Einsatz von Mediatoren bei der enzymatischen Aktivierung der fasereigenen Bindekräfte zur Herstellung von enzymgebundenen, bindemittelfreien Holzwerkstoffen

Abstract

Die Holzwerkstoffindustrie ist heute in Deutschland nach der Sägeholzindustrie das zweitwichtigste Segment der Rohholznutzung. Dabei lag die Produktionsmenge der Holzwerkstoffe im Jahre 2006 bei Spanplatten bei ca. 8,2 Mio. m³ und bei Faserplatten bei ca. 5 Mio. m³. Die vielfältigen Einsatzgebiete von Span- und Faserplatten im Baugewerbe und der Möbelindustrie deuten auf eine weitere Produktionssteigerung in den kommenden Jahren hin. Aufgrund ihrer Produktionsmengen ist die Holzwerkstoffindustrie weltweit einer der größten Abnehmer für Bindemittel. Diese sind vor allem konventionelle Bindemittel auf petrolchemischer Basis, wozu überwiegend die Harnstoff-Formaldehyd-Harze (UF), Melamin verstärkte Harnstoff-Formaldehyd-Harze (MUF), Phenol-Formaldehyd-Harze (PF) und polymere Diisocyanate (PMDI) gehören. Beispielsweise entfallen auf die Bindemittel bei der MDF-Plattenproduktion etwa 20 % der Endherstellungskosten. Durch die ständig steigenden Rohölpreise, sowie die Abhängigkeit der Holzwerkstoffindustrie von diesen petrolchemischen Bindemitteln, verteuerten sich die hergestellten Holzwerkstoffe seit den letzten Jahren deutlich. Ein weiterer Aspekt ist, dass zudem der Gehalt an Formaldehyd in den oben genannten konventionellen Bindemitteln als problematisch angesehen wird. In Verbindung mit Holzwerkstoffen ist Formaldehyd vor allem als Inhalationsstoff von Bedeutung. Im Jahre 2004 wurde Formaldehyd aufgrund einiger durchgeführter Untersuchungen in den USA von der International Agency for Research on Cancer (IARC) als karzinogen eingestuft. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde eine Reklassifizierung des Formaldehyds von "krebsverdächtig" zu "krebserregend" durch das IARC empfohlen. So kann als wichtiges Kriterium für die Holz be- und verarbeitenden Betriebe, insbesondere die Holzwerkstoffindustrie, eine Entwicklung von naturnahen Bindemitteln gesehen werden. Die Verwendung naturnaher Bindemittel bietet den Holzwerkstoffunternehmen die Chance, durch den Verkauf ihrer gesundheitlich unbedenklichen, formaldehydfreien Produkte eine breite Akzeptanz in der Bevölkerung zu gewinnen. Eine Substitution der konventionellen Bindemittel würde daraus resultierend zukünftig vor allem aus ökologischer, aber auch ökonomischer Sicht für die Holzwerkstoffindustrie mehr Bedeutung gewinnen.Angesichts dieser Problematik und die Suche nach Alternativen in Form von naturnahen Bindemitteln bei der Holzwerkstoffproduktion war das Hauptziel dieser Dissertation die Entwicklung Laccase (ein Enzym holzabbauender Pilze) und Mediator gebundener, bindemittelfreier Holzwerkstoffe, insbesondere Mitteldichter Faserplatten (MDF) im Pilotmaßstab. Diese sollten ohne eine weitere Zugabe der oben genannten Bindemittel die Vorgaben aller relevanten Normen erfüllen können und somit für eine industrielle Applikation geeignet sein. Zu diesem Zweck sollten verschiedene Laccase-Mediator-Systeme untersucht und optimiert werden, um eine höhere Reaktivität bei der Aktivierung der fasereigenen Bindekräfte zu erreichen. Während Laccase-Mediator-Systeme zum Beispiel schon für einige biochemische Verfahren eingesetzt werden, ist die Verwendung von Mediatoren bei der Herstellung enzymgebundener MDF-Platten völlig neu. Daher lag das Hauptaugenmerk in dieser Dissertation darauf, die Wirkung von Mediatoren in der Kombination von Holzfasern und Laccase zu untersuchen.Als wichtige Voraussetzung für die Herstellung enzymgebundener MDF-Platten galt es, die bestmöglichen Bedingungen zur Aktivierung der fasereigenen Bindekräfte zu ermitteln. Dazu gehörten die Optimierung der Laccase-Mediator-Konzentration, sowie das Bestimmen eines optimalen pH-Wertes für die Inkubation der Holzfasern. Weiterhin mussten ideale Bedingungen für die Inkubation der Holzfasern im Laccase-Mediator-System geschaffen werden. Hierbei war neben der Laccase- und Mediatorkonzentration die Inkubationszeit von großer Bedeutung. Für die angesprochenen wichtigen Bedingungen fanden mittels Gel-Permeationschromatografie (GPC), chemischer Holzcharakterisierung, spectrophotometrischer Extinktionsmessungen, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Elektronenspin-Resonanz (ESR), Nuklear-Magnetischen-Resonanz-Spektroskopie (NMR) und Fourier-Transform-Infrared-Spektroskopie (FTIR) analytische Untersuchungen im Labor statt.Die durch die laboranalytischen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse sind anschließend bei der MDF-Plattenherstellung im technischem Maßstab verwendet worden. Nach der Herstellung erfolgten mechanisch-technologische Eigenschaftsprüfungen der Laccase-Mediator gebundenen MDF-Platten nach den Maßgaben der Europäischen Normen.