Entwicklung eines naturnahen Bindemittels aus nachwachsenden Rohstoffen auf Proteinbasis zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten | Development of a near-natural protein based bonding agent for the production of medium density fibreboards

Aufgrund verfahrenstechnischer Parameter fallen bei der industriellen Herstellung von Stärke und Vitalgluten aus Weizen (Triticum aestivum) jährlich große Mengen an Nebenprodukten in Form einer Suspension, dem sog. Weizenquellwasser, an. Das Weizenquellwasser findet zurzeit lediglich eine nur unzureichende Anwendung in der Futtermittelindustrie. Diese Weizenproteinsuspension besteht hauptsächlich aus hochwertigen Zuckern, Hemicellulosen und Weizenproteinen und besitzt im unveredelten Zustand einen durchschnittlichen Feststoffgehalt von ca. 20 %.Gegenstand dieser Dissertation war es, diese Weizenproteinsuspension so weit zu optimieren und zu veredeln, um eine mögliche Anwendung dieses naturnahen Bindemittels aus nachwachsenden Rohstoffen in der Holzwerkstoffindustrie zu ermöglichen. Die Verwendung als Bindemittel bietet sich aufgrund der Inhaltsstoffe dieser Suspension an. Sowohl mit Hilfe der enthaltenen Zucker wie auch der Proteine lassen sich Bindungen zwischen Holzfasern bzw. Holzspänen bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten und Spanplatten realisieren.Bei der Entwicklung und Optimierung von Bindemitteln sowie der Überprüfung einer späteren Applikation in bestehenden industriellen Herstellungsverfahren von Mitteldichten Faserplatten sind sowohl analytische wie auch technische Aspekte von entscheidender Bedeutung. Dazu wurden mit Hilfe geeigneter analytischer Methoden die verwendeten Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten, die naturnahen und konventionellen Bindemittel sowie das Fasermaterial untersucht. Zunächst wurde der Feststoffgehalt der Weizenproteinsuspension kontinuierlich unter Berücksichtigung der Viskosität und der Erhaltung der Inhaltsstoffe erhöht. Des Weiteren wurde die Verwendung der optimierten Weizenproteinsuspension mit konventionellen Zugabestoffen der Holzwerkstoffindustrie, wie beispielsweise Hydrophobierungsmitteln auf Paraffinbasis und Fungiziden, auf mögliche Wechselwirkungen der enthaltenen Komponenten hin untersucht.Zudem wurden Mischkondensate, bestehend aus Harnstoff-Formaldehydharz und Weizenproteinsuspension bzw. aus Phenol-Formaldehydharz und Weizenproteinsuspension in unterschiedlichen Mengenanteilen hergestellt. Unter Verwendung dieser unterschiedlichen Mischkondensate wurden Mitteldichte Faserplatten im Pilotmaßstab hergestellt, um ein mögliches Substitutionspotential bei konventionellen Bindemitteln durch die neu entwickelte Weizenproteinsuspension zu erforschen. Die Herstellung rein Weizenprotein gebundener Mitteldichter Faserplatten in den Fertigungsdicken von 4 mm bis 18 mm war nach der Optimierung der Weizenproteinsuspension ein zentraler Forschungsschwerpunkt. Die Eignung der Weizenproteinsuspension als Bindemittel wurde sowohl verfahrenstechnisch als auch anhand der erzielten mechanisch-technologischen Eigenschaften von Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten untersucht. Weiterhin wurden analytische Untersuchungen zum Abbau von Protein sowie Harnstoff-Formaldehydharz gebundenen Mitteldichten Faserplatten durch Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger durchgeführt. Dabei wurden zunächst die Zersetzungsgrade anhand der Masseverluste ermittelt. Darauf aufbauend wurden Holzabbauversuche und Kompostierungsversuche an 14C markierten mit Protein sowie Harnstoff-Formaldehydharz gebundenen Mitteldichten Faserplatten durchgeführt, um die Zersetzungsgrade durch Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger hinsichtlich der Holzbestandteile Lignin und Cellulose genauer quantifizieren zu können.

During the industrial production of wheat-based starch and vital gluten (Triticum aestivum) every year huge amounts of by products accrue. This by product - called wheat protein suspension - mainly consists of sugars, hemicelluloses and proteins. At present this wheat protein suspension is only uneconomically utilized as feeding material for different animals. The solid content of the non optimized wheat protein suspension is about 20 %.The subject of this dissertation was the development and optimisation of a wheat protein suspension for a later application as near-natural bonding agent from renewable resources in the wood based panel industry. The utilisation of this wheat protein suspension is possible because of the ingredients of this suspension. By the sugars as well as by the proteins bonding strengths between wood fibres or wood particles during the production of medium density fibreboards of particle boards can be realised. For the development and improvement of bonding agents and the later utilisation in industrial production of medium density fibreboards were analytical as well as technical aspects very important. Therefore the basic raw materials that were used in this dissertation - the near-natural bonding agent, the petrochemical based bonding agents and the industrial fibre material - were investigated by different analytical methods. The main focus of the research was on the development of the near-natural bonding agent, was on the one hand the continuous increase of the solid content in the wheat protein suspension considering the viscosity and the ingredients and on the other hand the utilization of the wheat protein suspension with common additives used in the industrial production of wood panels, e.g. hydrophobic substances and fungicides.The development of mixed condensates, consisting of wheat protein suspension and urea formaldehyde resin in different ratios and of wheat protein suspension and phenol formaldehyde resin in different ratios was another important research aspect. By changing the ratios of the near-natural bonding agent and the petrochemical based resin in the bonding agent, a possible substitution potential of petrochemical resins by the new wheat protein suspension were found out. The utilisation of the wheat protein suspension without petrochemical resins was analyzed by the production of medium density fibreboards in thicknesses from 4 mm up to 18 mm. The suitability of the mixed condensates and the pure wheat protein suspension were established by the mechanical-technological properties of the produced medium density fibreboards.Furthermore analytical tests belonging to the wood degradation of wheat protein and urea formaldehyde resin bonded medium density fibreboards by white- and brown rot fungi and by mould were done. The wood degradation was measured by mass loss of the medium density fibreboard samples infected with different wood destroying fungi. In further analytical tests the wood degradation, especially the degradation of lignin and celluloses in protein and urea formaldehyde resin bonded medium density fibreboards by white- and brown rot fungi and by mould, should be determined. Therefore small medium density fibreboard samples with 14C-u marked lignin and 14C-u marked celluloses were produced analogue to industrial production parameters. By this way it was possible to measure only the degradation of 14C-u marked lignin or 14C-u marked celluloses.