Energetische Optimierung der Herstellung von mikrofibrillierter Cellulose durch enzymatische Vorbehandlung

Mikrofibrillierte Cellulose (MFC) genießt seit Mitte der 90er Jahre ein weltweit wachsendes Interesse und befindet sich an der Schwelle einer kommerziellen Nutzung. Im Zuge des SUN-PAP Projektes1 wurden bereits potentielle industrielle Anwendungen wie z.B. die Verwendung als Additiv im Wet-end und in Streichfarben sowie Möglichkeiten zur großtechnischen Produktion untersucht. Aufgrund seiner Fähigkeit zur Wasseraufnahme gibt es auch Konzepte zur Verwendung von MFC als Komponente in medizinischen Filmen und Gelen. Eine nach wie vor große Hürde bei der kommerziellen Verwendung von MFC ist jedoch der hohe Energiebedarf für deren Herstellung und die damit verbundenen hohen Kosten.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die energetische Optimierung der Herstellung von MFC sowie die Generierung von eigenem Know-how auf diesem Gebiet. Die Optimierung soll im Wesentlichen mit Hilfe einer enzymatischen Vorbehandlung, vorzugsweise vom Typ Endoglucanase, realisiert werden. Vorarbeiten haben bereits das hohe Potential einer solchen Vorbehandlung bei der Produktion von MFC aufgezeigt. Ankerfors zeigt beispielsweise die Möglichkeit auf, mit Hilfe von Endoglucanase eine Reduzierung des Energieverbrauches bei der MFC Produktion um 91% im Vergleich zu früheren Studien zu erzielen. Der Energiebedarf der MFC Herstellung soll für verschiedene Vorbehandlungsintensitäten evaluiert und das resultierende MFC in Anlehnung an Kangas et al. hauptsächlich durch eine Kombination von Viskositätsmessungen, Mikroskopie und Transmissionsmessungen klassifiziert werden.

Neu in diesem beantragten Vorhaben ist die Entwicklung eines mehrstufigen Verfahrens. Die zu untersuchenden Zellstoffe werden zuerst enzymatisch vorbehandelt und anschließend einer Mahlung für die MFC Produktion zugeführt. Durch die mechanische Oberflächenbehandlung entstehen neue Oberflächenstrukturen, Polyosen werden aus der Sekundärwand an der neu geschaffenen Oberfläche zugänglich gemacht. Diese können dann in weiteren Stufen mittels Hydrolasen erneut reagieren. Das beantragte Vorhaben ergänzt sich hervorragend mit dem INFOR-Projekt Nr. 186 Energieeinsparung durch enzymunterstützten Refinerbetrieb an der Hochschule München.

Die Vorteile einer enzymatischen Vorbehandlung im Vergleich zu einer sauren Hydrolyse oder einer TEMPO-Oxidation liegen in der niedrigeren Temperatur und der besseren Umweltverträglichkeit durch einen geringeren Wasserverbrauch. Die Erzeugung von Elementarfibrillen soll im beantragten Projekt durch geschickte Kombination von mechanischer Vorbehandlung und enzymatischer Behandlung erreicht werden.

Der Einfluss des gewonnen MFCs auf verschiedenen Papiereigenschaften soll im Projekt auf der an der Hochschule München vorhandenen Papiermaschine unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden.