Titel Entwicklung eines Verfahrens zur biotechnologischen ... · M. Quantz, A. Lind und D....

A. Lind und D. Weinzierl und M. Quantz: Hefe Hohlpigment 1(55)

Titel Entwicklung eines Verfahrens zur biotechnologischen Herstellung von hohlen Pigmentstrukturen aus mineralisierten Hefezellen A. Lind, D. Weinzierl und M. Quantz Inhalt

1 Zusammenfassung 2

2 Abstract 3

3 Einleitung 5

4 Versuchsdurchführung 6

5 Gewinnung einer Hefebiomasse 7

6 Fixierung der Hefezellen 11

7 Erhöhung der Oberflächenladung 16

8 Erarbeitung von Qualitätsparametern und Methoden zu ihrer Bewertung 18

9 Fällung von Bariumsulfat an die Zelloberfläche 18

10 PCC-Bildung an der Zelloberfläche 21

11 Beschichtung mit Silicaten 30

12 Erarbeitung von Qualitätsparametern und Methoden zu ihrer Bewertung 33

13 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 51

M. Quantz, A. Lind und D. Weinzierl: Hefe Hohlpigment 2(55)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de

1 Zusammenfassung

Thema Entwicklung eines Verfahrens zur biotechnologischen Herstellung von hohlen Pigmentstrukturen aus mineralisierten Hefezellen.

Ziel des Projektes

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur biotechnologischen Herstellung von hohlen Pigmentstrukturen aus mineralisierten Hefezellen.

Bereitstellung von Hefeprodukten

Die industriellen Züchtungsverfahren von Backhefe sind geeignet, Hefezellen mit einer der Zielstellung entsprechenden Größe und Oberflächenladung bereitzu-stellen. Die Entleerung der Zellen um eine hohle, nur mehr aus der Zellwand bestehende Hefezellhülle zu erzielen, kann ebenfalls mit den industriell erprobten Extraktionsverfahren der Autolyse/Plasmolyse erreicht werden.

Die Selektion der Backhefetypen nach der Autolyse/Plasmolyse nach den Kriterien Autolysegrad, Größe und Zeta-Potential deutet darauf hin, dass Stellhe-fen schneller autolysierbar sind und damit kleinere Hefezellhüllen liefern. Die Zeta-Potentiale nehmen zwar in der Autolyse/Plasmolyse ab, genügen jedoch immer noch den Anforderungen der Anwendung.

Beschichtung Das Forschungsvorhaben hat gezeigt, dass die Hefezellen und Hefezellhüllen mit verschiedenen Mineralien und nach verschiedenen Verfahren beschichtet werden können. Die erhaltenen Pigmente können mit üblichen Methoden charak-terisiert und zu Streichfarben verarbeitet werden.

Pigmenteigen-schaften

Die grundlegenden Pigmenteigenschaften können wie folgt zusammengefasst werden:

• Dichtewerte von ca. 1,3 bis 2,8 (entsprechend ca. 60…75% des jeweiligen Minerals),

• Teilchengröße von ca. 3 bis 5 µm, • geringe Abrasion von 7,6 g/m² Siebfläche, • Weißgrade von > 80%, • hohe mechanische und thermische Stabilität.



Streichversuche Erste Streichversuche mit verschiedenen beschichteten Hefepigmenten zeigten, dass durch die Wahl der Ausgangsprodukte und die Art der Beschichtung sowohl die Streichfarben- als auch die Papiereigenschaften beeinflusst werden können. Prinzipiell ist es möglich, Papiere mit etwas höherem Volumen, höheren Opazitä-ten, vergleichbaren Glättewerten und Druckergebnissen im Vergleich zum Einsatz von natürlichem Calciumcarbonat zu erhalten. Weißgrad und Glanz der Papiere sinken dagegen ab.

Aufgrund ihrer Eigenschaften sind die im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelten Pigmente für den Einsatz in Spezialpapieren oder in verschiedenen weiteren industriellen Anwendungen prinzipiell geeignet.

Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF ZUTECH 198 ZN der kooperierenden For-schungsvereinigungen PTS und Forschungsinstitut für Backhefefragen wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Ein herzliches Dankeschön sei auch allen Projektpartnern der Hefe-, Papier- und Zulieferindustrie gesagt, die zu ständiger Diskussion und Unterstützung bereit waren und durch ihre tatkräftige Unterstützung den Fortschritt des Projektes ermöglicht haben.

2 Abstract

Theme Developing a biotechnological method to produce hollow pigment structures from mineralised yeast cells und hulls.

Project objective Objective of this project was the development of a biotechnological method to produce hollow pigment structures from mineralised yeast cells and hulls.

Provision of yeast products

Industrial culturing methods for baker’s yeast can be used to obtain yeast cells of the size and surface charges required in this project. Cells may be emptied by autolysis/plasmolysis, extraction methods which have proven effective in industry as well, to obtain hollow yeast cell hulls comprised of cell walls only.

The subsequent selection of baker’s yeast species according to the criteria degree of autolysis, size and zeta potential suggests that seed yeasts undergo autolysis more rapidly and will therefore produce smaller cell hulls. Even though the cells’ zeta potential goes down during autolysis/plasmolysis, it is still high enough for the envisaged application.

Coating The project results show that it is possible to apply mineral coatings to yeast cells and yeast cell hulls by means of various coating methods. The pigments ob-tained may be characterised by conventional methods, and processed into coating colours.



Pigment characteristics

Main characteristics of the new pigments are:

• Density values of approx. 1,3 - 2,8 (corresponding to approx. 60…75% of the respective mineral),

• Particle sizes of approx. 3 - 5 µm, • Low abrasion of 7,6 g/m² wire area, • Brightness levels > 80%, • High mechanical and thermal stability.

Coating trials Initial coating trials of several coated yeast pigments have shown that it is possible to influence the properties of both coating colour and paper by selecting suitable starting materials and coating types. As compared to natural calcium carbonate, it is basically possible to obtain papers of somewhat greater volume, higher opacity levels and similar smoothness- and print results with the new pigments. Brightness and gloss results with the new pigments are lower than those obtained with GCC, however.

Owing to their specific characteristics, the pigments developed in this project are generally suitable for specialty paper production or other industrial applications.

Acknowledge-ment

The research project IGF ZUTECH 198 ZN of the cooperating research associa-tions PTS and Forschungsinstitut für Backhefefragen/Research Institute for Baker`s yeast was funded within the program of promoting “pre-competitive joint research (IGF)” by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warm gratitude for this support.

Many thanks indeed also to our project partners from the yeast-, paper- and supply industries for their constant assistance and willingness to discuss difficult issues of this project. Their active support has actually helped the project suc-ceed.



3 Einleitung

Hochwertige Druckpapiere werden zur Verbesserung des Druckbildes und zur Erzeugung eines gewissen Glanzes meist mit einer mineralischen Pigmentdis-persion beschichtet. Die Papierindustrie bezeichnet diesen Prozess als Strei-chen, die verwendeten weißen Pigmente als Streichpigmente.

Gestrichene Papiere weisen eine gleichmäßige, glatte und feinporige Oberfläche mit definierter Kapillarität auf, die einen geringeren Druckfarbenverbrauch mit sich bringt. Die gleichmäßige Oberfläche mit mikroskopisch gleichen Strukturen führt dazu, dass die Druckfarbe weder stark in das Papiergefüge eindringt noch an der Oberfläche „verläuft“ - das Druckbild ist scharf, die Farben brillant und der Druckglanz hoch. Weiterhin werden die Opazität, der Glanz und der Weißgrad der Papiere durch den Strichauftrag verbessert.

Anforderungen an Papier

Trends in der Papierindustrie gehen u.a. in Richtung geringerer flächenbezoge-ner Massen /1/. Trotz dieser sinkenden flächenbezogenen Masse sollen die Papiereigenschaften nach Möglichkeit gleich bleiben oder sogar verbessert werden.

Weitere Trends gehen in Richtung eines höheren Volumens, was z.B. die Griffigkeit des Papiers verbessert.

Erfüllung dieser Anforderungen durch den Einsatz von Hohlpigmenten

Neben einer sehr guten Bedruckbarkeit stehen also die Eigenschaften Volumen und Opazität bei geringer flächenbezogener Masse im Fokus der Anforderungen. Diese Eigenschaften können z.B. durch den Auftrag einer dicken, jedoch leichten Strichschicht erzielt werden, was beispielsweise durch Hohlräume in der Strich-schicht oder durch den Einsatz von Hohlpigmenten realisiert werden kann. Durch die (luftgefüllten) Hohlräume in der Strichschicht oder im Pigment wird die Anzahl Licht streuender Phasengrenzen erhöht, da die Lichtstrahlen an mehren Punkten gebrochen und gestreut werden (vgl. auch Abbildung 1):

Abbildung 1 Lichtstreuung an den Phasengrenzen eines (luftgefüllten)

Hohlpigmentes

Durch diese gesteigerte Lichtstreuung steigen Weißgrad und Opazität an. So ist es möglich, bei gleichem Strichauftrag ein Papier mit verbesserten optischen Eigenschaften und höherem Volumen herzustellen.



Neuer Ansatz zur Herstellung von Hohlpigmenten

Wie oben dargestellt, ist es durch den Einsatz von Hohlpigmenten in der Papierindustrie möglich, Papiere mit höherer Opazität und höherem Volumen herzustellen. Kommerziell verfügbare Hohlpigmente werden in einigen Spezial-anwendungen eingesetzt. Ihre Herstellung ist jedoch aufwändig und somit relativ teuer.

Das Forschungsprojekt beschreitet mit einem biomimetischen Ansatz ganz neue Wege, nämlich die biotechnologische Herstellung von hohlen Pigment-strukturen aus mineralisierten Hefezellen.

Ausgehend von der These, dass Hohlpigmente die Opazität und das Volumen gestrichener Papiere verbessern können, werden geeignete hohle Trägermate-rialien - Hefehüllen, geschlossene Hefezellwände - ausgewählt und hergestellt, die Pigmente durch Fällung von Mineralien auf die Hefezellwände gebildet. Dabei werden die Theorie der Kristallisationsprozesse sowie aus der Literatur bekannte Arbeiten für die praktischen Arbeiten der Fällung von Pigmenten auf die Hefezellen herangezogen.

