Optimierung von Laccase-Mediator-Systemen durch Einsatz immobilisierter Laccasen bei der Herstellung bindemittel- und formaldehydfreier Holzfaserwerkstoffe
Biomaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Holzwerkstoffe begegnen uns täglich u. a. in Form von Faser-, Spanplatten oder Oriented Strand Boards (OSB), die in Möbeln, Fußbodenbelägen, konstruktiven Gebäudeteilen, Ausbauteilen oder Verpackungsmaterialien Anwendung finden. Bei Holzwerkstoffen wird das Holz anders als bei Vollholzprodukten zunächst in Elemente unterschiedlicher Struktur und Größe aufgetrennt und in geeigneter Art meist mit Hilfe von petrochemischen Bindemitteln, wie z. B. Harnstoffformaldehydharz und weiteren Zusatzstoffen zusammengefügt. Konventionell hergestellte Holzwerkstoffe emittieren jedoch bei Gebrauch von Formaldehydharzen gesundheitsschädlichen Formaldehyd. Und auch beim Einsatz von formaldehydfreien, aber ebenso petrochemisch basierten Isocyanaten ist die bei der Verarbeitung mögliche Bildung von Aerosolen bedenklich. Entsprechend ist in letzter Zeit wieder eine Zunahme von Studien mit naturnahen Bindemitteln für Holzwerkstoffe zu verzeichnen. So war es Inhalt dieses DFG-Projektes, das Laccase-Mediator-System (LMS) zur Aktivierung der holzfasereigenen Bindekräfte weiterzuentwickeln, um es bei der Holzwerkstoff- und Dämmplattenproduktion alternativ zu konventionellen Bindemitteln einzusetzen. Laccasen sind Enzyme, die in der Natur u. a. in Pilzen vorkommen und vornehmlich das Holzlignin degradieren. Laccase wird heutzutage durch Fermentation im großindustriellen Maßstab produziert. Sie kann gezielt zur Ligninaktivierung eingesetzt werden, um holzfasereigene Bindekräfte zu generieren. In Kombination mit einem Mediator, einem niedermolekularen Redoxmolekül, wird die Ligninaktivierung sowohl beschleunigt als auch intensiviert. Die Faserplattenproduktion wird somit effizienter und die physikalischtechnologischen Eigenschaften der Platten verbessert. Voraussetzung hierfür ist eine optimierte LMS-Wirkung, die Beschaffenheit der Holzfasern, sowie geeignete Herstellparameter zur Faserplattenproduktion. Idealerweise lassen sich Thermo-Mechanical-Pulp (TMP)-Fasern aus dem industriell üblichen Refiner-Verfahren verarbeiten. TMP-Fasern weisen auf deren Oberfläche Lignin auf, welches durch den TMP-Prozess vornehmlich aus der Mittellamelle plastifiziert wurde und dort als inaktive Schicht inkrustiert ist. Bei einem enzymatischen Aktivierungsprozess dient dieses Lignin dem LMS als Substrat. Durch Oxidationsprozesse werden Phenoxyradikale gebildet, die beim Heißverpressen der Fasern weiterreagieren und zu festen Faser-zu-Faser-Bindungen führen. Durch intensive Grundlagenforschung und zahlreichen praktischen Versuchen ist man nach Abschluss dieses Projektes nun in der Lage, Faserplatten herzustellen, die die geforderten Normen und Richtlinien einhalten. Der Vorteil dabei ist, dass das LMS während industrieüblicher Herstellungszeiten angewandt werden kann. Ebenfalls entfällt eine aufwendige Anpassung der Herstellungsparameter für Faserplatten bei Einsatz des LMS. Eine Immobilisierung der Laccase als vorgeschalteter Schritt bei der Faserplattenproduktion bietet dabei weitere entscheidende ökologische und ökonomische Vorteile, da bei dieser Methode die Laccase nicht wie herkömmlich in den hergestellten Faserprodukten verbleiben muss, sondern mehrfach wiederverwendet werden kann. Grundsätzlich erscheint somit eine Übertragung des LMS in den industriellen Maßstab als grundsätzlich möglich. Verbunden mit den Projektarbeiten zu Holzfaserdämmplatten mittels LMS im Trockenverfahren stellte sich heraus, dass bei Anwendung von naturnahen Bindemitteln Aushärtetemperaturen von 100 °C nicht ausreichen, die maximal in einer konventionellen Dampf-Luft-Gemisch-Aushärteeinheit (z. B. „ConiTherm“ oder „CSS“) erreicht werden. Nach heutigem Stand der Technik können ausschließlich pMDI-Bindemittel eingesetzt werden, die bei einer Temperatur von unter 100 °C aushärten. Für Aushärtetemperaturen darüber gab es bisher keine verfügbaren Lösungen, da im