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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-83500
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8350/


Untersuchungen zum enzymatischen Bastfaseraufschluss unter besonderer Berücksichtigung des Faserhanfes (Cannabis sativa L.)

Research on enzymatic processing of sclerenchymatic fibres with respect to industrial hemp (Cannabis sativa L.)

Koschke, Niels

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SWD-Schlagwörter: Faserhanf , Flachs , Brennnessel , Sklerenchym , Rhamnose , Galacturonsäure , Arabinogalaktane , Arabinose , Mannose , Galactose , Polygalacturonase
Freie Schlagwörter (Deutsch): Rhamnogalacturonan , Homogalacturonan , Pektische Substanzen
Basisklassifikation: 42.38 , 42.03 , 42.30 , 42.40
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Pflanzen (Botanik)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Lieberei, Reinhard (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.11.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 08.02.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass eine Reihe von kommerziell erhältlichen pektinolytischen Enzymgemischen unterschiedlichster Anwendungsgebiete in der Lage sind, die pektischen Kohlenhydratpolymere von Faserhanf und Flachs abzubauen und die Faserbündel zu vereinzeln. Faserschädigungen zeigen sich durch eine Abnahme der Faserbündelfestigkeit bei einer Reihe von Behandlungsvarianten, so durch den Einsatz von Tensiden und in den Produkten enthaltene Cellulasen. Auch bei klassischen Faseraufbereitungsmethoden mittels starker Laugen und Säuren und bei den Bleichprozessen entstehen Faserschädigungen, diese können teilweise durch geänderte Behandlungsparameter bei den verschiedenen Varianten vermindert werden.
Die Aufschlussversuche zeigten deutlich die Abhängigkeit der erreichbaren Qualitäten vom Rohmaterial, ungeröstete Varianten konnten in den meisten enzymatischen und chemisch-physikalischen Versuchen nicht ausreichend aufgeschlossen werden, bei gutem feldgerösteten Ausgangsmaterial waren sehr gute Feinheiten und Festigkeiten zu erzielen.
Die mit den untersuchten enzymatischen Aufbereitungsvarianten von Faserhanf erreichbaren mittleren OFDA-Faserbreitenverteilungen lagen im Bereich von 20 bis 23 µm bei einer mittleren Stelometerfestigkeit von 36 bis 38 cN/tex. Die Ergebnisse waren stark vom Rohmaterial abhängig, so lagen die Werte für das Material Faserhanf GDE02 bei einer OFDA-Faserbreitenverteilungen von 27 bis 30 µm und bei Festigkeiten um 27 cN/tex. Die Kennwerte, die mit ungeröstetem, trockenem Material zu erzielen waren, zeigten keine ausreichenden Qualitäten. Dies entspricht den Beobachtungen anderer Autoren für die Ultraschall- und Dampfdruckaufschlussverfahren (PUTNINA et al. 2011, DOCHIA et al. 2013). Eine Nachbildung von exzellenten Feld- und Wasserröstevorgängen mit den damit verbundenen guten Faserqualitäten konnte mit den geprüften Enzymprodukten und Rohstoffen nicht erreicht werden.
In den natürlichen Röstvorgängen der Wasser- und Feldröste kommt es am Fasermaterial zum Abbau von Rhamnogalacturonan und nicht allein vom Galacturonsäure. Die Rolle der Rhamnogalacturonasen im Abbau der pektischen Substanzen ist höher zu bewerten, als bisher angenommen. Die Unterschiede der Zusammensetzung der pektischen Substanzen bei Flachs und Hanf liegen im höheren Gehalt von Homogalacturonan beim Flachs, im Veresterungsgrad der Galacturonsäuren und der Seitenkettenzusammensetzung, im Verhältnis Homogalacturonan zu Rhamnogalcturonan sowie im Ligningehalt und dessen Zusammensetzung (das Verhältnis Syringyl- zu Guaiacyl-Lignin ist beim Flachs um die Hälfte geringer als beim Hanf (MÜSSIG & STEVENS 2010, DEL RIO et al. 2007).
Die untersuchten heimischen Hanfqualitäten eignen sich nur wenig für die hochwertige textile Nutzung. Der aufbereitete Faserhanf zeigte sich aufgrund der schlechten Feinheiten des Langfasermaterials und der gekürzten Fasern nur für technische Textilien und weitere technische Verwendung als Festigungs- und Füllfasern z.B. in Kunststoffcompounden geeignet.
Die Messverfahren zur Faserdurchmesserermittlung bestätigten die Heterogenität der Faserrohstoffe und die Notwendigkeit einer Kalibrierung für die Vergleichbarkeit der Faserqualitäten, die OFDA- und Fibreshape-Verfahren sind als Messtandard bereits etabliert (MÜSSIG & STEVENS 2010).
Die Auflösung der Scanner/Abtaster erscheint für die Einstufung der Faserbreitenklassen der Einzelfasern noch problematisch (Bei dem Fibreshape-Verfahren liegt die Grenze der Auflösung je nach Scannerleistung bei ca. 7 µm, mit mikroskopischer Bilderfassung bei 2,5 µm, beim OFDA-Verfahren liegt die Grenze der Auflösung bei ca. 4 µm).
Die Ermittlung der Faserfestigkeiten mittels Stelometer/Zugversuch zeigt die Hauptschwierigkeiten beim Einspannvorgang der Einzelfasern in die Klemmvorrichtung bzw. bei der Kollektivprüfung in der Beurteilung der gültigen Zugversuche, da bestimmte Bruchvarianten in der Auswertung nicht berücksichtigt werden sollten und eine mikroskopische Betrachtung der Bruchstellen zur Beurteilung notwendig ist (HEYLAND & KROMER 1995).