4 Versuchsdurchführung

Gesamtvorgehen Ausgehend von der These, dass bei beim Einsatz von Hohlpigmenten als Streichpigment in der Papierindustrie wichtige Anforderungen an die Papiere (hohes Volumen, hohe Opazität) erfüllt werden können, kann die Durchführung des Forschungsvorhabens wie folgt zusammengefasst werden:

• Herstellung und Erprobung der hohlen Trägermaterialien (Hefe) • Aufbau der Pigmente unter Nutzung der Hefezellwände

• Anwendung von Kristallisationsprozessen auf die Fällungsprozesse an den Hefen

• Bewertung der hergestellten Pigmente mit Hinblick auf die Ausgangs-these der Papieranwendung



5 Gewinnung einer Hefebiomasse

5.1 Selektion der Hefestämme nach Größe

Screening von Zellgrößen

Die Spezifikation der zu erzielenden Hefezellen und -Hohlkörper wurde wie folgt festgelegt:

• Größe ~ 5 µm • negative Ladung, um positiv geladene Mineralien zu binden Die Zellgrößenverteilung von ca. 105 Stämmen aus der Industrie-Hefestamm-sammlung der Versuchsanstalt der Hefeindustrie (VH) wurden elektronisch als Leitfähigkeitssignale nach der Coulter Counter Methode bestimmt. Daraus wurde eine Auswahl von 30 Stämmen getroffen. Die Spanne der mittleren Zelldurch-messer auf Basis der Zellzahlen (n) reichte von 3,1 bis 5,5 µm, vgl. Abbildung 2.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9 20 45 47 51 55 61 65 69 80 93 99 108

111

117

VH-Stamm Code

Mitt

lere

r Dur

chm

esse

r [µm

]

Mittel (n) Mittel (A) Mittel (V)

Abbildung 2 Lage der Mittelwerte der 30 selektierten VH-Stämme

Die Mittelung auf Basis der gerechneten Flächenquerschnitte (A) bzw. der äquivalenten Volumen (V) zeigte eine ähnliche Verteilung, jedoch größere Werte, da der Coulter Counter die tatsächlichen räumlichen Dimensionen nicht abbilden kann.



Aus den von den Unternehmen des Projekt begleitenden Ausschusses (PA) bereitgestellten kommerziellen Hefeproben konnten ebenfalls mittlere Zell-durchmesser um 5µm bestimmt werden. Die folgende Abbildung 3 zeigt die Zellgrößenverteilung der Hefefabrikate 1 (Asmussen) und 2 (Wieninger) sowie der dazugehörigen Autolysate 1 und 2.

Abbildung 3 Größenverteilung kommerzieller Hefefabrikate

Die rechtsschiefen Verteilungen resultieren aus der Überlagerung der Verteilung von Tochterzellen (wachsend) und älteren Zellen, die nach der Fermentations-zeit von 15-16 h vorliegen. Die Fabrikate unterscheiden sich daher auch im Gehalt an Tochterzellen. Die Verteilung der autolysierten Zellen wird im Kapitel 6.2 diskutiert.



5.2 Ladungsbestimmung an Hefesuspensionen

Zeta-Potential-bestimmung an nativen Hefe-zellen

Zur Ladungsbestimmung an Einzelzellen wurde die Zellelektrophorese einge-setzt. Als Messgröße dient dabei die elektrophoretische Mobilität (µe) der Hefezellen, die sich aus der Bewegung der Hefezellen (Geschwindigkeit v) in einem elektrischen Feld (E) infolge elektrostatischer Anziehung ergibt: µe= v/E.

Sie wird durch mikroskopische Beobachtung der Partikelbewegung in temperier-ten, kleinen Messzellen eines Zytopherometers bestimmt. Aus der elektrophore-tischen Mobilität wird dann das Zeta-Potential (z) ermittelt. Bei 20 °C errechnet sich das Zeta-Potential (in mV) aus der elektrophoretischen Mobilität (in µm/V/cm) und einem konstanten Faktor: Z= 13 x µe. Die Messgröße „elektropho-retische Beweglichkeit“ wird mittels einer Umrechnung als Zeta-Potential [mV] ausgedrückt. Auch hierbei ist die Salz-Elektrolytkonzentration wichtig, da die Hefezellladung den größten Teil des Ladungstransportes übernehmen. Die in 1mM-Phosphat-Puffer verdünnten Suspensionen wurden in eine Zellelektropho-resekammer injiziert, bei nahezu konstanter Feldstärke wurden je 8 Einzelzel-lenmessungen durchgeführt und als Mittelwert verwendet.

Potentielle Ladungsträger in der Zellwand

Als Ladungsträger der Hefezellwand sind die Mannoproteine, Aminosäurereste und die Phosphorsäurereste der in der Zellwand enthaltenen Lipide von Bedeu-tung. Die Ladung der amphoteren Proteine und ihrer Aminosäuren ist pH-Wert abhängig und schlägt von negativen Werten im schwach sauren zu positiven Zeta-Potentialwerten im stark sauren Milieu um.

Abbildung 4 zeigt die starke pH-Abhängigkeit der Hefezellladungen und die deutlich negativere Ladung in dem physiologischen (nativen) Bereich zwischen pH 4- 6. Potentiell einsetzbare Minerale wie CaCO3 zeigen eine eher positive Ladung und sind demzufolge auch elektrostatisch bindungsfähig.

Die Veränderung der Ladungsverhältnisse wird in Punkt 12.2 vorgestellt.



Zeta-Potential

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH

Z/m

V

Hefe1 Hefe2 Calciumcarbonat Literaturwerte Cacliumcarbonat Abbildung 4 Zeta-Potentiale an nativen Hefezellen und CaCO3 nach

Messungen der PTS und Literaturdaten

Messung des Zeta-Potentials mittels Mark II Zytopherometer ohne Puffer.

Zeta-Potential-unterschiede verschiedener Hefetypen

Die Stellhefen (SH) werden mit einer höheren Hefevermehrungsverhältnis (bis zu 1:50) gefahren als die Hefen in Versandhefe- (VH-) fermentationen (1:8). Durch die unterschiedliche Wahl des End-pH-Wertes bei der Stellhefe (SH) -und der Versandhefe (VH) - Fermentation wird ein unterschiedliches Zeta-Potential erreicht.

Tabelle 1 Zeta-Potential verschiedener Hefetypen

Fabrikat - Hefetyp Zeta-Potential [mV] pH-Wert

Hefetyp B-SH -56,9 4,7

Heftyp B-VH -59,0 6,2

Messung des Zeta-Potentials mittels Mark II Zytopherometer mit Phosphatpuffer.

5.3 Fazit

Das Ziel „Gewinnung einer geeignet großen und mit Ladungsträgern versehenen Hefebiomasse“ kann mittels industriell üblicher Hefezüchtung erreicht werden. Die Werte sowohl der Größenverteilungen als auch der Zeta-Potentiale bei entsprechenden pH-Werten zeigen, dass die Hefebiomasse für die angestrebte Anwendung zielgerecht hergestellt werden kann.



6 Fixierung der Hefezellen

Vorgehen Zur Autolyse werden Hefesuspensionen mit 6% Natriumhydroxid auf einen pH-Wert von 6 und mit 10-15% TS eingestellt und im Doppelmantel-Glasreaktor (vgl. Abbildung 5) bei 50°C aufgeschlossen. Bei Temperaturen oberhalb von 45°C kommt der Stoffwechsel zum Erliegen, die meisten Proteine werden denaturiert. Zelleigene Enzyme, Proteasen und Glucanasen bleiben jedoch aktiv. Zur Unterstützung des Diffusionstransports durch die Plasmamembran wurden der Hefesuspension noch 5% Natriumchlorid und 5% Ethylacetat zugesetzt, sodass eine kombinierte Autolyse / Plasmolyse vorlag.

Aufbau der Autolyseein-richtung

1,2 Doppelmantel-Glasreaktoren:0,5 - 2 l

3,4 Magnetrührer bzw. Rührwerke

5 Ablauf Temperierung; 6 Zulauf Temperierung Abbildung 5 Aufbau der Autolyseeinrichtung



6.1 Zellinhaltsstofftransport aus der Zelle

Diffusions-transport der Zellinhaltsstoffe

Die Entleerung der Zellen durch Diffusion der autolysierten Proteine war als Abnahme von Trockensubstanz zu beobachten. Die Abnahme der Proteingehal-te der abzentrifugierten Zellwandfraktion ist im Wesentlichen von der Zeit ab-hängig und variiert mit dem eingesetzten Hefetyp. Die Proteinmenge reduziert sich um mindestens 50% des Ansatzes.

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Zeit [h]

TS [%

]

A-SHA-PHB-SHB-VH

Abbildung 6 TS-Verlustprofile als Funktion der Zeit

Bemessung der Zellentleerung

Als Maß für die Entleerung der Zelle wird üblicherweise das Verhältnis des gelösten assimilierbaren Stickstoffes (AN) im Überstand zum Gesamt Stickstoff (GN) verwendet. In Abhängigkeit von der Salzkonzentration sind Werte > 45% erreichbar.

0102030405060

A-SH A-PH B-SH B-VH B-PH

Hefefabrikat

AN

/GN

Ver

hältn

is [%

]

Abbildung 7 Zellentleerung: Verhältnis Assimilierbarer / Gesamt-Stickstoff



Einfluss des Salzgehaltes auf die Zell-entleerung

Die Salzkonzentration ist der wichtigste Parameter der kombinierten Autolyse / Plasmolyse. Das osmotische Gefälle zwischen der Zellumgebung und dem Zellinneren bewirkt eine Beschleunigung des Diffusionstransports. Dies wird anhand der Höhe der AN/GN-Verhältnisse in der folgenden Tabelle sehr deut-lich.

Tabelle 2 Einfluss des Gehaltes an Natriumchlorid auf das AN/GN-Verhältnis

Ohne NaCl 5 g/L NaCl 50 g/L NaCl Hefetyp A-SH 8 h 24 h 48 h 8 h 24 h 48 h 24 h

AN/GN [%] 0,2 0,7 4,1 0,3 0,7 6,3 47,8

Anreicherung von Zellwand-bestandteilen

Die Anreicherung der zellwandbildenden Glukane um den Faktor 2 (von 10% bis auf 20% des TS) verlief am schnellsten bei Autolyse-pH-Werten um 6. Die Mannane reicherten sich nahezu im gleichen Verhältnis an. Daraus kann gefol-gert werden, dass kein enzymatisch bedingter Abbau der Zellwandbestandteile auftrat.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3


Hefefabrikat

Fakt

or d

er M

anna

n &

G

luca

n A

nrei

cher

ung Mannan Glucan

Abbildung 8 Anreicherung der Zellwandbestandteile Glucan / Mannan

6.2 Zellgröße, Zeta-Potential und Zellintegrität nach Autolyse

Zellgröße nach Autolyse / Plasmolyse

Die Zelldurchmesser nach der Autolyse/Plasmolyse wurden nach der Coulter Counter Methode bestimmt. Die Spanne der mittleren Zelldurchmesser reichte von 3,7 bis 4,0 µm.

Die Zellgröße nahm im Verlauf der Autolyse aufgrund der beschriebenen Diffusi-on der Zellinhaltsstoffe stetig um etwa 20% ab.



Zeta-Potential-Abnahme nach Autolyse / Plasmolyse

Die Autolyse/Plasmolyse beginnt im Inneren der Zelle und die internen Enzyme greifen nach den zellinternen Proteinstrukturen auch die äußeren Proteinstruktu-ren an. In der Literatur /2/ ist dieser Zeitpunkt bei vergleichbaren Bedingungen auf etwa 8 h bestimmt worden. Somit war bei allen Autolysen/Plasmolysen mit 24h Laufzeit auch ein Proteinabbau und ein Ladungsverlust zu erwarten. Der Vergleich der Zeta-Potentiale vor und nach der Autolyse / Plasmolyse zeigt eine Abnahme um bis zu 15%, abhängig vom Hefezelltyp; vgl. Abbildung 9.

