| |
Die Energie, welche das Leben auf unserem Planeten ermöglicht, wird von der Sonne geliefert. Dank des Sonnenlichts werden jährlich über 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff von den Pflanzen in Biomasse verwandelt. Dieser Biomasse, zu der vor allem auch Holz gehört, verdanken wir unsere Lebensgrundlage.
Es erhebt sich gegen diesen Hintergrund die Frage nach dem Zweck eines Referates zur Chemie des Holzes in der heutigen Veranstaltung, welche doch in erster Linie von Nichtchemikern und Holzpraktikern besucht wird. Die Frage ist berechtigt und verdient eine passende Antwort. Ich werde mich bemühen, diese zu geben.
Holz ist ein komplexer Naturstoff und weist als direkte Folge seiner genialen chemischen Struktur anwendungstechnisch ungeheuer interessante Eigenschaften auf. Deshalb erweisen sich gründliche Kenntnisse der Holzchemie bei jeglicher praktischen Holzanwendung als nützlich und manchmal sogar als Voraussetzung für die Entwicklung innovativer Verarbeitungen dieses Materials.
Die chemische Struktur des Holzes
Holz besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: der Zellulose und der damit verwandten Hemizellulose, sowie dem sogenannten Lignin.
Die Holzverarbeitungen, mit denen Sie es in dieser Konferenz in erster Linie zu tun haben werden, betreffen jene Verarbeitungen, bei denen Holz direkt zu Produkten wie Baumaterial , fertigen Häusern oder Möbeln verarbeitet wird, Produkte also, die ihren Lignin- und Zelluloseanteil noch unverändert enthalten.
Damit ist aber die Anwendung von Holz noch lange nicht erschöpft! Schon im Altertum wurde Holz in primitiver Form für die Herstellung chemischer Produkte verwendet beispielsweise als Holzkohle bei der Schmelze von Eisenerz, wie in der Steiermark und Oberösterreich, als Teer und Pech zum Schutz von Booten und Schiffen, oder als Holzasche (Pottasche) zum Bleichen von Fasern und später auch in der Glasfabrikation.
Heute gilt Holz als ein unentbehrlicher Rohstoff zur Herstellung von Zellstoff oder Papier, sowie von bestimmten Textilien und chemischen Zusatzmitteln. In all diesen Fällen ist der Zellulosebestandteil des Holzes das weitaus wichtigste Holzumwandlungsprodukt, während eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung des hohen Ligninanteils im Holz immer noch in den Kinderschuhen steckt. Der weltweit zunehmende Holzbedarf und die unkontrollierten Waldrodungen vor allem in den Schwellen- und Entwicklungsländern zwingen uns, Holz heute wirtschaftlicher und sparsamer zu gebrauchen.
Zu diesem Zweck wäre eine breitere Anwendung nicht nur der direkten physikalischen Holzanwendung, sondern auch die chemische Weiterverarbeitung über Holzumwandlungsprodukte vielfach sinnvoll, wobei hier vor allem die Entwicklung von Produkten mit höherem Wertschöpfungspotenzial bei der Nutzung des Lignins lohnen würde!
Die Holzbestandteile
- Cellulose und Hemicellulose: Zwei Hauptkomponenten des Holzes
Unter Cellulose versteht man chemisch ein in der Pflanzenwelt außerordentlich verbreitetes Grundgerüst "zuckerartiger" Natur, welches aus einer großen Anzahl einzelner zuckerähnlicher Stoffe, den sogenannten Glucosemolekülen, zusammengesetzt ist. Diese Stoffe bilden nicht nur Gerüststrukturen für die Pflanzen, sondern dienen auch als eine beliebte Nahrungsquelle für Insekten, Pilze, Bakterien und andere schädlichen Lebewesen. Ihre Konzentration ist saisonbedingt und kann sich auf die Lagerbeständigkeit des gefällten Holzes u. U. außerordentlich stark auswirken. Die genaue Kenntnis dieser Zusammenhänge erleichtert naturgemäß die richtige Behandlung des Holzes.
Bei der Cellulosegewinnung aus Holz, wie sie namentlich zur Papier- und Kunstseidefabrikation technisch in großem Umfang betrieben wird, ist es notwendig, den Ligninanteil von Cellulose zu trennen. Das geschieht hauptsächlich dadurch, dass man das Holz mechanisch zerkleinert und anschließend mit chemischen Reagenzien behandelt, welche das Lignin herauslösen und die Cellulose unverändert lassen.
- Lignin, Stiefkind der Holzchemie
Lignin stellt den zweitwichtigsten Holzbestandteil dar.
Durch den Lignineinbau gewinnen Pflanzen an Härte und Widerstandsfähigkeit. Dies ermöglicht es ihnen, im Verhältnis zu ihrer Größe eine enorme statische Stabilität und damit auch sonst unvorstellbare Wachstumshöhen zu erreichen.
