Angewandte Holzforschung  
Bio-inspired-Wood
Bio-engineered Wood
Cellulose Nanocomposite
Holz-/Oberflächentechnologie

Bio-engineered Wood
Allgemein

Mikroorganismen (Pilze, Algen, Flechten und Bakterien) können Materialien bewachsen (Biofilme), ihre Funktion beeinträchtigen, die Lebensdauer verkürzen, den ästhetischen Aspekt negativ verändern und zu hygienischen Problemen führen. Pilze werden meist als Schädlinge wahrgenommen. Gezielt eingesetzt, können sie aber auch willkommene Veränderungen in Materialien hervorrufen. Im Rahmen unserer angewandten Grundlagenforschung versuchen wir die positiven Eigenschaften des Werkstoffes Holz mit Hilfe von Pilzen zu optimieren. Der Einsatz holzzersetzender Pilze führt zu verbesserten Klangeigenschaften von Geigenholz. Die Erhöhung der Imprägnierbarkeit von Fichten- und Tannenholz wird durch definierte Abbauprozesse und damit verbunden durch eine verbesserte Wegsamkeit von Holzveredelungssubstanzen erzielt.

Flyer (PDF)

Schwerpunkte

Klangholz

  • Hochwertiges Klangholz zeichnet sich durch eine geringe Rohdichte und einer hohen Biegesteifigkeit aus. Durch gezielte Abbauprozesse lassen sich die akustischen Eigenschaften von Fichten- und Ahornholz verbessern.

Wegsamkeit

  • Fichten- und Tannenholz ist weder sehr dauerhaft noch sehr widerstandsfähig und lässt sich schlecht mit Holzschutzmitteln oder anderen Modifizierungssubstanzen imprägnieren.

Enzymatische Holz-Funktionalisierung

  • Holzzersetzende Pilze scheiden Enzyme aus, die die Polymere des Holzes abbauen. Neben der Identifizierung und Charakterisierung dieser Enzyme werden diese gezielt zur Holz-Funktionalisierung eingesetzt. So können bspw. Laccasen erfolgreich bei der Herstellung von Holz-Werkstoffen und antimikrobiellen Holzoberflächen im Rahmen von „Green Chemistry“ eingesetzt werden.

Kompetenzen / Methoden
  • Untersuchung der biogenen Zerstörung resp. Korrosion von Holz, Kunststoffen, Metallen, organischer und anorganischer Baustoffe
  • Forschung zur gezielten Modifikation von Holzeigenschaften durch Pilzwachstum
  • Bestimmung der Dauerhaftigkeit von Materialien gegenüber Mikroorganismen unter verschiedenen Klimaeinflüssen
  • Ermittlung der biologischen Wirkung von Schutzmitteln und -verfahren gegen Material zerstörende und -verfärbende resp. Schimmel bildende Pilze
  • Enzymatische Holz-Funktionalisierung

Allgemeiner Kontakt: Francis Schwarze

 

Aktuelle Forschungsprojekte
Entfernen des Oberflächenmyzels auf Klangholz nach der Pilzbehandlung

Klangholz
Musikinstrumente, die während des späten 17. und frühen 18. Jahrhunderts gebaut wurden, weisen im Vergleich zu zeitgenössischen Instrumenten auf Grund besserer Holzeigenschaften vielfach eine bessere Klangqualität auf. Dendrochronologische Studien zeigen, dass der berühmte Geigenbauer Antonio Stradivari in den letzten Dekaden seines Schaffens (der sogenannten „goldenen Ära“) vorwiegend Fichtenholz von Bäumen verwendete, die während einer Periode mit längeren Wintern und kühleren Sommern („Maunder-Minimum“) gewachsen waren. Das Klima führte zu einer langsameren und gleichmässigeren Holzbildung, schmalen Jahrringen, einer hohen Biegefestigkeit und geringer Dichte. Empa Studien zeigen, dass durch den gezielten Einsatz von holzzersetzenden Pilzen, die Rohdichte von olz deutlich vermindert, der Dämpfungsfaktor erhöht und die Biegesteifigkeit dagegen nicht nennenswert herabgesetzt werden. Das mit einem solchen Holzabbauprozess erzielte grössere Schallgeschwindigkeit-Rohdichte-Verhältnis führt zu einer ähnlichen Materialqualität des Klangholzes wie von Holz aus Bäumen, die während des „Maunder-Minimums“ gewachsen sind. Die industrielle Umsetzung dieser Art der Holzmodifikation könnte Lieferengpässe von immer knapper werdendem, hervorragendem Klangholz durch die Vergütung von gutem zu eminentem Klangholz schliessen und den traditionellen Musikinstrumentenbau in Europa fördern. In diesem interdisziplinären Projekt, welches von der Walter Fischli-Stiftung gefördert wird, sollen die Grundlagen für ein definiertes und qualitätskontrolliertes Behandlungsprogramm entwickelt werden, damit die akustischen Eigenschaften von Klangholz reproduzierbar und unter standardisierten Bedingungen verbessert werden können.
Kontakt Marjan Sedighi Gilani