80

85

90

95

100


Hefefabrikat

Zeta

-Pot

entia

l-Erh

alt [

%]

Abbildung 9 Zeta-Potential-Erhalt in % abhängig vom Hefetyp

Zusammenhang zwischen Zeta-Potential und Autolyse-geschwindigkeit

Bei dem Hefetyp B-SH ist die Zeta-Potentialabnahme durch Zellwandproteinab-bau mit dem höheren AN/GN-Verhältnis aus der höheren Autolysegeschwindig-keit ableitbar. Für den Typ A trifft dies dagegen nicht zu.

Zellintegrität nach Autolyse / Plasmolyse

Als qualitative Methoden zur Beurteilung der Zellintegrität wurden die Fluo-rophorfärbung und die Fluoreszenzmikroskopie ausgewählt.

Das Fluorophor „Calcoflour white“ bindet spezifisch an die Chitin-Layer in der Zellwand. Chitin befindet sich auch angereichert in den Sprossungsnarben. Die Zellwände waren auch nach der Autolyse leuchtend weiß gefärbt, sodass von einer intakten Zellwand ausgegangen werden kann (Bilder A und G in Abbildung 10)

Die Orange - Färbung der Hefe-„Zellkerne“ (DNA) mit dem Fluorophor „Ethidi-umbromid„ zeigte an, das die Plasmamembran durchlässig und das Zellinnere teilweise entleert ist. Bei intakten Zellen ist keine Färbung möglich (Bilder B und H in Abbildung 10)



native Zellenzellwand sehr schwache Zellkern-Anfärbung

autolysierte / plasmolysierte Zellwand-Anfärbung

autolysierte / plasmolysierte Zellkernanfärbung und leere Zellen

Abbildung 10 Fluorophor - Anfärbungen der Zellwand und des Zellkernes vor/nach Autolyse/Plasmolyse

6.3 Fazit

Das Ziel „Inaktivierung der Hefezellen durch Extraktion“ kann mittels industriell praktizierter Autolyse/Plasmolyseverfahren erreicht werden. Die Hefezellen werden inaktiviert, erreichen durch die Zellentleerung ca. 20% kleinere Durch-messer und bleiben nach den fluoreszenzmikroskopischen Bildern auch intakt.

Die Verluste der Zeta-Potentiale nach 24 h Autolyse zeigen, das ein Teilabbau von Ladungsträgern auf der Zellwand einsetzt. Die Zeit der Autolyse ist der wichtigste Kontrollparameter. Die Spezifikation kann dennoch weiterhin erfüllt werden.



7 Erhöhung der Oberflächenladung

7.1 Zeta-Potentialänderungen durch chemische Extraktion der Zelle

Bestimmung der minimalen Eigenladung

Zunächst wurde die minimale mögliche Eigenladung der Hefezellen als Zeta-Potential bestimmt. Dazu wurde eine chemische Extraktion mit Chloro-form/Ethanol zur Herstellung von hohlen Zellen (Ghosts), die nur aus reinen Glukanfraktionen bestehen, eingesetzt /3/.

Die Methode sieht eine Stabilisierung der extrahierten Zellwand mit Glutaralde-hyd vor. Ein signifikanter Einfluss auf die minimale Eigenladung konnte nicht festgestellt werden

In Abbildung 11 sind die Zeta-Potentiale ausgewählter Hefezelltypen „A-SH“ und „B-SH“ vor und nach der Extraktion „CE“ sowie der Autolyse „Autl.“ im Boxplot mit der Streuung dargestellt.

Autl.A Autl.B CE.A* CE.A2 CE.A1 CE.B2 CE.B1 Fab.A- SH Fab.B - SH

- 40

- 45

- 50

- 55

- 60

Abbildung 11 Zeta-Potential nach Autolyse/Plasmolyse (Autl.) und

Chemischer Extraktion (CE), (CEA* mit Glutaraldehyd)

Deutlich ist die Abnahme des Zeta-Potentials des Hefetyps B um ca. 20% durch die chemische Extraktion zu erkennen. Da die Extraktion die Lipide aus der Zellwand entfernt, ist die Restladung auf die Mannoproteine zurückzuführen. Wie gezeigt fällt die Abnahme bei einer Autolyse geringer aus. Der Hefetyp A dage-gen zeigt eine etwa gleiche Abnahme wie bei einer Autolyse.



Änderung des Zeta-Potentials durch Verdünnung des Puffers

In Abbildung 12 ist zu erkennen, dass die Ionenstärke des Puffersystems (Phos-phatpuffer nach Sörensen) den entscheidenden Einfluss auf die Lage der Zeta-Potentiale hat. Bei einem 10-fach verdünnten Puffer werden Unterschiede der Hefesahne zu Autolysaten deutlich, die vorher nicht erkennbar waren.

-70-60-50-40-30-20-10

0Hefesahne A1 A2

Hefefabrikat

Zeta

pote

ntia

l [m

V]

1 mM 0,1 mM

Abbildung 12 Änderung des Zeta-Potentials mit der Ionenstärke

Zeta-Potential-änderung durch Anlagerung von organischen Säureresten

Durch den Einsatz eines 3 mM Zitronensäure-Phosphatpuffers pH 4,8; 5; 5,5 nach Mc Iloaine wurde versucht, einen organischen Säurerest an der Zellwand anzulagern und das negative Zeta-Potential zu erhöhen. Dieser Versuch gelang jedoch nicht, stattdessen sank das Zeta-Potential auf Werte unter -40 mV bzw. -35 mV für die Autolysate.

7.2 Fazit

Die bestimmbare Ladung der Hefezelloberfläche ist wesentlich durch die Puffer-konzentration der Messlösung bedingt. Das Zeta-Potential steigt mit zunehmen-der Verdünnung. Somit sind die bei den geplanten Fällprozessen eingesetzte Salzkonzentration und der pH-Wert die Steuergrößen für die Ausbildung des Zeta-Potentials.



8 Erarbeitung von Qualitätsparametern und Methoden zu ihrer Bewertung

Belastbarkeit der Hefezellhüllen durch thermische Prozesse

Die Sprühtrocknung ist ein gängiges Verfahren zur Konditionierung und Konser-vierung von Hefeprodukten. Für die Zielstellung des Projektes ist es von Bedeu-tung, dass die Hefezellhüllen auch als lagerfähiges Material für eine spätere Verwendung konditioniert und konserviert werden können.

Die autolysierten Hefezellhüllen wurden zu diesem Zweck in einem Laborsprüh-trockner B-190 der Fa Büchi getrocknet. (Konzentration 60g/l, Eingangstempe-ratur Luft 170°C, Luftstrom 600 l/h).

Es sollte gezeigt werden, dass die Hefezellhüllen diesen thermischen Prozess in einer vollständigen, unbeschädigten und rieselfähigen Form durchlaufen können. Abbildung 13 zeigt den Vergleich der REM-Aufnahmen vor und nach der Sprüh-trocknung.

Abbildung 13 Vergleich der REM-Aufnahmen von frisch autolysierten (A) und sprühgetrockneten

Hohlzellen (B)

Die Zellmembran ist durch die Sprühtrocknung zwar eingefallen, die Oberfläche ist jedoch nicht eingerissen und besitzt eine glatte Struktur. Damit ist eine Lagerfähigkeit, Rieselfähigkeit, Resuspendierbarkeit und Verwendungsmöglich-keit der getrockneten Hefezellhüllen in den Fällungsprozessen prinzipiell gege-ben.

9 Fällung von Bariumsulfat an die Zelloberfläche

Material und Methoden

Für die Fällungsversuche mit Bariumsulfat wurden Bariumchlorid-Dihydrat und Natriumsulfat verwendet. Alle Lösungen und Suspensionen wurden mit demine-ralisiertem Wasser hergestellt. In allen Versuchen wurde handelsübliche Bä-ckerhefe (saccharomyces cerevisiae) verwendet.



9.1 BaSO4-Fällung ohne Eduktüberschuss

Beschichtungs-versuche

In der folgenden Abbildung 14 sind Beispiele von REM-Aufnahmen der Be-schichtungsversuche in zwei unterschiedlichen Vergrößerungen gezeigt. Bei den Beschichtungsversuchen wurden die Edukte abwechselnd ohne einen Über-schuss einer Komponente zur Hefesuspension gegeben. Dabei entstehen große Aggregate aus BaSO4-Teilchen, in denen teilweise die Hefezellen eingelagert sind (siehe Bild rechts unten). Das Ziel vereinzelter, nicht aggregierter, umhüllter Hefezellen konnte mit diesem Ansatz nicht erreicht werden.

Abbildung 14 Fällung von Bariumsulfat ohne Eduktüberschuss

Begründung der nicht erfolgreichen Beschichtung

Die starke Aggregatbildung und ungenügende Umhüllung der Hefezellen ist darauf zurückzuführen, dass die Fällungen bei pH-Werten nahe am isoelektri-schen Punkt (IEP) von Bariumsulfat (IEP~6 /4/) erfolgten. Die nahe des IEP wenig bis ungeladenen Partikel erfahren wegen der geringen Oberflächenladung nur eine geringe elektrostatische Repulsion und es können sich große Partikel-aggregate bilden. Zudem ist die elektrostatische Wechselwirkung der wenig geladenen Bariumsulfatteilchen mit den Hefezellen zu gering um eine Anlage-rung der Bariumsulfatteilchen zu erreichen.



9.2 BaSO4-Fällung mit Eduktüberschuss

Beschichtungs-versuche

Die Bildung von Aggregaten (vgl. 9.1) während der Fällung kann durch einen Überschuss von Bariumchlorid bzw. Natriumsulfat verhindert werden. Bei einem Überschuss von Barium- bzw. Sulfationen während der Fällung adsorbieren Ba2+- bzw. SO4

2--Ionen an die Partikeloberflächen. Dadurch steigt die Oberflä-chenladung der Bariumsulfatpartikel an und die Aggregation der Teilchen wird durch elektrostatische Repulsionskräfte verhindert.

Die nachfolgende Abbildung 15 zeigt REM-Aufnahmen von Hefezellen, die durch Fällung mit Bariumsulfat beschichtet wurden. Während der Fällungsversuche war jeweils eine Eduktkomponente im Überschuss vorhanden. Das linke Bild zeigt die vereinzelt vorliegenden, mit kleinen BaSO4-Teilchen umhüllten Hefezel-len. Im vergrößerten Bild rechts ist die Hohlkörperstruktur an einer zerbrochenen Hefezelle erkennbar.

Abbildung 15 Fällung von Bariumsulfat mit Überschuss einer Fällungskomponente während der

Reaktion

9.3 Zusammenfassung der Fällungsversuche mit Bariumsulfat

Zusammen-fassung

Es zeigte sich, dass bei abwechselnder Zugabe geringer Mengen der Eduktlö-sungen zur Hefesuspension keine Beschichtung der Hefezellen erfolgt. Wird hingegen die Bariumchlorid- bzw. Natriumsulfatlösung ganz oder teilweise mit der Hefesuspension vorgelegt und danach die zweite Komponente sehr langsam zugegeben, so kann eine Beschichtung der Hefezellen mit BaSO4 erreicht werden. Dabei spielt es keine Rolle, welches der Edukte vorgelegt wird.

