Design, Produktion und Charakterisierung von artifiziellen Designer Proteinen als biobasierte Bindemittel für Holz- und Sandklebstoffe

Hintergrund

Formaldehydbasierte Harze sind heute zentrale Bindemittel in der Holz- und Gießereiindustrie, etwa bei der Herstellung von Spanplatten oder Sandgussformen. Trotz ihrer guten technischen Eigenschaften gelten sie als gesundheitlich bedenklich: Formaldehyd ist als krebserregend eingestuft und kann sowohl während der Produktion als auch über die Nutzungsdauer von Produkten freigesetzt werden. Entsprechend hat die EU im Rahmen der REACH-Verordnung strenge Emissionsgrenzwerte verabschiedet, die ab 2026 verbindlich gelten [Raydan, Robles et. al, 2021].

Neben gesundheitlichen Aspekten sind Formaldehydharze auch problematisch, da sie auf begrenzt verfügbaren fossilen Rohstoffen basieren und ein Recycling der Endprodukte nur eingeschränkt möglich ist. Dies betrifft insbesondere auf Sandgussformen zu, da Sand neben Wasser die weltweit meistgenutzte Ressource darstellt, welche zunehmend unter Knappheit leidet.

Proteine als Bindemittel

Proteine aus tierischen und pflanzlichen Rohstoffen wurden bereits vor der Industrialisierung als Klebstoffe genutzt. Mit dem Aufkommen kostengünstiger fossiler Harze gerieten sie jedoch in den Hintergrund, nicht zuletzt aufgrund ihrer begrenzten Feuchtigkeitsstabilität und variablen Klebeeigenschaften.

Aktuelle Forschungsansätze untersuchen neben Proteinen auch andere biobasierte Bindemittel, etwa auf Basis von Stärke, Cellulose, Lignin oder Tanninen. Proteinbasierte Systeme bieten dabei ein besonderes Potenzial, stehen jedoch vor der Herausforderung, dass natürliche Proteine nicht primär für adhäsive Funktionen ausgelegt sind und häufig aus Ressourcen stammen, die mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren.

Die Natur liefert jedoch zahlreiche Beispiele hochleistungsfähiger proteinbasierter Klebstoffe, etwa bei Muscheln, Seepocken, Spinnen oder Sandburgenwürmern. Dieses Projekt greift diese biologischen Vorbilder auf und überträgt ihre funktionalen Prinzipien auf artifizielle entwickelte, modulare Designer-Proteine (DPs) ) [Miserez, Mohammadi et. al, 2023].

Mithilfe moderner gentechnischer Methoden werden ausgewählte funktionelle Proteinbausteine kombiniert und biotechnologisch produziert. Die genetischen Baupläne werden in Mikroorganismen wie Escherichia coli oder Pichia pastoris exprimiert, wobei auch Rest- und Nebenströme als Nährmedien genutzt werden können. Nach der Produktion erfolgen Aufreinigung sowie eine umfassende biochemische und materialwissenschaftliche Charakterisierung.

Zielstellung

Im Fokus steht die Entwicklung nachhaltiger, proteinbasierter Bindemittel als Alternative zu formaldehydbasierten Klebstoffen. Die entwickelten Designer-Proteine sollen nicht nur mit konventionellen Formaldehydharzen konkurrieren, sondern diese langfristig ersetzen. Ziel ist ein leistungsfähiges, biobasiertes Bindemittelsystem, das auf erneuerbaren Ressourcen basiert und ein vollständiges Recycling von Holz- und Sandmaterialien ermöglicht. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur Substitution fossiler Klebstoffsysteme und unterstützt Industriepartner bei der Transformation hin zu nachhaltigeren, regulatorisch konformen und zirkulären Produktionsprozessen.

Literatur:

Del Valle Raydan, N., Leroyer, L., Charrier, B., & Robles, E. (2021). Recent Advances on the Development of Protein-Based Adhesives for Wood Composite Materials—A Review. Molecules, 26(24), 7617. https://doi.org/10.3390/molecules26247617

Miserez, A., Yu, J., & Mohammadi, P. (2023). Protein-Based Biological Materials: molecular design and artificial production. Chemical Reviews, 123(5), 2049–2111. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00621