowline)

0 und 2 % Enzym TGActiva

(Blender)0 % Paraffin

26 s/mm bei 170 °C


MDF mit Erbse (TG Activa quervernetzt)


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





26 s/mm bei 170 °C


DQ von MDF mit Erbse + Enzym

TS bei allen Varianten nicht messbar, Enzym ohne Einfluss ?

MDF11,5 mm





26 s/mm bei 170 °C


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


0 und 10 % Erbse(blowline)


(blender)0 % Paraffin

26 s/mm bei 170 °C


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


BMEL als Projektförderer FNR als Projektträger

Auditorium

Dank

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