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Ökologisch unbedenkliches Faserprodukt ist Zielsetzung

Die Oberfläche eines Holzstücks steckt voller biochemischer "Anschlussbuchsen". Empa-Forscher sehen darin eine Chance, aus Holz genau das zu machen, was man gerade braucht: klebefreundliche Oberflächen, Antipilzbeschichtungen – oder gar selbstklebende Holzspäne, aus denen hundertprozentig ökologische Faserplatten gepresst werden könnten, ganz ohne chemische Zusätze.

Mark Schubert vergleicht eine mit Pilzschutz behandelte Holzprobe und eine unbehandelte Probe (rechts im Bild). Die Faserplatte, die er in der Hand hält, kann ohne chemische Klebstoffe hergestellt werden – das Holz klebt selbst. © Empa

Manchmal beginnen Innovationen mit einem simplen Waldlauf: "Eine der wirklich guten Ideen kam uns beim Joggen", sagt der Holzexperte Mark Schubert von der Abteilung "Applied Wood Materials". Gelegentlich dreht Schubert mit seinem Kollegen Julian Ihssen ein paar Runden im Wald. Wieder einmal liefen die beiden los, mit einem unfertigen Projekt in Schuberts Kopf. Und diesmal kamen sie mit einer zündenden Idee zurück: der Vision von der antimikrobiellen Holzoberfläche.

Doch der Reihe nach: Schubert, studierter Forstwirt und Umweltwissenschaftler, forscht seit 2007 an der Empa zunächst daran Schadpilze im Holz mit antagonistischen Pilzen zu bekämpfen. Dann machte er sich vor einigen Jahren daran, Pilze gezielt zur Modifikation von Holzeigenschaften einzusetzen. Inzwischen arbeitet Schubert mit bestimmten Enzymen Holz zersetzender Pilze, die sich im Laufe der Evolution auf die "Verdauung" von Holz spezialisiert haben. Das Enzym Laccase zum Beispiel, das von vielen Weissfäulepilzen ausgeschieden wird, kann die Oberflächeneigenschaften von Holz verändern: Es verwandelt chemische Untereinheiten des Holzbestandteils Lignin in Radikale – so wird die Oberfläche des Holzes reaktiv.

Fungizid der alten Ägypter

Doch was kann man anfangen mit einer Holzoberfläche, die nun gewissermassen "für neue Ideen offen ist"? Zunächst fallen einem Holzschutzmittel ein, die sich nun fest an der Oberfläche verankern lassen und so das nackte Holz besser vor dem Verrotten schützen könnten. Schubert startete Versuche mit dem natürlichen Bakterizid Isoeugenol und dem Fungizid Thymol, das bereits die alten Ägypter zur Konservierung ihrer Mumien verwendeten. Doch der Erfolg fiel bescheiden aus – die Stoffe liessen sich zu leicht wieder abwaschen bzw. verloren im Zusammenspiel mit dem Enzym ihre ursprüngliche antimikrobielle Wirkung.

Dann kam der eingangs erwähnte Jogginglauf. Mark Schubert erzählte Julian Ihssen, der in der Abteilung "Biomaterialien" forscht, von den Schwierigkeiten, und dieser empfahl ihm: "Probiers doch mal mit einem alten Hausmittel". Die beiden spannten zusammen, und tatsächlich brachte ausgerechnet eine billige Substanz, die sich in jeder Hausapotheke findet, den gewünschten Erfolg: Die Substanz klebte sprichwörtlich auf der Holzoberfläche. Als Probe aufs Exempel traktierten Schubert und Ihssen Probestücke von Fichtenholz mit aggressiven Holz zersetzenden Pilzen. Und während die unbehandelten Testkörper nach 12 Wochen im Inkubator bis tief ins Holz zerfressen waren, hatten die behandelten Testobjekte den Pilzen standgehalten. Welches Hausmittel es ist, darf an dieser Stelle leider nicht verraten werden – denn die Forscher wollen ihre Entdeckung patentieren lassen.

Mit dem Experiment war gleich zweierlei bewiesen: Laccase funktionalisiert die Holzoberfläche so intensiv, dass brauchbare Mengen eines Stoffes daran chemisch gebunden werden können. Und ein billiges Massenmedikament auf Holz bringt aseptische Eigenschaften, die für vielerlei Anwendungen nützlich sein können. Man denke nur an Holzbauteile in öffentlichen Gebäuden oder Verkehrsmitteln, in Spitälern, Kindergärten und Restaurants.

Nun hofft Schubert auf einen Industriepartner, der diese antimikrobielle Holzbehandlung zur Marktreife weiterentwickeln möchte. Zugleich verfolgt er zwei weitere Projekte, die ebenfalls mit Hilfe der Laccase-Modifikation möglich werden: Holz könnte chemisch besser an Klebstoffe gebunden werden, so liessen sich festere Klebeverbindungen herstellen – sogar zwischen Holzsorten wie Lärche und Buche, die bislang nur schwer zu verkleben sind. Dazu wird das Holz ebenfalls mit wässriger Laccase-Lösung vorbehandelt. An die entstehenden Radikale könnten dann funktionelle Gruppen, wie Amine als Ankermoleküle, gebunden werden. Diese Ankermoleküle können wiederum eine chemische Verbindung mit dem Klebstoff ausbilden. Die Klebeverbindung wird deutlich fester.

Das Prinzip der Enzymbehandlung: Die Laccase nutzt chemische «Andockstationen» auf der Holzoberfläche und macht Holz auf diese Weise reaktiv. © Empa

Wer mit Chemie lieber nichts zu tun haben möchte, dem dürfte die dritte Anwendung gefallen, die mit enzymatisch behandeltem Holz möglich ist – die klebstofffreie Faserplatte. Wenn vorbehandelte – gewissermassen radikal-aktive – Holzfasern verpresst werden, dann können sie chemische Verbindungen mit benachbarten Holzfasern eingehen. Dadurch kann man etwa bei der Herstellung von sogenannten "mitteldichten Faserplatten" auf chemische Bindemittel wie Harze oder Isocyanate verzichten. Ein chemiefreies, ökologisch unbedenkliches Faserprodukt wird machbar.

Enzyme sind für Menschen ungiftig

Vor den Laccasen selbst brauche man sich nicht zu fürchten, erläutert Mark Schubert: Die Proteine sind biologisch abbaubar, für Mensch und Tier ungiftig und verursachen auch bei Hautkontakt keinerlei Probleme. Sie verrichten ihre Arbeit am Holz bei Raumtemperatur – ohne vorherigen Einsatz von Säuren und Laugen. Doch vor dem Siegeszug der Enzyme in der Holzverarbeitung bleibt noch viel Kleinarbeit zu leisten. So sind nicht alle Varianten des Enzyms Laccase für alle Holzarten gleich gut geeignet, und um ein passendes Enzym zu finden, müssen die Enzyme erst charakterisiert und miteinander verglichen werden. Und auch die kostengünstige und effiziente Herstellung von Laccasen aus Weissfäulepilzen muss noch erforscht und deutlich optimiert werden. Es gibt also noch viel zu tun.

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