Eine mögliche Erklärung liefert die von Kucher et al. /5/ beschriebene spezifische Adsorption der Gitterionen an die Oberfläche der Bariumsulfatteilchen, die zu einer erhöhten Oberflächenladung führt. Durch die höheren Abstoßungskräfte wird nicht nur die Aggregation der Primärpartikel verhindert sondern auch eine Anlagerung der Bariumsulfatteilchen an die Hefezelloberfläche durch elektrosta-tische Wechselwirkungen ermöglicht.



10 PCC-Bildung an der Zelloberfläche

10.1 Fällung mit Calciumchlorid und Natriumcarbonat

Fällung mit CaCl2 und Na2CO3

Zu einer 10%igen Hefesuspension, die 0,4 mol/L Calcium enthält, wurde unter heftigem Rühren das stöchiometrisch äquivalente Volumen einer 1 mol/L Natri-umcarbonat-Lösung gegeben. Die dadurch ausgelöste Fällungsreaktion führte zur Anlagerung von kleinen Calciumcarbonat Kügelchen an die Oberfläche der Hefezellen (Abbildung 16 links oben).

Eine Erhöhung der Calciumkonzentration auf 0,6 mol/L führt zu einer vollständi-gen Umhüllung der Hefezellen mit Kugeln aus Calciumcarbonat (Abbildung 16 rechts oben).

Eine weitere Erhöhung der Calciumkonzentration auf 0,8 mol/L führt zu einer dichteren Hülle aus Calciumcarbonat Kügelchen und die Hefezellen. Diese Struktur bleibt auch nach dem thermischen Entfernen der Hefezelle erhalten (Abbildung 16 links unten).

Wird die Calciumkonzentration weiter erhöht auf 1 mol/L, so erfolgt die Zerstö-rung der Hefezellen (Abbildung 16 rechts unten). Durch die Erhöhung der Calciumkonzentration wird die Masse an gefälltem Calciumcarbonat erhöht, wodurch auch der Feststoffgehalt und die Viskosität der Suspension ansteigen. Die Hefezellen werden durch das intensive Rühren somit immer größeren Scherkräften ausgesetzt und schließlich bei einem zu großen Feststoffgehalt zerstört.



Calciumkonzentration: 0,4 mol/L Calciumkonzentration: 0,6 mol/L

Calciumkonzentration: 0,8 mol/L Calciumkonzentration: 1,0 mol/L Abbildung 16 Fällungsversuche mit Calciumchlorid und Natriumcarbonat bei unterschiedlichen

Calciumkonzentrationen



Zusatz von Polyacrylat

Um eine einheitliche, glatte Umhüllung mit Calciumcarbonat zu erreichen wurden chemische Additive in Betracht gezogen, die die Bildung von größeren Calcium-carbonatteilchen verhindern. In der chemischen Industrie sind sog. „scaling inhibitors“ bekannt, die die Bildung von Kesselsteinablagerungen verhindern. Diese Verbindungen verhindern das Wachsen von Calciumcarbonatkristallen durch Adsorption an die Kristallitoberfläche. Aus der großen Vielzahl an mögli-chen Verbindungen der Substanzklasse „scaling inhibitor“ wurden Polyacrylate ausgewählt, die z.B. als Dispergiermittel in der Papierindustrie eingesetzt wer-den.

Die Zugabe von 10 g/L Polyacrylat mit einer mittleren Molmasse von ca. 4.000 g/mol zu einer 10%igen Hefesuspension, die 0,8 mol/L Calcium enthält und anschließende Fällung durch Zugabe des äquivalenten Volumens einer 1 mol/L Natriumcarbonatlösung führt zu einer geschlossenen Hülle von Calciumcarbonat um die Hefezellen (Abbildung 17).

Der Zusatz von Polyacrylat („scaling inhibitor“) verhindert das Kristallwachstum von Calciumcarbonat. Dadurch bilden sich viele sehr viel kleinere Calciumcarbo-natkristalle an der Oberfläche der Hefezelle. Diese kleinen Kristallite an der Zelloberfläche führen zu einer glatten Oberfläche der beschichteten Hefezellen.

Abbildung 17 Glatte Hülle von Calciumcarbonat um Hefezellen durch

Zugabe von Polyacrylat als „scaling inhibitor“



Zusammen-fassung

Die Umhüllung von Hefezellen mit Calciumcarbonat aus calciumhaltigen Hefe-suspensionen durch Zugabe von Natriumcarbonatlösungen konnte erfolgreich durchgeführt werden. Bei einem Verhältnis von 6-8 mmol Ca2+ / g Hefe wurde eine optimale Umhüllung der Hefezellen mit kleinen Calciumcarbonat-Kügelchen erreicht. Der Zusatz von Polyacrylat zur Reaktionssuspension führt zu einer geschlossenen, glatten Umhüllung der Hefezellen.

10.2 Fällung mit Ammoniumcarbonat als Kohlendioxidquelle

Ergebnisse der Fällung mit CaCl2 und (NH4)2CO3 als CO2-Quelle

Die Beschichtung der Hefezellen mit einer glatten Hülle aus Calciumcarbonat ist durch die Verwendung von Ammoniumcarbonat als CO2-Quelle möglich. Durch den sehr langsamen Konzentrationsanstieg in der Lösung durch die Diffusion von CO2 und NH3 aus der Luft in die Lösung bildet sich auch ohne den Zusatz von Polyacrylat eine geschlossene, glatte Hülle um die Hefezellen. Nachfolgend dargestellt ist eine REM-Aufnahme der Fällung der Hefezellen, wobei 0,76 g Hefe in 20 mL einer 1 mol/L CaCl2-Lösung suspendiert und 24 Stunden in einem Exsikkator über 8,0 g Ammoniumcarbonat gerührt wurden.

Abbildung 18 Mit Calciumcarbonat umhüllte Hefezellen, hergestellt unter

Verwendung von Ammoniumcarbonat als CO2-Quelle und Calciumchlorid als Edukt



Fällung mit Ca(OH)2 und (NH4)2CO3 ohne Polyacrylat

Werden die Fällungsreaktionen im Exsikkator über Ammoniumcarbonat mit Calciumhydroxid als Edukt durchgeführt, so ist ein Zusatz von Polyacrylat nötig. Ohne den Zusatz von Polyacrylat ist eine Beschichtung der Hefezellen mit Calciumcarbonat nicht möglich, es entsteht neben beschichteten Hefezellen auch viel bulk-Material und Agglomerate, vgl. die folgende Abbildung 19.

Abbildung 19 Ausgefälltes Calciumcarbonat bei Fällungsreaktionen mit Ammoniumcarbonat als

CO2-Quelle und Calciumhydroxid als Edukt ohne Polyacrylatzugabe



Fällung mit Ca(OH)2 und (NH4)2CO3 mit Polyacrylat

In Analogie zu den weiter oben beschriebenen Fällungsmethoden bewirkt auch bei der Fällung mit Calciumhydroxid der Zusatz von 10 g/L eines kurzkettigen Polyacrylats mit einer mittleren Molmasse von ca. 4.000 g/mol zur Fällungssus-pension eine bessere Umhüllung der Hefezellen mit Calciumcarbonat und verhindert die Bildung von bulk-Material.

In einem typischen Experiment wurden 1,0g otro Hefe mit 1,0g Ca(OH)2 in 20 mL destilliertem Wasser suspendiert und 0,5 g Polyacrylat zugegeben. Diese Suspension wurde 24h bei Raumtemperatur in einem Exsikkator über festem Ammoniumcarbonat gerührt. Nach Abschluss der Fällung wurde das Reaktions-produkt bei 4.000 U/min für 5 Minuten abzentrifugiert, dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen und bei 105°C bis zur Massenkonstanz getrocknet.

Abbildung 20 Mit Calciumcarbonat umhüllte Hefezellen, hergestellt unter

Verwendung von Ammoniumcarbonat als CO2-Quelle und Calciumhydroxid als Edukt mit Polyacrylatzugabe

Zusammen-fassung

Die Beschichtung der Hefezellen mit einer glatten Hülle aus Calciumcarbonat ist durch die Verwendung von Ammoniumcarbonat als CO2-Quelle möglich. Wird Calciumchlorid als Edukt verwendet, so ist die Beschichtung der Hefezellen ohne weitere Additive möglich. Beim Einsatz von Calciumhydroxid als Edukt der Fällungsreaktion ist hingegen ein Zusatz von Polyacrylat als Additiv nötig, um eine Beschichtung der Hefezellen zu gewährleisten.



10.3 PCC-Verfahren mit Calciumhydroxid und Kohlendioxid als Edukt

Material und Methoden

Die großtechnische Synthese von gefälltem Calciumcarbonat erfolgt mit dem sogenannten PCC-Fällungsverfahren. Dabei wird natürliches Calciumcarbonat thermisch in Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid zersetzt. Nach dem „Löschen“ des Calciumoxids mit Wasser zu Calciumhydroxid und eventuellen Bleich- oder anderen Reinigungsschritten wird das zuvor gewonnene CO2 zur Fällung von Calciumcarbonat verwendet. Die Anwendbarkeit dieses großtechnisch umsetz-baren Verfahrens zur Beschichtung von Hefezellen mit Calciumcarbonat wurde im Folgenden untersucht.

PCC – Einfluss der Temperatur

Die Starttemperatur bei der PCC-Fällung hat einen großen Einfluss auf den Verlauf der Fällung. Bei verschiedenen Starttemperaturen sind Randbedingun-gen gegeben, die eine Beschichtung der Hefezellen ermöglichen sollte.

Bei einer Starttemperatur der PCC-Fällung von 12°C werden die Hefezellen, abgesehen von wenig „bulk“-Material, sehr gut mit Calciumcarbonat umhüllt. Die folgende Abbildung 21 zeigt das Produkt der Beschichtung von Hefezellen mit 20,3 mmol / g Hefe. Der vergrößerte Ausschnitt zeigt, dass die Hefezellen mit kleinen PCC-Kristalliten umhüllt sind.

Abbildung 21 Mit PCC-Kristalliten umhüllte Hefezellen, hergestellt nach dem PCC-Prozess mit einer Starttemperatur von 12°C

Starttemperatur 4°C

Bei weiterem Absenken der Starttemperatur auf 4°C entstehen größere Calci-umcarbonat-Würfel auf der Hefezelleoberfläche. Die nachfolgende REM-Aufnahme zeigt Hefezellen, die mit 19,8 mmol Calciumcarbonat / g Hefe be-schichtet wurden.