In den meisten Fällen der Holzverarbeitung, wird Lignin als integrierender Bestandteil unverändert zurückgehalten. Beim Holzaufschluss und beim Bleichen dagegen wird Lignin teilweise abgebaut und vom Holz herausgelöst. Gerade in diesem Fall stellen die löslichen Abbauprodukte eine interessante, aber bislang noch wenig ausgeschöpfte Rohstoffquelle dar, welche derzeit vor allem noch bei der Erzeugung von
Energie und Chemikalien Verwendung findet. Die damit erzielte Wertschöpfung ist allerdings nur gering.
An dieser Stelle eröffnen sich dem Holzchemiker Möglichkeiten zur Entwicklung innovativerer Ligninanwendungen. Dies erscheint umso wichtiger, als bei der heutig üblichen Aufbereitung auch erhebliche Umweltprobleme auftreten.
- Die Rinde
Die Baumrinde unterscheidet sich vom Holz selbst durch ihre mechanischen Eigenschaften, dem hohen Quellungsvermögen, dem niedrigen Zellstoffinhalt, sowie auch durch den Gehalt an Suberin. Zum Beispiel, enthält der Eichenkork (Quercus suber) bis 40-45% dieses interessanten Stoffes.
Die Struktur von Suberin unterscheidet sich chemisch deutlich von der anderer Holzbestandteile und ist mit besonderen mechanischen Korkeigenschaften eng verbunden. Auch hier bieten sich für den Holzchemiker interessante Ansätze für neue Produktentwicklungen.
Weitere Herausforderungen der Holzchemie:
- Beispiel Vergilben von Papier
Es ist bereits lange bekannt, dass Papier und unreiner Zellstoff zum Vergilben neigen und das Papier dadurch an Wert erheblich einbüßt.
Das Vergilben rührt hauptsächlich von Ligninverunreinigungen her, welche am Zellstoff haften. Die Verfärbung erfolgt durch Einwirken des Luftsauerstoffs und Licht, wobei sich gelbgefärbte Lignin Abbauprodukten bilden.
Heute weiß man, dass diese Abbauprodukte den Zellstoff langsam angreifen und für seinen Zerfall verantwortlich sind.
Nach 1850 wurden die meisten europäischen Bücher auf ligninhaltigem Papier gedruckt, weil es ca. 10% billiger war als das damals übliche Papier aus Baumwolle und Leinen-Abfällen.
Die Mehrzahl dieser Bände ist heute zerfallen oder steht bereits am Rande der Vernichtung, da unreiner Zellstoff spröde und brüchig wird. Man schätzt, dass aus diesem Grund ungefähr eine Milliarde alte Bücher extrem gefährdet sind. Diese Katastrophe hätte vermieden werden können, wenn das chemische Verhalten von Lignin und Zellstoff rechtzeitig und vor allem besser untersucht worden wäre! Ligninfreies Papier und ganz reiner Zellstoff (z.B. Baumwolle) vergilben nur sehr langsam, falls sie richtig gelagert werden.
- Beispiel Holzabbau durch Bakterien, Pilze und Enzyme
Der natürliche Holzabbau erfolgt durch Mikroorganismen und deren Enzyme, welche die Holzbestandteile zu löslichen Produkten abbauen. Dieses Phänomen weist wichtige ökologischen Vorteile auf, ist aber zugleich für den u. U, schnellen Zerfall von Holzprodukten verantwortlich.
Es ist wichtig, den Abbauvorgang gründlich zu verstehen und zu meistern. Diese Kenntnisse erlauben
- geeignete Vorsichtsmassnahmen zu treffen, um den natürlichen Abbau zu verhindern oder zu verlangsamen;
- andererseits aber auch die Isolierung und Verwertung von erwünschten Holzabbauprodukten zu erleichtern.
Holz wird von tierischen oder pflanzlichen Parasiten angegriffen. Unter den tierischen Parasiten zählt man Insekten, Käfer, Wespen, Ameisen und Termiten, Krustentiere und Mollusken.
Die pflanzlichen Parasiten gehören hingegen zur Gruppe der Pilze und Bakterien. Die letzteren vermehren sich durch Zellteilung und pflanzen sich im Holz fort, vor allem unter Einwirkung von Feuchtigkeit.
Infolgedessen, ist der Schaden durch bakteriellen Eingriff eher selten und begrenzt, während die Pilze imstande sind, entweder Lignin oder Cellulose oder beide Gewebe zugleich abzubauen.
Auch zur Lösung der hier anstehenden Probleme ist der Holzchemiker ebenso wie der Biologe gefragt.
- Beispiel Altern und Verkalken
Das Holz eines toten Baumes wird von Mikroorganismen in seine ursprünglichen Bestandteile abgebaut. Dieser natürliche Abbauvorgang ist den klimatischen Verhältnissen der Umwelt stark unterworfen.