Trockenverfahren hergestellte Holzfaserdämmstoffplatten weder in Trockenöfen noch in Heißpressen industriell ausgehärtet werden können. Das innerhalb dieses Projekts entwickelte Heißluft-/Heißdampfverfahren bietet eine neue technische Lösung an, Holzfaserdämmplatten mit LMS herzustellen, um eine Anwendung des teuren und bei der Verarbeitung bedenklichen pMDIs zu substituieren. Hierbei hat sich herausgestellt, dass sich das Heißluft- /Heißdampfverfahren nicht nur zur Aushärtung von Holzfaserdämmplatten eignet, sondern auch von Dämmstoffen aus Span- oder Grobspanbasis. Ebenso ist das genannte Verfahren zur Vorpressung und Vorerwärmung bei der Herstellung von Holzwerkstoffen einsetzbar, indem die Heißluft-/Heißdampfaggregate vor die eigentlichen Heißpressanlagen installiert werden. Beispielsweise bei der MDF-Herstellung kann durch den Einsatz des Heißluft- /Heißdampfverfahrens gegenüber der alleinigen Heißpressung nicht nur die Gesamtpressdauer um 25 % gesenkt werden, ebenso ist eine Verbesserung der physikalisch-technologischen Eigenschaften der MDF gegeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2011): Laccase-mediator-systems for eco-friendly production of medium-density fiberboard (MDF) in pilot scale: Physico-Chemical analysis of the reaction mechanism. Biotechnol. J., Vol. 6 (10), pp. 1253-1261
Euring, M., Rühl, M., Ritter, N., Kües, U., Kharazipour, A.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/biot.201100119) - (2012): Studies of enzymatic oxidation of TMP-fibers and lignin model compounds by a Laccase–Mediator-System using different 14C and 13C techniques. Wood Sci Technol, 46, pp. 699-708
Euring, M., Trojanowski, J., Horstmann, M., Kharazipour, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00226-011-0439-6) - (2013): Einsatz von Enzymen bei der Herstellung bindemittelfreier Holzfaserplatten. In: 10. Holzwerkstoffkolloquium 2013, Innovationen binden - Wert statt Wachstum, 12.-13. Dezember 2013. Institut für Holztechnologie Dresden: 99–110
Euring, M., Kirsch, A.
- (2013): Laccase-Mediator catalyzed modification of wood fibers - Studies on the mechanism and medium-density fiberboard (MDF) making. For. Prod. J., Vol. 63, No. 1/2, pp. 54-60
Euring, M., Trojanowski, J., Kharazipour, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.13073/FPJ-D-12-00075) - (2015): Hot-Air/Hot-Steam Process for the Production of Laccase-Mediator- System Bound Wood Fiber Insulation Boards. BioResources 10(2), pp. 3541-3552
Euring, M., Kirsch, A., Kharazipour, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.15376/biores.10.2.3541-3552) - (2015): Oxygen Consumption of Laccase-Mediator-Systems (LMS). Journal of Materials Science Research, pp. 49-58, Vol. 4 (3)
Kirsch, A., Ostendorf, K., Euring, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.5539/jmsr.v4n3p49) - (2016): Lignin-Laccase-Mediator-Systems (LLMS) for the Production of Binderless Medium Density Fiberboards (MDF). Journal of Materials Science Research, Vol. 5 (2)
Euring, M., Kirsch, A., Schneider, P., Kharazipour A.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.5539/jmsr.v5n2p7) - (2016): Pre-pressing and Pre-heating via Hot-Air/Hot-Steam Process for the Production of binderless Medium Densitiy Fiberboards (MDF). BioResources 11(3), pp. 6613-6624
Euring, M., Kirsch, A., Kharazipour, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.15376/biores.11.3.6613-6624) - (2016): Using various phenolics as mediators to accelerate enzymatically initialized oxidation of Laccase-Mediator-Systems (LMS) for production of medium density fiberboards (MDF) on a pilot scale LMS. BioResources 11 (3), pp. 7091-7101
Kirsch, A., Ostendorf, K., Kharazipour, A., Euring, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.15376/biores.11.3.7091-6624) - (2017): Influence of different raw densities and board thicknesses in the production of enzymatically bonded fiberboards. Journal of Materials Science Research, Vol. 6 (2); pp. 69-77
Kirsch, A., Reuter, P., Kharazipour, A., Euring, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.5539/jmsr.v6n2p69)