Fruchtkörper des Weissfäule-Erregers Physisporinus vitreus

Verbesserung der Wegsamkeit von Fichtenholz durch Pilzbehandlung
Verschlossene Hoftüpfel des Fichtenholzes sind dafür verantwortlich, dass die Behandlung mit Imprägnier- und Holzschutzmitteln als Massnahme zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen einen Holzabbau durch Mikroorganismen schwierig und aufwendig ist. Könnten die Hoftüpfel nachträglich wieder geöffnet werden, so liesse sich das Holz viel einfacher imprägnieren. Mit dem Pilz Physisporinus vitreus, einem Weissfäuleerreger, haben wir einen holzabbauenden Pilz gefunden, der als erstes die verholzten Membranen der Hoftüpfel abbaut, bevor er die für die Holzfestigkeit verantwortlichen Zellwände zersetzt. Derzeit verfeinern wir die Wachstums und Besiedlungsbedingungen für den Pilz und bereiten die Umsetzung des patentierten Verfahrens für biotechnologische Zwecke in einer Pilotanlage vor.
Kontakt: Francis Schwarze

Enzymatische Holz-Funktionalisierung mit bioaktiven Molekülen

Antimikrobielle Holzoberfläche
Vor dem Hintergrund bereits existierender Arbeiten über die Verwendung von umweltverträglichen Substanzen im Holzschutz sowie die enzymatische Funktionalisierung der Holzoberfläche entstand die Projektidee beide Ansätze miteinander zu verbinden. In einem WHFF-Projekt in Zusammenarbeit mit Dr. Julian Ihssen (Abteilung Biomaterialien 275) wurde ein Verfahren entwickelt, das durch eine Laccase vermittelte Bindung von bioaktiven Molekülen an das Holzpolymer eine auswaschungsresistente und antimikrobielle Holz-Oberfläche generiert. In weiterführenden Studien wird die hohe Wirksamkeit des Verfahrens gegen Bakterien, Hefepilze sowie gegen filamentöse Pilze aus der Klasse der Ascomyceten und Basidiomyceten validiert.
Kontakt: Mark Schubert/Julian Ihssen

Laccase katalysierte kovalente Bindung von Ankermolekülen ans Ligninpolymer.

Verbesserung der Verklebungsgüte
Aufgrund der guten kohäsiven Festigkeiten moderner Klebstoffe ist zu vermuten, dass die Grenzschicht zwischen Holz und Klebstoffpolymer, insbesondere bei inaktivierter Oberfläche („weak boundary layer“), die Schwachstelle bei Holzklebverbunden darstellt und die Ursache des Versagens in einer unzureichenden Adhäsion des Klebstoff-Holz-Systems begründet ist. Ziel einer vorgängigen Laccase-katalysierten Holz-Oberflächen Funktionalisierung mit phenolischen Aminen (Ankermolekülen) ist es daher, eine möglichst homogene, definierte Oberfläche zu erzeugen, die die Grundlage schafft für:
- eine gleichmässige, sehr gute Benetzung der Fügeteiloberfläche mit Klebstoff
- eine Verbesserung der Haftung und eine reproduzierbare, langzeitbeständige Fügeverbindung
Kontakt: Mark Schubert

Entwicklung eines Verfahrens zur biologischen Bekämpfung kupfertoleranter Pilze im Erdreich von Holzprodukten mit Antagonisten
Imprägnierte Holzmasten werden im Vergleich zu Beton oder Stahl aufgrund vieler positiver eigenschaften von Telekommunikations-Unternehmen und E-Werken bevorzugt eingesetzt. Weltweit werden bei imprägnierten Holzprodukten immer wieder Frühausfälle durch kupfertolerante, holzzerstörende Pilze festgestellt. In diesem Projekt sollen die Voraussetzungen zur Selektion und technischen und wirtschaftlichen Nutzung eines Antagonisten gegen kupfertolerante, holzzerstörende Porenhausschwämme der Gattung Poria erarbeitet werden. Hierzu wird in Zusammenarbeit mit der Swisscom AG, BASF Schweiz und der BASF Wolman GmbH, einer der führenden Hersteller von Holzschutzmitteln, ein Antagonist selektiert und ein Verfahren zur biologischen Kontrolle gegen kupfertolerante Pilze entwickelt. Hierdurch kann der Infektionsdruck durch kupfertolerante, holzzerstörende Pilze im Boden reduziert und die Standdauer von imprägnierten Masten und Holzprodukten in Europa bedeutend verlängert werden.

Links: Frühausfall eines Holzmasts, der mit einem Chrom-Kupfer-Salz imprägniert wurde. Aus dem zersetzten Holzmast wurde ein kupfertolerantes Isolat von Poria placenta gewonnen. Bild A: Dichtes, weisses Myzel von Poria placenta = Rhodonia placenta auf inkubierten Kontrollproben. Bild B: Der Antagonist T-Cu+ verhinderte eine Besiedlung des Holzes durch Rhodonia placenta.

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