Abbildung 22 Mit PCC-Würfeln umhüllte Hefezellen, hergestellt nach dem PCC-Prozess mit einer Starttemperatur von 4°C

Starttemperatur 50°C

Die folgenden Abbildungen zeigen REM-Aufnahmen von Hefezellen, die bei einer Starttemperatur von 50°C mit 13,5 mmol CaCO3 / g Hefe beschichtet wurden. Die beschichteten Hefezellen sind jedoch gegen die mechanische Belastung des Rührens labil, so dass nur vereinzelt intakte umhüllte Hefezellen entstehen.

Abbildung 23 Mit PCC umhüllte Hefezellen, hergestellt nach dem PCC-Prozess mit einer Starttemperatur von 50°C, wobei die Hefezellen durch mechanische Belastung zum Großteil zerstört wurden



PCC – Einfluss von Polyacrylat bei Raum-temperatur

Die Beschichtungsversuche mit dem PCC-Verfahren waren bei Raumtemperatur ohne Zusatz von Additiven nicht erfolgreich. Jedoch konnte auch bei diesem Fällungsverfahren durch den Zusatz von Polyacrylat zur Fällungssuspension eine Umhüllung der Hefezellen erzielt werden.

Ohne den Zusatz von Polyacrylat kommt es auch hier zur Bildung von Aggrega-ten und der Fällung von bulk-Material anstatt der Umhüllung. Analog zu den anderen Methoden der Fällung von Calciumcarbonat an die Hefezelloberfläche verbessert jedoch ein Zusatz von Polyacrylat zur Fällungssuspension die Be-schichtungsergebnisse erheblich. Somit konnte auch bei Raumtemperatur eine vollständige Umhüllung der Hefezellen erreicht werden.

Die Nachfolgenden REM-Aufnahmen in Abbildung 24 zeigen die Ergebnisse der Beschichtung von Hefezellen mit 20,0 mmol CaCO3 / g Hefe, wobei 14 g / L Polyacrylat in der Fällungssuspension vorhanden waren.

Abbildung 24 Mit PCC umhüllte Hefezellen, hergestellt nach dem PCC-Prozess bei

Raumtemperatur mit Zugabe von Polyacrylat

Zusammen-fassung

Bei erhöhter oder niedrigerer Reaktionstemperatur konnte eine Hüllenbildung um die Hefezellen erreicht werden. Bei Raumtemperatur führt der Zusatz von Polyacrylat zur Fällungssuspension zu einer Umhüllung der Hefezellen mit Calciumcarbonat.



11 Beschichtung mit Silicaten

Stabilität der Hefezellen in Ethanollösung

Die Stabilität der Hefezellen in wässriger, alkoholischer Lösung wurde durch die Messung der Teilchengröße mit dem Mastersizer überprüft. Die Veränderung der Teilchengrößenverteilung der Hefezellen in einer 50 gew% Ethanol-Wasser Mischung wurde in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.

Um die Stabilität der Hefezellen in alkoholischer Lösung zu untersuchen, wurde die Veränderung der Teilchengrößenverteilung der Hefezellen in einer 50 gew% Ethanol-Wasser Mischung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.

Die Teilchengrößenverteilung ändert sich nach 6 Minuten nicht weiter. Insgesamt sind die Hefezellen in einer Mischung aus 50 gew% Ethanol und Wasser stabil, eine signifikante Zersetzung der Hefezellen wird nicht beobachtet.

Einfluss der TEOS -Konzentration

Die Konzentration an TEOS spielt eine entscheidende Rolle bei der Beschich-tung der Hefezellen mit Siliciumdioxid. Bei einem konstanten Wasser / Ethanol-verhältnis von 1 wurde die Menge an zugegebenem TEOS von 0,56 mol/L auf 1,64 mol/L erhöht.

Abbildung 25 Mit Silicat beschichtete Hefezellen mit unterschiedlichen TEOS-Konzentrationen

(links oben geringste, rechts unten höchste Konzentration)



Bei geringer TEOS-Konzentration bilden sich zerknitterte Strukturen, die an Bälle ohne Luft erinnern. Mit steigender TEOS-Konzentration bleibt die Kugelgestalt der Hefezellen besser erhalten. Auch die mechanische Stabilität wird erhöht, wie am geringeren Anteil der zerstörten Hefezellen zu erkennen ist.

Einfluss des Verhältnisses Wasser / Alkohol

Um den Einfluss des Wassergehalts auf die Fällung zu untersuchen wurde das Verhältnis Wasser / Alkohol des verwendeten Lösungsmittels variiert. Es wurden Mischungen von Wasser / Alkohol im Verhältnis 1:2, 1:1 und 2:1 verwendet. Die REM-Aufnahmen der verschiedenen Fällungsprodukte sind in Abbildung 26, Abbildung 27 und Abbildung 28 gezeigt.

Bei einem Verhältnis von Methanol : Wasser = 1:1 bildet sich eine geschlossene Schale um die Hefezellen, an deren Oberfläche kleine Teilchen erkennbar sind. Bei einem Verhältnis von Methanol : Wasser = 1:2 sind die an der Oberfläche haftenden SiO2-Teilchen deutlich größer. Dies ist auf die schnellere Hydrolysera-te der Siliciumalkoxidmoleküle bei höherem Wassergehalt zurückzuführen. Dadurch stehen mehr reaktive Kieselsäuremoleküle zur Verfügung, wodurch ein schnelleres Wachstum der entstandenen Keime möglich ist.

Im Falle von Methanol und Ethanol bilden sich bei einem Mischungsverhältnis von Alkohol : Wasser = 2:1 geschlossene, glatte Schalen um die Hefezellen. An der Oberfläche sind nur vereinzelt kleine Teilchen erkennbar. Mit steigendem Wassergehalt nehmen die Anzahl und Größe der erkennbaren Teilchen an der Oberfläche zu.

Auch bei n-Propanol als Lösungsmittel nimmt die Größe der Teilchen an der Oberfläche mit steigendem Wassergehalt zu. Die Oberflächen sind jedoch bei allen drei untersuchten Wassergehalten bereits strukturiert.

Methanol

1:2 1:1 2:1 Abbildung 26 Mit Siliziumdioxid beschichtete Hefezellen mit unterschiedlichen Verhältnissen von

Wasser zu Methanol



Ethanol


Wasser zu Ethanol

n-Propanol


Wasser zu n-Propanol



12 Erarbeitung von Qualitätsparametern und Methoden zu ihrer Bewertung

12.1 Pulverdiffraktometrie

Pulverdiffrakto-metrie (XRD)

Die Kristallinität bzw. die polymorphe Form der Beschichtung der Hefeholpig-mente wurde mit Hilfe der Pulverdiffraktometrie (XRD) untersucht.

Bei der Fällung von Bariumsulfat an die Hefezelloberfläche bildet sich die Kristallform Baryt.

Die Beschichtung mit Siliziumdioxid führt zur Bildung einer amorphen Phase an der Oberfläche der Hefezellen.

Bei der Beschichtung von Hefezellen mit Calciumcarbonat entsteht fast aus-schließlich die thermodynamisch stabilste Form Calcit. Lediglich bei der PCC-Fällung bei erhöhter Temperatur entstehen Spuren von Aragonit.

12.2 Zeta-Potential

Zeta-Potential Das Zeta-Potential der mit Bariumsulfat (12,5 mmol Ba/g Hefe) und Siliziumdio-xid (17,9 mmol Si/g Hefe) beschichteten Hefezellen unterscheidet sich nur geringfügig vom Zeta-Potential unbeschichteter Hefezellen. Die mit Calciumcar-bonat (20,0 mmol Ca/g Hefe) beschichteten Hefezellen besitzen hingegen ein deutlich weniger negatives Zeta-Potential.

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

04 5 6 7 8 9 10

pH-Wert

Zeta

pote

ntia

l [m

V]

Unbeschichtete Hefezellen

BaSO4 (12,5 mmol/g Hefe)

CaCO3 (20 mmol/g Hefe)

SiO2 (17,9 mmol/g Hefe)

Abbildung 29 Zeta-Potential verschieden beschichteter Hefepigmente

Messung des Zeta-Potentials mittels Zetasizer mit KCl als Leitsalz.



12.3 Thermische Stabilität

Thermische Stabilität Bariumsulfat- beschichteter Hefezellen

Nach der thermischen Behandlung der mit Bariumsulfat beschichteten Hefezel-len bleibt die Kugelgestalt nicht erhalten. Die Hohlkugeln werden komplett zerstört und es bleiben Bariumsulfatkristalle zurück.

REM-Aufnahmen thermisch behandelter, mit Calciumcarbonat beschichteter Hefezellen

Die mit kleinen Calciumcarbonatkügelchen beschichteten Hefezellen (vgl. 10.1) bleiben nach einer thermischen Behandlung bis 525°C zur Entfernung des biologischen Trägers nicht intakt. Es kommt zu einer vollständigen Zerstörung der Kugelstruktur.

Die nachfolgende Abbildung 30 zeigt eine REM-Aufnahme von Hefezellen, die mit dem PCC-Verfahren mit Calciumcarbonat beschichtet wurden und bis zu einer Temperatur von 550°C erhitzt wurden. Die Kugeln bleiben auch nach der thermischen Behandlung intakt, ein Zerplatzen der Hohlkugeln tritt nicht auf.

Abbildung 30 REM Aufnahme von Hefezellen, die mit Calciumcarbonat nach

dem PCC-Verfahren beschichtet wurden, nach einer thermischen Behandlung bei 550°C

Ein Vergleich der REM-Aufnahmen bei 10.000facher Vergrößerung zeigt jedoch, dass die Hülle aus Calciumcarbonat durch die thermische Zersetzung der Hefezellen und dem Austritt von Zersetzungsgasen porös wird, vgl. Abbildung 31.



Abbildung 31 Mit PCC beschichtete Hefezellen vor (links) und nach (rechts) einer thermischen Behandlung bei 550°C

REM-Aufnahmen thermisch behandelter, mit Siliciumdioxid beschichteter Hefezellen

Nachfolgend sind REM-Aufnahmen Siliziumdioxid-beschichteter Hefezellen dargestellt, die bis zu einer Temperatur von 910°C erhitzt wurden. Das linke Bild zeigt Hefezellen, die mit 13,5 mmol SiO2 / g Hefe beschichtet wurden. In der rechten Abbildung sind Hefezellen, die mit 18 mmol SiO2 / g Hefe beschichtet wurden, dargestellt.

Abbildung 32 Mit Siliciumdioxid beschichtete Hefezellen nach einer thermischen Behandlung bei 910°C

Auch nach der thermischen Behandlung bleibt die „zerknitterte“ Form der Hefe-zellen erhalten. Die durch Beschichtung erhaltenen SiO2-Kugeln überstehen ebenfalls die thermische Behandlung weitestgehend unzerstört und die Kugelge-stalt bleibt erhalten.

In beiden Fällen war das Produkt nach dem „Ausglühen“ weiß, es entstanden im Gegensatz zu den mit Calciumcarbonat beschichteten Hefezellen keine Kohlen-stoffrückstände der Hefezellen.



12.4 Pigmentuntersuchungen

Abrasion: Durchführung

Die Ermittlung der Abrasion bzw. Verschleißwirkung wurde in Anlehnung an das Zellcheming-Merkblatt ZM V27.7/90 mit einem AT1000 der Fa. Einlehner durch-geführt.