Die erreichbaren Aufschlussergebnisse sind von den Rohstoffqualitäten abhängig, die Charakterisierung des Röstgrades und der weiteren physikalischen Faserkennwerte (Festigkeit, Dehnung, E-Modul, Faserbreite) des Rohmaterials ist bei sehr heterogenen Rohstoffen über die Verfahren OFDA, Airflow, Fibreshape und Stelometer bzw. Zugversuch weiter von der Erfahrung der beteiligten Verarbeiter zur Qualitätsbeurteilung einzelner Chargen abhängig. Olfaktorische Merkmale, Griff und Haptik können derzeit nicht ausreichend in einer normierten Messcharakteristik umgesetzt werden.
Kurzfassung auf Englisch: This work shows that some commercially available pectinolytic enzymes used for different purposes were able to depolymerize pectic carbohydratic polymers from fibrehemp and flax and to gain single fibres from fibre bundels. Fibre damage is evident in the decrease of fibre bundle strength in some treatments, i.e the use of tensides and cellulases that are included in some of the enzyme preparations. Fibre damage is also caused by classical fibre treatments by strong acid and alkali and in bleaching processes, but can be reduced by adapted processes. The tests performed showed a clear dependency of achievable quality on the raw material. In most cases non retted varieties could not be digested sufficiently by enzymatic or chemo-physical treatments, whereas field retted material could reach good finesse and strength. The average optical fibre diameter distribution in the examined enzymatic treatment varieties of fibre hemp were in the region of 20 to 23 µm with a stelometer strength of 36 to 38cN/tex. The results were strongly dependent on raw material. Fibre hemp variety GDE02 showed an OFDA fibre width distribution of 27 to 30 µm with a fibre strength of 27cN/tex. The characteristic values that could be achieved with dry unretted material did not show acceptable quality. This correlates with the results of other authors for ultrasonic treatment and steam explosion treatment (PUTNINA et al. 2011, DOCHIA et al. 2013). A simulation of an excellent field and water retting process with its associated high fibre qualities could not be achieved with the tested enzyme products and raw materials. In the natural field and water retting process there is a decrease of fibre associated rhamnogalacturonan and (not solely) of galacturonan. The role of rhamnogalacturonases in the degradation of pectic substances is more important than indicated before. The differences in the composition of pectic substances from flax and hemp are such that there is a higher content of galaturonic acid in flax, a different grade of esterification in the galacturonic acid, in the compounding of the side chains, in the homogalacturonan to rhamnogalacturonan ratio and in lignin content and composition (the ratio of syringyl to guaiacyl-lignin in flax is nearly half of the ratio in hemp (MÜSSIG & STEVENS 2010, DEL RIO et al. 2007). The tested native hemp qualities were not adequate for high value textile use. Because of the inadequate finesse of long fibre material and the shortened fibres the processed fibre hemp is only suitable for technical textiles and other technical purposes such as as a filling and strengthening material (e.a. in plastic compounds).
The replication of the experimental results in the much more demanding conditions of a laboratory facility and pilot plant resulted in some success in fundamental areas. It showed different approaches to solving the surfacing problems of removal of dissolved carbohydrate polymers and oligomers of the fibre, temperature control, contaminated water disposal, fibre drying and felting. The waste water parameters in the wet fibre treatments corresponded with those described by other authors for traditional water retting. The measuring methods for fibre diameter analysis showed the heterogenity of the fibre raw material and the necessity to standardise measures of fibre quality in order to allow comparison. The OFDA– and Fibreshape-methods have already been established (MÜSSIG & STEVENS 2010).
The optical resolution of the scanner systems still seem to be problematic for the fibre diameter classification of single fibres (fibreshape-method has a limited resolution of around 7µm, depending of the scanner type, microscopical detection at around 2,5µm, and the OFDA-Method at around 4µm).
The measurement of fibre strength by stelometer/tensile-test shows the main difficulties with the mounting of single fibres in a grip or with the fibre collective test in the tensile test. Some breakage variations should not be included in the evaluation, and a microscopical analysis of the breakage is necessary (HEYLAND & KROMER 1995).
The achievable digestion results are dependent on the raw material, the characterisation of retting degree and of the physical fibre characteristics of the raw material (Strength, elongation, E-Modul, fibre diameter). They are possible to achieve by OFDA, Airflow, Fibreshape and Stelometer/tensile tests, but very heterogenic raw material is still dependent on the experience of the manufacturers in evaluating single charges. Olfactorial characteristics, haft and haptic could not adequately be implemented as an adequate standard method at this point.

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