Biokatalyse für mehr Nachhaltigkeit in der Zellstoff- und Papierindustrie

Europäische Forschende generierten neue Enzyme, um aggressive Chemikalien bei der Zellusoseherstellung zu ersetzen und Holzreststoffe für verschiedene Anwendungen zu erschließen.

Industrielle Technologien

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Grundstoff von Papier ist Zellulose, die aus Holz extrahiert wird, nachdem Lignin- und Hemizellulosefraktionen entfernt sind. Eine größeres Problem bei der Papier- und Zellstoffproduktion ist allerdings noch, dass nicht alle Holzbestandteile vollständig verwertbar sind. Konkret liegt der Anteil des Kraft-Lignins bei etwa 85 % der weltweiten Gesamtproduktion von Lignin. Allerdings existiert noch kein Katalyseverfahren, um es zu aromatischen chemischen Substanzen und Komponenten zu depolymerisieren. Da sich Lignin und Hemizellulose als erneuerbare Rohstoffe für aromatische Verbindungen und Zucker in verschiedenen biobasierten Prozessen anbieten, wird an Enzymen zur Modifizierung dieser Polymere geforscht, die den extremen pH-Werten und Temperaturen beim Kraft-Aufschluss (Sulfatverfahren) standhalten.

Erkennung und Optimierung extremophiler Enzyme

Schwerpunkt des Projekts WoodZymes war der Aufschluss von Holzbiomasse mithilfe maßgeschneiderter Enzyme, die in die industrielle Holzverarbeitung integriert werden können. WoodZymes wurde vom Gemeinsamen Unternehmen für biobasierte Industriezweige finanziert, einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen EU und Industrie. In dem Projekt forschten 11 Partner in vier europäischen Ländern mittels Protein-Engineering und Datenbank-Mining an extremophilen Enzymen mit wärmetoleranten und alkaliphilen Eigenschaften und deren Weiterentwicklung. Solche Extremozyme sind u. a. Xylanasen für den Aufschluss von Hemizellulose sowie Laccasen zur Modifizierung von Lignin. Die aussichtsreichsten Enzyme wurden im Pilotprojekt für mehrere Anwendungen im industriellen Maßstab getestet. „Eines der Ziele von WoodZymes war, bislang ungenutzte Lignin- und Hemizellulosefraktionen aus dem Kraft-Prozess verwertbar zu machen und schädliche Chemikalien sowie den ökologischen Fußabdruck insgesamt zu reduzieren“, erklärt Projektkoordinatorin Susana Camarero. So kam ein solcher hochextremophiler Kandidat zum Einsatz, um Kraft-Lignin aus Eukalyptus zu bleichen, was den Einsatz von Chlordioxid deutlich reduzierte und die Helligkeit des Zellstoffs verbesserte. Gleichzeitig verringerte das Enzym die Mengen an chlororganischen Substanzen im Abwasser, wodurch der Prozess weniger umweltschädlich gestaltet und die Hemizelluloseausbeute gesteigert wurde. Chlororganische Stoffe werden bei der Herstellung von Papier zugesetzt, um dessen physikalisch-mechanischen Eigenschaften zu verbessern und den Energieaufwand bei der Zellstoffmahlung deutlich zu senken. Zudem konnten durch enzymatische Depolymerisation des Lignins verschiedene phenolische Komponenten gewonnen werden, die fossile Polyole in Polyurethan-Dämmschäumen und Phenol in Lignin-Phenol-Formaldehyd-Harzen bei der Herstellung von Holzplatten ersetzten. So erhielt man im Projekt geeignete Formulierungen mit deutlich niedrigerem Anteil an Phenolen und Formaldehyd, was die Umweltbelastung bei der Herstellung von Faserplatten und Endprodukt verringerte.

Vorteile und Einsatzmöglichkeiten extremophiler Enzyme

Mit den biokatalytischen Technologien von WoodZymes kann aus bislang ungenutzten Holzreststoffen wie Kraft-Lignin und Hemizellulose ein effizienter Mehrwert geschaffen werden. Durch Ausräumen technischer Schwachstellen wurden der Kraft-Prozess geschlossen und Nebenprodukte der Umwandlung von Biomasse in den Produktionsprozess integriert, sodass alle Komponenten des Biomasserohstoffs für mehrere Anwendungen industriell nutzbar werden. Auf diese Weise unterstützt WoodZymes die Zusammenarbeit zwischen Anbietern von Enzymtechnologien und Produzenten von Zellstoff, Papier, Faserplatten und Isolierschaum, wodurch die europäische Industrie wettbewerbsfähiger wird. „Aus ökologischer Sicht sind Extremozyme, die Holzreststoffe umwandeln können, eine umweltfreundliche und deutlich energie- und chemikalieneffiziente Technologie“, betont Camarero. Schließlich trägt der von WoodZymes entwickelte Prozess zur Nachhaltigkeit von Produkten bei, verringert die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen und senkt ökonomische und ökologische Kosten.

Schlüsselbegriffe

WoodZymes, Lignin, Hemizellulose, Kraft-Papier, Papier, extremophile Enzyme, Zellstoffindustrie, mitteldichte Faserplatten, PU-Schäume

Extremozymes for wood based building blocks: From pulp mill to board and insulation products

Biokatalyse für mehr Nachhaltigkeit in der Zellstoff- und Papierindustrie

Erkennung und Optimierung extremophiler Enzyme

Vorteile und Einsatzmöglichkeiten extremophiler Enzyme

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