Bei dieser Bestimmung wird die Gewichtsdifferenz eines Bronzesiebes vor und nach dem Test bestimmt (= Abrieb [mg]) und daraus der Gewichtsverlust pro Flächeneinheit umgerechnet und als VWB120 (= Verschleißwirkung nach Breunig nach 120 min Laufdauer in g/m² Siebfläche) angegeben.

Die Abrasion wurde an Hefezellen gemessen, die mit dem PCC-Verfahren mit Calciumcarbonat (20,0 mmol CaCO3/g Hefe) beschichtet wurden.

Abrasion: Ergebnis

Der Abrasionswert der beschichteten Hefezellen betrug 2,3 mg Abrieb am Bronzesieb bzw. 7,6 g/m² Siebfläche. Damit liegen das Pigment im Bereich von handelsüblichem PCC.

Weißgrad: Durchführung

Die Durchführung der Weißgradmessungen an den Hefepigmenten erfolgte an Tabletten, die aus trockenen Pigmenten unter Standardbedingungen gepresst wurden, mittels Elrepho.

Weißgrad: Ergebnis

Die mit Calciumcarbonat bzw. mit Bariumsulfat beschichteten Hefezellen besit-zen einen Weißgrad von maximal 81%.

Durch die Beschichtung der Hefezellen mit Siliziumdioxid wurden Hohlpigmente mit einem Weißgrad von 82% erhalten. Durch Bleichen mit Wasserstoffperoxid konnte dieser Wert auf 87% erhöht werden.

Der Weißgrad der Hohlpigmente ist auf Grund der ausgeprägten Farbigkeit der Hefen deutlich geringer als der Weißgrad üblicher Streichpigmente.

Dichte: Durchführung

Die Dichte der Pigmentproben wurde mit Hilfe eines Pyknometers bestimmt.



Dichte: Ergebnis

Die Dichte der Hohlpigmente nimmt im Vergleich zu den Reinstoffen deutlich ab. Im Falle der mit Calciumcarbonat beschichteten Hefezellen (20,0 mmol/g Hefe) nimmt die Dichte um ca. 25% ab. Die mit Bariumsulfat beschichteten Hefezellen (12,5 mmol/g Hefe) besitzen eine um ca. 33% geringere Dichte als Bariumsulfat und bei den mit Siliziumdioxid beschichteten Hefezellen (22,5 mmol/g Hefe) sinkt die Dichte um ca. 40% verglichen mit der Dichte von amorphem Siliziumdioxid.

0

1

2

3

4

5

CaCO3 SiO2 BaSO4

Dic

hte

[g/c

m³]

ReinstoffHohlpigment

Abbildung 33 Dichtewerte verschieden beschichteter Hefepigmente

Zusammen-fassung

Die neu entwickelten Hefepigmente können mit den gleichen Charakterisie-rungsmethoden bewertet werden die in der Papierindustrie für handelsübliche Pigmente herangezogen werden.

Die Hefepigmente weisen die folgenden Charakteristika auf:

• Dichtewerte von ca. 1,3 bis 2,8 g/cm³ (entsprechend ca. 60…75% des jeweiligen Minerals),

• eine geringe Abrasion von 7,6 g/m² Siebfläche, • Weißgrade von > 80%.

Sie haben eine Teilchengröße von ca. 3 bis 5 µm und weisen hohe mechanische und thermische Stabilitäten auf.



12.5 Einsatz als Streichpigment

Streichfarben-herstellung

Um durch erste Streichversuche eine prinzipielle Eignung der neuen Pigmente im Bereich der Streicherei abzuschätzen wurde eine Standardrezeptur als Referenz und die beschichteten Hefezellen als Pigment verwendet.

Die Streichfarben wurden auf pH 8,8 und einen Feststoffgehalt von ca. 50% eingestellt. Streichfarben, die einen niedrigeren Feststoff aufweisen, konnten aufgrund der geringen Feststoffkonzentration der Hefepigmente nicht höher eingestellt werden.

Die Charakterisierung der Streichfarben erfolgte durch Messung der Brookfield-Viskosität bei einer Spindeldrehzahl von 100 min-1 (=BV(100) [mPas]) und des Wasserrückhaltevermögens (SD-Warren [s]).



Rezepturen Als Standardrezeptur für die Streichversuche wurde eine typische Streichfarben-formulierung gewählt:

• 100 Teile Pigment • 12 Teile Bindemittel • 0,4 Teile Cobinder 1 (Carboxymethylcellulose, CMC) • 0,3 Teile Cobinder 2 (Polyvinylalkohol, PVOH)

Tabelle 3 Überblick über die Pigmentzusammensetzung der verschiedenen Streichfarben

12 22 21 20 19 11 10 9 7 4 6 24 23 8

GCC 100 95 90 80 70 70 50 30 - - - 50 - -

PCC

Hefe

1

- 5 10 20 30 30 50 70 100 - - - - -

PCC

Hefe

2

- - - - - - - - - 100 - - - -

PCC

Hefe

3

- - - - - - - - - - 100 - - -

Silica

Hefe

1

- - - - - - - - - - - 50 100 -

Silica

Hefe

2

- - - - - - - - - - - - - 100

FG

[%] 49 51 51 51 51 51 51 49 46 55 50 48 39 41

PCC Hefe 1: nach dem PCC-Verfahren beschichtete Hefezellhüllen (20,0

mmol CaCO3/g Hefe), Hersteller 1 PCC Hefe 2: Bäckerhefe (20,0 mmol CaCO3/g Hefe), Hersteller 2 PCC Hefe 3: Hefehüllen (20,0 mmol CaCO3/g Hefe), Hersteller 2 Silica Hefe 1: Bäckerhefe (17,9 mmol SiO2/g Hefe), Hersteller 2 Silica Hefe 2: Bäckerhefe (17,8 mmol SiO2/g Hefe), Hersteller 2

Streichversuche und Satinage

Die Streichversuche wurden an einem halbautomatischen Handrakel durchge-führt. Die Trocknung erfolgte bei 105°C für zwei Minuten im Trockenschrank. Das Strichgewicht wurde auf 10 g/m² festgelegt.

Die Satinage wurde an einem Zweiwalzenlaborkalander mit typischen Bedin-gungen für handgestrichene Papiere (80°C, 2.000 daN Anpresskraft und 3 Nips) durchgeführt.



Bedruckbarkeit Neben den Papiereigenschaften ist vor allem für grafische gestrichene Papiere die Bedruckbarkeit ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Aus diesem Grund wurden ausgewählte gestrichene Papiere auch auf ihre Bedruckbarkeit hin untersucht. Dazu wurden

• die Rupffestigkeit (beschleunigter Test von 0 bis 3 m/s) sowie das • Wegschlagverhalten der gestrichenen, satinierten Papiere mittels Prüfbau-Probedruckmaschine untersucht.

Streichfarbeneigenschaften

Streichfarben-viskosität

Die Brookfield-Viskosität der Streichfarben in Abhängigkeit des verwendeten Pigments (100 Teile Hefepigment) ist in der folgenden Abbildung 34 (linke Grafik) dargestellt. Das verwendete Ausgangsmaterial für die Beschichtung sowie die Art der Beschichtung hat demnach einen großen Einfluss auf das Viskositätsniveau der mit den beschichteten Hefezellen hergestellten Streichfar-ben.

Bei der Verwendung von PCC-beschichteten Hefezellen zeigt die Streichfarbe, die mit beschichteten Hefezellhüllen von Hersteller 2 beschichtet wurden (PCC Hefe 3), deutlich höhere Viskositäten als bei Einsatz der beschichteten Hefezell-hüllen von Hersteller 1 (PCC Hefe 1) oder beschichteter Hefezellen von Herstel-ler 2 (PCC Hefe 2).

Streichfarben mit Hefepigmenten, die einen höheren Anteil Silica aufweisen (Silica Hefe 1) weisen im Vergleich Streichfarben mit Hefepigmenten mit gerin-gerem Silicatanteil höhere Viskositäten auf.

Wie aus dem rechten Teil der Abbildung deutlich wird, steigt die Brookfield-Viskosität mit steigenden Mengen an PCC-beschichtetem Hefepigment in der Streichfarbe nahezu linear an.

Streichfarben mit Hefehohlpigmenten weisen eine höhere Viskosität als die Standardstreichfarbe mit GCC auf. Eine problemlose Verarbeitung der Streich-farben im Labormaßstab war dennoch gegeben.



0

500

1000

1500

2000

GCC PCCHefe

1

PCCHefe

2

PCCHefe

3

SilicaHefe

1

SilicaHefe

2

BV(1

00) [

mPa

s]

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100Teile PCC Hefe 1

BV(

100)

[mPa

s]

Abbildung 34 Viskosität von Streichfarben, die mit Hefepigmenten hergestellt wurden

Wasserrück-haltevermögen

Das Wasserrückhaltevermögen der Streichfarben, die mit PCC-beschichteten Hefen oder Hefezellhüllen hergestellt wurden, unterscheidet sich nicht signifikant von den Werten für Streichfarben mit GCC als Streichpigment, wie aus Abbildung 35 abgelesen werden kann. Auch bei schrittweisem Austausch von GCC gegen PCC Hefe 1 konnte kein signifikanter Unterschied im Wasserrück-haltevermögen festgestellt werden.

0

5

10

15

GCC PCCHefe 1

PCCHefe 2

PCCHefe 3

SilicaHefe 2

WR

V [s

]

Abbildung 35 Wasserrückhaltevermögen von Streichfarben, die mit

Hefepigmenten hergestellt wurden

Werden dagegen silicatbeschichtete Hefepigmente eingesetzt sinkt das Wasser-rückhaltevermögen der Streichfarben deutlich ab.



Zusammen-fassung

Die Streichfarbeneigenschaften werden sowohl von den Hefeausgangsmateria-lien als auch den Beschichtungen beeinflusst.

Im Vergleich zu einer Standardstreichfarbe mit GCC steigen die Viskositäten der Streichfarben mit Hefepigmenten mehr oder weniger stark an.

Bei Verwendung von PCC-beschichteten Hefezellen oder Hefezellhüllen wird das Wasserrückhaltevermögen nicht signifikant beeinflusst, wohingegen bei silicatbeschichteten Hefepigmenten ein starker Rückgang des Wasserrückhalte-vermögens zu verzeichnen ist.

Papierprüfungen

Dicke Die Dicke der Papiere, die mit unterschiedlichen Mengenanteilen von PCC- und silicatbeschichteten Hefepigmenten hergestellt wurden, ist in der folgenden Abbildung 36 grafisch dargestellt.

Werden die Papiere nicht satiniert, so steigt die Dicke (und damit das Volumen) der Papiere an. Mit silicatbeschichteten Hefepigmenten ist dabei ein stärkerer Dickenzuwachs zu verzeichnen als bei der Beschichtung mit PCC.

Werden die Papiere dagegen satiniert ist nur noch ein sehr geringer Dickenzu-wachs zu verzeichnen. Auch hier zeigt sich ein Vorteil der Papiere, die silicatbe-schichtete Hefepigmente enthalten.

