Charakterisierung und Anwendung von kationischen Arabinoxylanen

Abstract

Xylane gehören zu der Gruppe der Hemicellulosen, welche neben Cellulose und Lignin die Gerüstsubstanzen von Bäumen, Sträuchern und Einjahrespflanzen bilden. Die zunehmende Verknappung fossiler Rohstoffe und das wachsende ökologische Bewusstsein erhöhen das Interesse von Wirtschaft und Wissenschaft an nutzbaren Biopolymeren. Aufgrund der linearen Struktur und der großen Vorkommen an ungenutztem Xylan in der Natur gilt Xylan als potentielle Ausgangsprodukt für viele Anwendungen, wie beispielsweise Papieradditive, Süßmittel, Plattformchemikalien, medizinische Produkte und Folien (Han et al. 2012; Deutschmann und Dekker 2012; Escalante et al. 2012; Ebringerova und Hromadkova 1999; Gatenholm et al. 2008). Industriell werden bisher nur Abbauprodukte aus Xylan genutzt. Beispielsweise wird in der Chemiezellstoffherstellung aus Buchenholz das Abbauprodukt Xylose aus der Ablauge gewonnen. Während der Kochung der Hackschnitzel zur Zellstofferzeugung werden Lignin und Xylan im Holz abgebaut und herausgelöst. Das Xylan wird bei der Kochung bis auf seine Monosaccharidbausteine abgebaut. Der Hauptbaustein von Xylan ist Xylose, diese wird in den meisten Fällen zu dem Süßungsmittel Xylit umgesetzt, kann jedoch ebenfalls als Basis für die Herstellung der Plattformchemikalie Furfural dienen (Liu et al. 2013; Deutschmann und Dekker 2012; Rivas et al. 2004). Neben der Gewinnung aus Holz bei der Zellstoffproduktion fallen Xylane in großen Mengen in der Agrarwirtschaft an, von denen jedoch nur ein geringer Teil extrahiert und wirtschaftlich genutzt wird. Xylane aus den Einjahrespflanzen gehören zur Gruppe der Arabinoxylane, die in kleinen Mengen in Körnern und in hohen Anteilen bis 30 % in Stroh und in Spelzen von Körnern vorkommen (Hettrich et al. 2006; Ebringerova et al. 2005; Puls et al. 2006). Arabinoxylane aus Körnern sind im Vergleich zu Xylanen aus Lignocellulose (Holz, Stroh, Körnerschalen) einfacher zu extrahieren, da sie in geringerem Maße mit Lignin verbunden vorliegen (Ebringerova et al. 2005; Fengel und Wegener 1984). Eine Extraktion aus Lignocellulose erfordert daher alkalische Lösungsmittel, um höher molekulares Xylan zu gewinnen (Saake et al. 2004). Eine Heißwasserextraktion aus Lignocellulose ist zwar möglich, jedoch wird das Xylan stark hydrolysiert (Kilpelainen et al. 2012). Lediglich aus Mehl (zum Beispiel Weizenmehl) kann Xylan über eine Extraktion mit Wasser entfernt werden, ohne dieses zu sehr abzubauen. (Hollmann et al. 2009; Roick 2011). Viele Anwendungen von Xylanen wurden bereits entwickelt, industriell werden jedoch nur wenige Anwendungen umgesetzt (Grondahl et al. 2004; Deutschmann und Dekker 2012; Ebringerova und Hromadkova 1999; Saeed et al. 2011). Zu den wenigen industriellen Xylananwendungen gehört der Einsatz von Xylanen als Nahrungsergänzungsmittel, des Weiteren werden sulfonierte Xylooligomere im medizinischen Bereich eingesetzt (Daus und Heinze 2010; Saeed et al. 2011). Viele weitere Anwendungen wurden entwickelt und könnten industriell realisiert werden, sobald ausreichende Mengen an reinem und preisgünstigem Xylan auf dem Markt verfügbar wären. Eine Anwendung, die wirtschaftlich bisher noch nicht umgesetzt wurde, jedoch im Fokus zahlreicher Untersuchungen steht, ist die Anwendung als Papieradditiv. Die Zugabe von nativen Xylanen erhöht die Papierfestigkeiten. Mittels einer Kationisierung der Xylane kann die Festigkeitserhöhung deutlich gesteigert werden (Schwikal et al. 2011; Kataja-aho et al. 2012; Ramirez et al. 2008). Kationische Polymere werden in der Papierindustrie nicht nur zur Festigkeitssteigerung eingesetzt, sondern ebenfalls zur Erhöhung der Füllstoffretention (Antunes et al. 2008; Kuutti et al. 2011; Wang et al. 2012). In dieser Arbeit wurden Arabinoxylane aus Weizenmehl und aus Haferspelzen sowie deren kationische Derivate charakterisiert. Diese Xylane und deren kationische Derivate wurden als Papieradditiv zur Festigkeitserhöhung und als Retentionshilfsmittel eingesetzt. In der Anwendung zur Festigkeitserhöhung wurden Prüfblätter aus Kraftzellstoff mit unterschiedlichen Konzentrationen an Xylan und kationischem Xylan hergestellt. Neben der Einsatzmenge wurde der Einfluss der Ladungsmenge auf die Papierfestigkeiten untersucht. Über Absorptionsmessungen konnte ein Zusammenhang zwischen der Ladungsdichte und der Absorption am Zellstoff sowie der Papierfestigkeiten ermittelt werden. Versuche mit konventionellen Additiven wurden als Referenz durchgeführt, um zu prüfen, ob durch die Zugabe von kationischen Xylanen vergleichbare Papierfestigkeiten erreicht werden können. Die Anwendung von kationischen Xylanen als Retentionshilfsmittel wurde bisher in der Wissenschaft nicht untersucht. Daher wurden mit einem Drainage Jar Einflüsse, wie der Salzgehalt des Prozesswassers und die Vorflockung der Xylane mit dem Füllstoff auf die Retention gemessen. Des Weiteren wurden der Einfluss der Ladungsdichte und die Einsatzmenge auf die Füllstoffretention untersucht. Zudem wurden Versuche mit konventionellen Retentionshilfsmitteln durchgeführt, um ihren Einsatz mit denen der kationischen Xylane zu vergleichen. Neben den Retentionswerten wurde zusätzlich die Oberflächenladung der Zellstoff-Additiv-Suspension ermittelt, um aus ihr Rückschlüsse auf die optimale Additivdosierung zu ermitteln.