Permeability improvement of Norway spruce wood with the white rot fungus Physisporinus vitreus
Verbesserung der Permeabilität von Fichtenholz mit dem Weißfäulepilz Physisporinus vitreus
by Christian Lehringer
Date of Examination:2011-01-28
Date of issue:2011-02-15
Advisor:Prof. Dr. Klaus Richter
Referee:Prof. Dr. Holger Militz
Referee:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
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Format:PDF
Description:Kumulative Dissertation
Abstract
English
As solid wood, Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) is used in a wide range of applications for interior and exterior situations. Due to its low natural durability against wood decay fungi, a treatment with wood preservatives is necessary for certain applications. In addition, there is a growing interest for treatment with waterborne surface modification substances that specifically improve selected wood properties of Norway spruce such as UV-resistance, hydrophobicity, hardness and fire resistance. The impregnation with such substances requires often a wood permeability that allows a sufficiently deep and homogenous distribution of the substances in the wood in order to obtain an efficient wood property improvement.However, Norway spruce wood is known to have a low permeability which is related mainly to the aspiration of bordered pits during wood drying. In the living tree, permeability is mainly determined by the bordered and half bordered pits that constitute the interconnecting voids between the tracheids and the xylem ray parenchyma. During wood drying, most of these pits get irreversibly closed due to the aspiration of the flexible pit membranes. The resulting low impregnability complicates treatment of Norway spruce with liquid preservatives or wood modification substances.Short term incubation of Norway spruce wood with the white rot fungus Physisporinus vitreus is a biotechnological approach for improving the permeability of this refractory species. The process, called "bioincising", is based on the growth of the fungal hyphae through the tracheids and xylem ray parenchyma. As discussed by Schwarze and Landmesser (2000) and Schwarze et al. (2006), fungal activity induces the degradation of pit membranes after 6 weeks of incubation and thus significantly improves the uptake of liquid substances, causing only negligible losses of impact bending strength.The scope of this thesis was to evaluate the effects of P. vitreus' activity on the properties of Norway spruce sapwood and heartwood during incubation times between 3 and 9 weeks. In the course the thesis, three major fields of research were defined: 1) description of fungal activity and of the resulting wood properties after bioincising; 2) uptake and penetration depth of modification substances into the bioincised wood was, and 3) combined effect of bioincising and treatment with modification substances on the wood properties.It could be shown that fungal activity of P. vitreus induces both a selective delignification and a simultaneous degradation in the tracheid cell walls. Degradation of pit membranes and damages of the tracheid cell wall occurred simultaneously. Mass losses were comparably low and surface hardness was moderately reduced, indicating that P. vitreus is a fungus with a comparably low lignolytic capacity. Substance uptake and penetration depth were significantly improved after 5 weeks of incubation in both sapwood and heartwood specimens. However, impregnation of the bioincised wood with modification substances for UV-protection, hydrophobation, hardness and fire resistance did not result in a pronounced property improvement.The bioincising technique is still in the process of optimization. Parameters such as water activity aw, temperature, pH and nutrient supply influence mycelia growth speed and homogeneity of fungal activity. These parameters must be adjusted for an optimal process control. The results of the presented research activities contribute to the improvement of this process control. A new pilot incubation system has recently been developed and promises further improvement of the bioincising process.However, large scale industrial application is still far away. From the current state of development, products with smaller dimensions, lower quantities and higher value creation appear to be a feasible pathway for the near future of bioincising.