60708090

100110120130140

GCC PCCHefe 1

PCCHefe 2

PCCHefe 3

SilicaHefe 1

SilicaHefe 2

Dic

ke [µ

m]

Unsatiniert Satiniert

100

110

120

130

140

0 50 100

Teile Hefepigment

Dic

ke u

nsat

inie

rt [µ

m]

70

75

80

85

90

Dic

ke s

atin

iert

[µm

]PCC 1 unsat Silica 2 unsatPCC 1 sat Silica 1 sat

Abbildung 36 Dicke der Papiere, die mit Hefehohlpigmenten gestrichen wurden

REM-Querschnitte

Die Stabilität der beschichteten Hefezellen wurde anhand von REM-Aufnahmen vor und nach der Satinage verifiziert. Es zeigte sich, dass sowohl die mit dem PCC-Verfahren mit Calciumcarbonat beschichteten Hefezellen als auch die mit SiO2 beschichteten Hefezellen nach der Satinage unbeschadet bleiben.



PCC-beschichtet vor der Satinage PCC-beschichtet nach der Satinage

Silicatbeschichtet vor der Satinage Silicatbeschichtet nach der Satinage

Abbildung 37 REM-Querschnitte von Papieren, die mit Hefehohlpigmenten gestrichen wurden.

oben: 100 Teile PCC beschichtete Hefezellen (20,0 mmol/g Hefe) unten: 100 Teile SiO2 beschichtete Hefezellen (17,9 mmol/g Hefe)



Opazität unterschiedlicher Pigmente

Die folgende Abbildung zeigt die Opazität verschiedener Papiere, die mit 100 Teilen verschieden beschichteter Pigmente gestrichen wurden.

85

86

87

88

89

90

GCC PCCHefe 1

PCCHefe 2

PCCHefe 3

SilicaHefe 1

SilicaHefe 2

Opa

zitä

t [%

]

UnsatiniertSatiniert

Abbildung 38 Opazität verschiedener, mit unterschiedlich beschichteten

Hefepigmenten gestrichener Papiere

Aus dieser Abbildung wird deutlich, dass die Papiere, die mit beschichteten Hefezellen gestrichen wurden, keinen Opazitätsgewinn gegenüber dem einge-setzten GCC aufweisen. Werden dagegen Hefezellhüllen von Hersteller 1 (PCC Hefe 1) beschichtet, so steigt die Opazität der Papiere an.

Schlussfolgerung Die Ergebnisse der Opazitätsuntersuchungen der gestrichenen Papiere zeigen, dass durch den Einsatz von beschichteten Hefezellen kein Opazitätsgewinn im Vergleich zu herkömmlichen Pigmenten möglich ist. Vermutlich ist der in den Hefezellen vorhandene Hohlraum nicht effektiv genug, eine ausreichende zusätzliche Lichtstreuung zu ermöglichen.

Der Einsatz von Hefezellhüllen, die ein höheres Hohlraumvolumen aufweisen, kann dagegen eine Opazitätssteigerung hervorrufen.



Opazität mit Pigment-mischungen

Der Trend der Opazitätserhöhung ist auch in der folgenden Abbildung 39 ersicht-lich. Hier wurde die Opazitätsentwicklung bei steigendem Gehalt an PCC-beschichtetem Hefepigment an unsatinierten und satinierten Papieren darge-stellt. Aus dieser Abbildung wird deutlich, dass bei den satinierten Papieren durch den Einsatz von geringen Mengen an Hefepigment eine Opazitätssteige-rung möglich ist. Ab ca. 30 Teilen des Hefepigmentes dagegen bleibt die Opazi-tät konstant, d.h. eine weitere Erhöhung der Opazität durch höhere Einsatzmen-gen des Hefepigmentes scheint nicht möglich zu sein.

85

86

87

88

89

90

0 20 40 60 80 100Teile PCC Hefe 1

Opa

zitä

t [%

]

unsatiniertsatiniert

Abbildung 39 Opazitätsentwicklung gestrichener Papiere mit

unterschiedlichen Gehalten an PCC-beschichtetem Hefepigment



Weißgrad unterschiedlicher Pigmente

Im Gegensatz zur Opazität wird der Weißgrad der Papiere durch die Zugabe von Hefepigment in die Streichfarbe negativ beeinflusst. Wie aus Abbildung 40 ersichtlich ist, wird der Weißgrad dabei sowohl vom Hefeausgangsmaterial als auch von der Beschichtung beeinflusst.

Sowohl die PCC-beschichteten Hefezellen als auch Hefezellhüllen von Hersteller 2 (PCC Hefe 2 und PCC Hefe 3) weisen höhere Weißgrade auf als die PCC-beschichteten Hefezellhüllen von Hersteller 1. Dabei zeigen die PCC-beschichteten Hefezellhüllen einen höheren Weißgrad als die PCC-beschichtete handelsübliche Bäckerhefe.

Die Silicatbeschichteten Hefepigmente weisen höhere Weißgrade auf als die PCC-beschichteten, wobei ein signifikanter Einfluss der Silicatmenge nicht festgestellt werden kann.

767880828486889092

GCC PCCHefe 1

PCCHefe 2

PCCHefe 3

SilicaHefe 1

SilicaHefe 2

Wei

ßgra

d [%

]

UnsatiniertSatiniert

Abbildung 40 Weißgrad verschiedener, mit unterschiedlich beschichteten




Weißgrad mit Pigment-mischungen

Aufgrund der geringeren Pigmentweiße der Hefepigmente nimmt der Weißgrad der Papiere mit steigendem Gehalt an Hefepigment nahezu linear ab, wie aus der folgenden Abbildung 41 ersichtlich ist.

767880828486889092

0 20 40 60 80 100Teile Hefepigment

Wei

ßgra

d [%

]

PCC 1 sat PCC 2 unsatSilica 1 sat Silica 2 unsat

Abbildung 41 Weißgradentwicklung gestrichener Papiere mit


Glanz unterschiedlicher Pigmente

Der Glanz der satinierten Papiere, dargestellt in Abbildung 42, sinkt durch den Einsatz von beschichteten Hefepigmenten deutlich ab, wobei mit Silicatbeschich-teten Hefepigmenten etwas geringere Glanzwerte erreicht werden als mit PCC-beschichteten Hefepigmenten.

0

5

10

15

20

25

30

GCC PCCHefe 1

PCCHefe 2

PCCHefe 3

SilicaHefe 1

SilicaHefe 2

Gla

nz

Abbildung 42 Glanz verschiedener, mit unterschiedlich beschichteten




Glanz mit Pigment-mischungen

Die folgende Abbildung 43 zeigt die Entwicklung des Glanzes der satinierten Papiere mit steigenden Mengen an Hefepigment. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass der Glanzverlust bereits bei geringen Mengen an Hefepigment beginnt.

05

1015202530


Gla

nz 7

5°

PCC satSiO2 sat

Abbildung 43 Glanzgradentwicklung gestrichener Papiere mit


Somit sind die Hefepigmente eher für den Einsatz in matten Papieren oder als Mattierungsmittel geeignet.

Glätte mit unter-schiedlichen Pigment-mischungen

Bei Einsatz von PCC-beschichteten Hefezellhüllen wird die Glätte der satinierten Papiere nicht signifikant beeinflusst. Bei Einsatz von Silicatbeschichteten Hefe-pigmenten scheint es dagegen zu einer Verringerung der Glätte der Papiere zu kommen.

Zusammen-fassung

Durch den Einsatz von beschichteten Hefepigmenten

• steigt die Dicke der Papiere leicht an • steigt die Opazität bei geringen Einsatzmengen von beschichteten Hefezell-

hüllen von Hersteller 1 an; mit anderen beschichteten Hefezellen oder Hefe-zellhüllen konnten keine Opazitätsgewinne verzeichnet werden

• sinkt der Weißgrad der Papiere ab, wobei silicatbeschichtete Hefezellen sowie beschichtete Hefepigmente von Hersteller 2 vergleichsweise bessere Werte ergeben als PCC-beschichtete Hefepigmente bzw. Produkte von Her-steller 1

• sinkt der Glanz der Papiere bereits bei geringen Mengen deutlich ab • wird die Glätte der Papiere bei PCC-beschichteten Hefepigmenten nicht

signifikant beeinflusst, bei silicatbeschichteten dagegen sinkt die Glätte ab



Druckprüfungen

Geprüfte Papiere Die Druckprüfungen Rupftest und Wegschlagtest wurden an den in Tabelle 3 aufgeführten Papieren mit Ausnahme der Versuche mit PCC Hefe 1 und PCC Hefe 2 durchgeführt.

Rupftest Alle geprüften Papiere, die mit PCC-beschichteten oder mit 50 Teilen silicatbe-schichteten Hefepigmenten gestrichen wurden, zeigten kein Rupfen der Test-streifen, d.h. eine ausreichende Rupffestigkeit bzw. einen genügend hohen Binderanteil.

Bei den Papieren, die 100 Teile der silicatbeschichteten Hefezellen Silica Hefe 1 und Silica Hefe 2 enthielten, wurde dagegen Rupfen festgestellt. Bei Einsatz von Silica Hefe 2 mit geringerem Silicatanteil beginnt das Rupfen bei einer Druckge-schwindigkeit von ca. 1,7 m/s. Wird dagegen die mit höherem Silicatanteil beschichtete Silica Hefe 1 eingesetzt beginnt das Rupfen bereits bei etwa 0,03 m/s. Dieses Papier weist eine viel zu geringe Rupffestigkeit auf.



Wegschlagtest mit Pigment-mischungen

Der Wegschlagtest gibt eine Aussage darüber, wie die Druckfarbe trocknet oder in das Papier- bzw. Strichgefüge penetriert. Für diesen Test wird das gestrichene Papier bedruckt und anschließend nach verschiedenen Zeiten gegen ein Stan-dardpapier gekontert.

Bei geringen Konterzeiten (15 s) deutet eine hohe Farbdichte auf dem Konter-streifen darauf hin, dass die Druckfarbe wenig in die Strichoberfläche eindringt. Hohe Farbdichten wirken sich positiv auf das Druckbild aus.

Wie aus Abbildung 44 ersichtlich ist verändert sich die Farbdichte mit Zugabe von PCC-beschichtetem Hefepigment bis zu einem Anteil von ca. 70 Teilen nicht signifikant. Bei 100 Teilen des Hefepigmentes ist eine geringere Farbdichte zu verzeichnen. Bei silicatbeschichtetem Hefepigment (nicht dargestellt) ist bereits bei 50 Teilen Pigmenteinsatz eine deutliche Verringerung der Farbdichte er-kennbar. Eine Auswertung des Probedruckes mit 100 Teilen des silicatbeschich-teten Hefepigmentes war aufgrund von starkem Rupfen der Druckfarbe nicht möglich.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1


Farb

dich

te

PCC 15 s PCC 120 s

Abbildung 44 Entwicklung der Farbdichte gestrichener Papiere mit

unterschiedlichen Gehalten an beschichtetem Hefepigment

Bei längeren Konterzeiten (120 s) sollte die Farbdichte des Konterstreifens gering sein. Die Druckfarbe muss trocknen, um Druckprobleme wie Ablegen o.ä. zu verhindern. Ist die Farbdichte auf dem Konterstreifen nach 120 s hoch, so ist die Druckfarbe nicht ausreichend getrocknet.

