Application of mediators in enzymatical activation of fiberself cohesions for the production of enzyme-bonded, binder-free derived timber products

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

Hot-Air/Hot-Steam Process for the Production of Laccase-Mediator-System Bound Wood Fiber Insulation Boards

In this study, a new technical process for hardening wood fiber insulation boards is introduced. During the dry-process, the fibers are usually glued with polymeric-diphenylmethane-diisocyanate (pMDI) and hardened to wood fiber insulation boards using a steam-air mixture. However, the maximum temperature reached in the steam-air process was 100 °C, and it was impossible to use an alternative binding agent for the gluing of the wood fiber insulation boards other than pMDI. When incubated with laccase-mediator-system (LMS) as a naturally based bonding system, temperatures of over 120 °C are required because of the chemical wood composition, especially the lignin. In this case, the hot-air/hot-steam process offers new technical opportunities for realizing temperatures above 100 °C. In this study, wood fiber insulation boards were glued with LMS, vs. reference boards with inactivated LMS, laccase alone, and 4% pMDI. Then, the boards were hardened using one of three processes: with steam-air mixture, with hot-air, and with hot-air/hot-steam. Through the hot-air/hot-steam process, temperatures of well over 120 °C were attainable. All the insulation boards hardened using the hot-air/hot-steam process showed better physical and technical properties than those hardened with steam-air mixture or hot-air alone. The reason for this is a sudden increase of temperature after the adding of steam because high temperatures insure that the LMS activated wood fiber surface lignins are completely plasticized. As a result the physical-technological properties such as internal bond strength, compression strength, and short term water absorption of insulation boards treated with LMS were comparable to those boards treated with 4% pMDI

Comparative properties of bagasse, canola and hemp particle boards

International audienceResidues of Bagasse ( L.), canola ( L.) and hemp ( L.) as well as industrial wood chips in various proportions from 0-100% were used as raw materials for the main component of the middle layer in urea formaldehyde bonded particle boards

Pre-pressing and Pre-heating via Hot-Air/Hot-Steam Process for the Production of Binderless Medium-Density Fiberboards

The hot-air/hot-steam process was used for the first time as a combined pre-pressing and pre-heating system for the production of medium-density fiberboards (MDF) at the pilot scale. Pre-heating systems are designed to pre-heat fiber mats before pressing by hot-presses. Using such techniques, pressing times are reduced significantly and the board properties are influenced positively; both are essential for effective MDF production. In recent years, industry has searched for alternatives to petrochemical binders. Primarily, MDF are bonded by urea-formaldehyde (UF) resins in Europe. To replace UF resins, a laccase-mediator-system (LMS) was used to activate the wood fibers’ self-cohesion. It was found that the internal bond strength (IB) and thickness swelling (TS) were noticeably improved by applying the hot-air/hot-steam process before final hot-pressing for both LMS and 10% UF binding systems. Simultaneously, the total pressing time could be reduced by 25% when combining the hot-air/hot-steam process with hot-pressing

Phenolics as Mediators to Accelerate the Enzymatically Initialized Oxidation of Laccase-Mediator-Systems for the Production of Medium Density Fiberboards

Crude oil as a non-renewable resource is creating new challenges in many industrial sectors. Unsteady costs of crude oil at present and expected increases in the future are due to its limited availability as a finite resource, and these costs negatively impact the industry for wood-based panels, which use petrochemical resins in binding agents. Furthermore, wood panels that are conventionally bonded using urea formaldehyde diffuse formaldehyde into the surrounding air. To achieve independence from petrochemical products and harmful formaldehyde emissions, alternatives for their substitution are in demand. An alternative approach is the enzymatic activation of lignin located on the surface of thermomechanical pulp (TMP) fibers. The present study shows the results of internal bond strength (DIN EN 319 1993), modulus of rupture (DIN EN 310 1993), and thickness swelling (EN 317 2003) of medium-density fiberboards (MDF) bonded with laccase-mediator-system (LMS). Caffeic acid (CA), 4-hydoxy benzoic acid (HBA), and vanillic alcohol (VAl) were used as mediators. The physical and technological properties of MDF, such as internal bond strength, modulus of rupture, and thickness swelling, mostly fulfilled the European standards

Canola Meal as Raw Material for the Development of Bio-Adhesive for Medium Density Fiberboards (MDFs) and Particleboards Production

In the context of natural resource scarcity, environmental challenges and human health concerns, the development of alternative solutions becomes crucial to sustainable development. Sustainable and renewable protein-containing materials such as soy or canola have proved to have wood bonding properties comparable to those of synthetic binders. In addition, the availability of canola meal offers a great possibility for the development of bio-adhesives for the wood-based panel industry. Furthermore, direct utilization of canola meal helps to avoid expensive and low-yield protein isolation processes. Using three different solvent solutions (water and 1 mol and 2 mol sodium hydroxide), canola-based bio-adhesives were prepared and used for the production of medium-density fiberboards (with 10 mm thickness and 800 kg/m3 target density) and three-layer particleboards (with 15 mm thickness and 640 kg/m3 target density). The produced boards were tested for their mechanical properties and dimensional stability according to European norms. With the MDFs’ bending strength values above 40 N/mm2 and internal bonding strength greater than 0.5 N/mm2, the results show that there is indeed a possibility to achieve good mechanical properties using canola meal as a binder. The use of NaOH solutions as denaturants, as well as the addition of colasol, helped improve the bonding properties of the boards by 35.49% and 64.52% for 1 mol and 2 mol NaOH solutions, respectively. The obtained results show that the developed canola-based bio-adhesive can compete with conventional ones. However, despite the good mechanical properties of the produced boards, their poor dimensional stability due to the low water resistance of natural proteins suggests further improvement for industrial application