Keywords: Permeability; Norway spruce; white rot; Physisporinus vitreus; biotechnology; modification; wood property; bordered pit; cellwall; delignification; selectivity
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Als Massivholz wird Fichte (Picea abies (L.) Karst.) in einer Vielzahl von Anwendung im Innen-und Außenbereich verwendet. Auf Grund seiner geringen natürlichen Dauerhaftigkeit gegen holzzerstörende Pilze ist eine Behandlung mit Holzschutzmitteln für bestimmte Anwendungen erforderlich. Außerdem besteht ein wachsendes Interesse an der Behandlung von Fichtenholz mit wasserbasierten Modifizierungssubstanzen, die spezifische Eigenschaften der Holzoberfläche verbessern, wie z.B. UV-Stabilität, Hydrophobizität, Härte und Feuerwiderstandsfähigkeit. Die Imprägnierung mit solchen Substanzen erfordert oftmals eine Holzpermeabilität, welche eine ausreichend tiefe und homogene Verteilung der Wirksubstanzen im Holz erlaubt, um eine deutliche Eigenschaftsverbesserung zu erreichen.Allerdings weist Fichtenholz eine geringe Permeabilität auf, die auf einen Tüpfelverschluss im Laufe der Holztrocknung zurückzuführen ist. Im lebenden Baum wird die Permeabilität hauptsächlich durch die behöften und halb-behöften Tüpfel bestimmt, die die Verbindungskanäle zwischen den Tracheiden und Holzstrahlzellen darstellen. Während der Holztrocknung werden die meisten dieser Tüpfel durch eine irreversible Anlagerung der flexiblen Tüpfelmembran an die Zellwand verschlossen. Die sich daraus ergebende verringerte Imprägnierbarkeit erschwert die Behandlung von Fichtenholz mit Holzschutzmitteln und Modifizierungssubstanzen.Die Behandlung von Fichtenholz mit dem Weißfäulepilz Physisporinus vitreus über einen kurzen Zeitraum ist ein biotechnologischer Versuch, die Permeabilität von schwer imprägnierbaren Holzarten zu erhöhen. Das so genannte "Bioincising"-Verfahren basiert auf dem Wachstum von Pilzhyphen durch die Tracheiden und Holzstrahlzellen. Wie in den Arbeiten von Schwarze und Landmesser (2000) und Schwarze et al. (2006) diskutiert, bewirkt die Pilzaktivität einen Abbau der Tüpfelmembranen und erhöht somit nach 6 Wochen Inkubation signifikant die Flüssigkeitsaufnahme, ohne hierbei eine nennenswerte Reduktion der Bruchschlagfestigkeit zu verursachen.Hauptaufgabe in der vorliegenden Doktorarbeit war eine Beurteilung der Effekte auf die Eigenschaften von Fichtensplint und kernholz, die sich nach einer 3 bis 9-wöchigen Inkubation mit P. vitreus ergeben. Es wurden hierfür drei Bereiche für die wissenschaftliche Forschung definiert: 1) die Beschreibung der Pilzaktivität und die daraus resultierenden Eigenschaftsveränderungen des Fichtenholzes; 2) die Veränderung der Substanzaufnahme und der qualitativen Eindringtiefe und 3) die Beurteilung des Gesamteffektes, der sich aus der Kombination von Bioincising und der anschliessenden Behandlung mit Modifizierungssubstanzen auf ausgewählte Holzeigenschaften ergibt.Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivität von P. vitreus eine selektive Delignifizierung und einen simultanen Abbau in den Tracheiden-Zellwänden hervorruft. Weiterhin wurde ein gleichzeitiger Abbau von Tüpfelmembranen und eine Schädigung der Tracheiden-Zellwände beobachtet. Hierbei waren die Masseverluste gering und die Oberflächenhärte wurde nur wenig reduziert, was auf eine vergleichsweise geringe holzzersetzende Aktivität von P. vitreus hinweist. Substanzaufnahme und Eindringtiefe waren nach 5-wöchiger Inkubation sowohl im Splint- als auch im Kernholz signifikant erhöht. Es konnten allerdings keine deutlichen Eigenschaftsverbesserungen nach einer Imprägnierung mit Substanzen für die UV-Stabilität, Hydrophobizität, Härte und Feuerwiderstandsfähigkeit gemessen werden.Der Bioincising-Prozess ist derzeit noch in der Optimierungsphase. Verschiedene Parameter wie Wasseraktivität aw, Temperatur, pH-Wert und Nährstoffangebot beeinflussen die Geschwindigkeit und Homogeneität der Pilzbesiedlung und aktivität und müssen für eine verbesserte Prozesskontrolle weiter optimiert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu dieser Prozessoptimierung bei. Eine weiterentwickelte Pilotanlage wurde kürzlich in Betrieb genommen und verspricht einen verbesserten Inkubationsprozess.Eine großtechnische Anwendung des Bioincising-Verfahrens liegt jedoch in ferner Zukunft. Auf Grundlage des aktuellen Kenntnisstandes ist eine Anwendung des Bioincising-Verfahren für hochwertige Produkte mit kleineren Dimensionen und in geringeren Stückzahlen wahrscheinlich.
Schlagwörter: Permeabilität; Fichte; Weißfäulepilz; Physisporinus vitreus; Biotechnologie; Modifikation; Holzeigenschaft; Tüpfel; Zellwand; Delignifizierung; Selektivität