Wie aus Abbildung 44 ersichtlich ist steigt ab ca. 30 Teilen PCC-beschichtetem Hefepigment in der Streichfarbe die Farbdichte nach 120 s Konterzeit deutlich an, was auf eine ungenügende Wegschlaggeschwindigkeit der Druckfarbe schließen lässt. Auch bei dem Papier mit 50 Teilen silicatbeschichtetem Hefe-pigment (nicht dargestellt) ist nach 120 s ein Anstieg der Farbdichte im Ver-gleich zu GCC zu verzeichnen.



Zusammen-fassung

Durch den Einsatz von beschichteten Hefepigmenten

• ist bei Einsatz von PCC-Beschichtungen die Rupffestigkeit ausreichend, bei silicatbeschichteten Hefepigmenten kann dagegen eine Erhöhung der Bin-dermenge zum Erhalt der Rupffestigkeit nötig werden

• verändert sich das Wegschlagverhalten bei geringeren Einsatzmengen von PCC-beschichteten Hefepigmenten nicht signifikant, bei höheren Einsatz-mengen oder bei Einsatz silicatbeschichteter Hefepigmente verschlechtert sich das Wegschlagverhalten der Papiere

13 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Stagnierende Absatzzahlen der Hefeindustrie

Die kleinen und mittelständischen Unternehmen in der Hefeindustrie sehen sich einem fortschreitenden Globalisierungs- und Konsolidierungsprozess ausgesetzt. Da der Bedarf an Backhefe im Wesentlichen vom Brotverbrauch abhängt, lässt er sich auch angesichts des nahezu unveränderten Pro-Kopf-Verbrauches an Brot, Brötchen und Kleingebäck nur schwer steigern. Der Backhefeabsatz in Deutschland und in anderen europäischen Industriestaaten stagniert. Erzielbare Unternehmensgewinne der mittelständischen Hefeproduzenten sind rückläufig, was insbesondere auch auf die zwangsweise Einstellung der an die Hefeproduk-tion gekoppelten Melasse-Lüftungsspritgewinnung infolge des Subventionsab-baus (Abschaffung des Branntweinmonopols) zurückzuführen ist.

Mögliche Steigerung der Nachfrage

Eine Trendwende ist nur zu erwarten wenn eine stark zunehmende Nachfrage an Backhefe die bestehenden und erweiterungsfähigen Produktionskapazitäten voll auslastet. Das aber wiederum setzt eine alternative großtechnische Nutzung von Hefebiomasse außerhalb ihres traditionellen Einsatzgebietes voraus. Eine solche könnte sich aus den Ergebnissen des Forschungsvorhabens ergeben. Gemessen am Bedarf an Streichpigmenten oder dem Einsatz der neuartigen Pigmente in anderen Branchen würde sich die Nachfrage nach Hefebiomasse erhöhen. Das bedeutet, dass bestehende Anlagenkapazitäten besser ausgelas-tet oder auch neue Investitionsvorhaben realisiert werden können. Damit wäre es möglich, die wirtschaftliche Lage der kmU der Hefeindustrie mittel- und langfristig zu verbessern.

Abschätzung möglicher Absatzmengen als Streich-pigment in der Papierindustrie

Wie aus den Untersuchungen der Eigenschaften der mit den Hefepigmenten hergestellten Papiere deutlich wird, ist ein Einsatz der neu entwickelten Pigmente im Massenpapierbereich aufgrund des Weißgrad- und Glanzniveaus eher unwahrscheinlich. Im Spezialpapierbereich dagegen können sich Einsatzmög-lichkeiten ergeben.

Die folgende Überlegung soll auf dieser Grundlage eine Abschätzung möglicher Mengen der Hefepigmente im Bereich des Streichens von Papier ermöglichen.

In Europa wurden im Jahr 2004 ca. 8 Millionen Tonnen Streichpigmente ver-braucht, deren Anteile die folgende Abbildung 45 wiedergibt.



CaCO366%

Kaolin26%

PCC2%Talkum

3%

Andere3%

Abbildung 45 Streichpigmentverbrauch in Europa 2004 /6/

Neben natürlichem Calciumcarbonat und Kaolin, die gemeinsam 92% des Einsatzes ausmachen, werden Talkum und PCC als Streichpigmente eingesetzt. Dazu kommen noch „andere“ Pigmente wie z.B. Titandioxid, Aluminiumhydroxid oder Kieselsäuren. Diese „anderen“ Pigmente machen ca. 3% oder 240.000 Tonnen des Pigmentverbrauchs aus.

Geht man nun davon aus, dass die Hefepigmente einen Anteil von 5% dieser „anderen“ Pigmente ausmachen, so ergeben sich ca. 12.000 Tonnen pro Jahr.

Integrierte Hefezellhüllenproduktion 10 t/d

Für eine Skizze einer Produktion von Hefezellhüllen für die Herstellung von Hohlpigmenten wird ein Bedarf von je ca. 5% Hefebasierter Hohlpigmenten am deutschen (5.000 t/a) und europäischen (12.000 t/a) Pigment-Markt verwendet.

Die Basis für diese Überlegung bilden:

• Ein 50% Hefezellhüllengehalt in den Pigmenten bedeutet einen Einsatz von min. 500 kg Hefezellhüllen/t Pigment.

• Eine Kombination der Hefezellhüllenproduktion mit der Backhefeproduktion als integrierte Produktion, um vorhanden Anlagenteile wie Separatoren, E-nergieverteilungs- und Dampferzeugungseinrichtungen nutzen zu können.

• Eine Massenbilanz mit den in der Backhefeproduktion üblichen Ansätzen, Rohstoffen (Melasse) Chemikalien und Energieverbräuchen, erweitert um die in dem Projekt ermittelten und für die Extraktproduktion publizierten Ansätze.

Abbildung 46 zeigt das Produktionsschema für eine Anlage mit einer Produktion von ca. 3.000 to/a Hefehüllen TS (HTS = Hefetrockensubstanz).



Melasse100 t/d

Hefeproduktion26 t/d HTS

Hefeextraktion

Dampf und Stromerzeugung

Dampf 35 t/d

Dampf 86 t/d

Extrakt TS 9%min 172 t/d

557 t/d

Hefehüllen10 t/d HTS

Hefemilchseparation

Hefekonfektionierung

Extraktseparation

Abwasser855 t/d

El. Leistung: 21670 kWh

298 t/d

Extrakt TS 60%26 t/d

NaCl8,65 t/d


Dampf 19 t/d

Melasse100 t/d


Hefeextraktion


Dampf 35 t/d

Dampf 86 t/d


557 t/d


Hefemilchseparation


Extraktseparation

Abwasser855 t/d


298 t/d


NaCl8,65 t/d

Melasse100 t/d


Hefeextraktion



Dampf 35 t/d

Dampf 86 t/d



557 t/d


Hefemilchseparation


Extraktseparation

Abwasser855 t/dAbwasser855 t/d


298 t/d



NaCl8,65 t/d


Dampf 19 t/d

Abbildung 46 Schema einer integrierten Hefehüllenproduktion von 10 t /d

Anmerkungen zur dargestellten Hefezell-produktion

Eine Produktionskapazität von 10 t/d Hefezellhüllen bzw. 26 t/d Hefe TS ist in bestehende Unternehmen mit einer Tagesleistung von > 30 t/d Hefe TS integ-rierbar.

Die durch die zyklisch auftretende Frischhefenachfrage gesteuerte Backhefepro-duktion könnte durch eine antizyklische Hefezellhüllenproduktion vergleichmäßigt werden.

Die Hefezellhüllen werden nach der Separation mit einem TS –Gehalt von ca. 20% als Slurry anfallen, der wiederum gekühlt und zur Pigmentproduktion transportiert werden muss.

Die Aufarbeitung der zwangsläufig anfallende Extraktmenge von bis zu ca. 172 t/d Extrakt mit 9% TS zu 26 t/d 60% TS Extraktpaste sollte von einem Lohnun-ternehmen übernommen werden, wenn keine ausreichende thermische Ein-dampfungskapazität in der Hefefabrik vorhanden ist.

Für die Bedienung des abgeschätzten europäischen Bedarfes von ca. 6.000 to/a HTS (12.000 to/a Hohlpigment) Bedarfes und der verteilten Nachfrage (Pigment-hersteller und mögliche Onsite-Anlagen bei Papierfabriken) sollten mehrere kleinere Standorte vorgesehen werden. Eine Mindestkapazität ist insbesondere durch die Größe der Separatoren vorgegeben, die mit Trennleistungen von ca. 32 bis 110 m³/h Hefesuspension verfügbar sind.

Unternehmen der Papierindustrie

Aus der Sicht der Anwender der neuen Pigmente in der Papierindustrie können die Ergebnisse von verschiedenen kmU genutzt werden. Da, wie bereits er-wähnt, das Eigenschaftsprofil der Pigmente einen Einsatz in Spezialpapieren wahrscheinlicher macht als in Massepapieren, und Spezialpapiere meist von kleinen und mittleren Unternehmen produziert werden, profitieren bei erfolgrei-



chem Einsatz der Pigment hauptsächlich kmU von den Ergebnissen des For-schungsvorhabens.

Weitere Industriezweige

Weitere kmU von Pigment nutzenden Branchen wie z.B. der Farben- und Lack-industrie oder Leichtbauunternehmen, können von den Ergebnissen des For-schungsvorhabens auf ähnliche Weise profitieren wie die Unternehmen der Papierindustrie. Leichte, mineralbeschichtete Pigmente in Größenbereich von ca. 3 bis 5 µm können für verschiedenste Anwendungen interessant sein.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl-Ing. Anke Lind Dipl.-Chem. Daniel Weinzierl Tel. 089/12146-176 Tel. 089/12146-498 [email protected] [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Heßstraße 134 80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: [email protected] www.ptspaper.de

Dr. Michael Quantz Tel. 030/450 80 -163 [email protected]

Versuchsanstalt der Hefeindustrie e.V. Seestraße 13 13353 Berlin Tel. (030) 450 80-263 Fax (030) 453 36 30 e-Mail: [email protected] www.vh-berlin.org



Literaturverzeichnis 1 KOHL, C. und LEX, M.

Die Entwicklung des Magazin-Tiefdruckmarktes in Deutschland - aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet In: 22. PTS-Streichereisymposium 2005

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5 KUCHER, M.; BABIC, D.; KIND, M. Precipitation of barium sulfate: Experimental investigation about the influence of supersaturation and free lattice ion ratio on particle formation Chemical Engineering and Processing 45 (2006) 900

6 KLAAS, C, Coating pigments: From size and shape to nanotech Solutions! Mr. 09/2005

Titel Entwicklung eines Verfahrens zur biotechnologischen ... · M. Quantz, A. Lind und D....

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