Man hat beispielsweise sehr gut erhaltene, 4-5000 Jahre alte ägyptische Holzskulpturen oder prähistorische Holzspeere und Pfeile gefunden. Die ersten verdanken dem trockenen Wüstenklima ihren guten Zustand, die letzteren dem lehmartigen sauerstoffarmen Boden, aus welchem sie ausgegraben wurden.
Im durchnässten Holz können die vor allem im harten Wasser gelösten Salze ausgeschieden und in die Zellwand des Holzes eingebaut werden.(sogenannte Verkalkung).
Unter gewissen Umständen können Mikroorganismen den im Holz chemisch gebundenen Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung eines graphitähnlichen Materials völlig entziehen (sogenannte Verkohlung).
Solche Prozesse spielen bei der Erforschung vorzeitlicher Lebensumstände eine große Rolle und sind auch die Quelle energiepolitisch eminent wichtiger Ressourcen, wie etwa Erdöl oder Erdgas.
Holz als chemischer Rohstoff- und indirekte Energiequelle
Diese Anwendungen von Holz und anderen pflanzlichen Stoffen zielen auf die Herstellung von Chemikalien und die Energiegewinnung, um fossile Rohstoffe wie Petroleum, Gas und Kohle so weit wie möglich zu ersetzen
Darüber hinaus soll die Verwendung von Holz- oder Pflanzenabfällen sowie auch von Rückständen aus der Holz- und Zellstoffindustrie effizienter verwertet werden.
Die direkte Umwandlung von Holz und pflanzlicher Biomasse ist außerordentlich vielfältig. Zu den wichtigsten Prozessen zählen hierbei
| Prozess |
Produkt |
| 1. Verkohlung |
... |
Holzkohle |
| 2. Vergasung |
... |
Synthesegas, Methanol |
| 3. Verflüssigung |
...... |
Brennstoffe, Chemikalien |
| 4. Weitere, mechanische und chemische Verarbeitungen: Erzeugung von Papier, Zellstoff, Hemizellulose, Fasern, Zuckerderivate, (Glucose), sowie Alkohol und das bereits erwähnte Lignin. |
Auf diese interessanten Aspekte der chemischen Holznutzung kann ich aber im Hinblick auf die begrenzte Zeitvorgabe leider nicht näher eingehen.
Verbrennung: Direkte Energie- und Wärmeerzeugung
Holz als direkte Energiequelle gewinnt eine immer größere Bedeutung. Gerade Österreich ist ein sehr gutes Beispie für diese bereits hochentwickelte Technologie. Sie sichert einen ständig steigenden Prozentsatz des heimischen Energiebedarfs.
Die Hauptvorteile bestehen im niedrigen Schwefelgehalt der Abgase und im geringen Ascherückstand; während die Hauptnachteile im vergleichsweise geringen Brennwert und einer Belastung der Abgase durch Russ, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, vor allem bei älteren Anlagen verursacht werden.
Am Ende dieses kurzen Überblicks über die ungewöhnlich interessanten Inhaltsstoffe des Naturprodukts Holz möchte ich wieder an eine Legende der Antike anknüpfen.
Vor ungefähr 2500 Jahren, so heißt es in der Sage, schliefen die alten Griechen ganz sorglos. Sie waren nämlich fest davon überzeugt, dass ihre wertvollen Silberminen unerschöpflich seien. Während der Nacht würden die Götter dafür sorgen, dass das tagsüber ausgegrabene Silber nachts von den Göttern wieder ersetzt würde!
Aber schon 600 Jahre später warnte der Philosoph und Schreibgelehrte Plinius der Ältere vor einer allzu leichtsinnigen Ausbeutung der Natur, welche seiner Ansicht nach nur eine begrenzte Regenerationsmöglichkeit habe.
So früh haben bedeutende Köpfe ihrer Zeit die Grundregeln der Ökologie erkannt, deren Beachtung uns weltweit heute immer noch so ungeheuer schwer fällt!
Die Wissenschaft und unsere eigene Einsicht können uns aber helfen , sinnvoller mit der Natur umzugehen, unsere Ressourcen schonender zu nutzen und dabei Grenzen aufzuzeigen, die nicht überschritten werden dürfen. Diese Chance sollten wir, ja müssen wir verstärkt nutzen!
Das Ziel ist klar vorgezeichnet:
Das nachwachsende Naturprodukt Holz muss innovativ, wirtschaftlich sinnvoll und ökologisch verantwortbar verarbeitet und umweltverträglich regeneriert werden.
Seit Plinius ist viel Zeit verstrichen. Aber seine Überlegungen sind heute aktueller denn je!
Bruno J.R. Nicolaus
Frau Freisinger, Frau Nicolaus, Prof. Nicolaus (v.l.)
Murau Holzkonferenz 2003
|
allgemein
general
