Herstellung von hohlen mineralischen Strukturen auf der Basis von Hefezellen

Autor: Weinzierl, Daniel
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2009
Předmět:
Popis: Ziel der Arbeit war die Erzeugung von hohlen Pigmenten durch die Bildung einer mineralischen, hohlen Struktur an der Oberfläche von Hefezellen. Dafür sollten großtechnisch herstellbare Hefen so modifiziert werden, dass sie als kleinzellige Kristallisationskerne für die Herstellung der mineralisierten Pigmenthohl-körper dienen. Somit sollten teure Mineralien auf günstige, hohle Strukturen aufgebracht werden, um kostengünstige Hohlpigmente herstellen zu können. Die hergestellten hohlen Pigmente sollten auf ihre Eignung als Streichpigment in der Papierindustrie getestet werden. Zur Gewinnung der Hefebiomasse wurden kommerzielle Backhefen sowie kleintechnisch hergestellte Versuchshefen hinsichtlich Zellgröße, Zellgrößenverteilung, Zusammensetzung der Zellwand und Oberflächenladung untersucht. Es zeigte sich, dass die industriellen Züchtungsverfahren von Backhefe geeignet sind, Hefezellen mit einer der Zielstellung entsprechenden Größe und Oberflächenladung bereitzustellen. Die Untersuchung der Oberflächenladung der Hefezellen zeigte, dass diese von der Prozessführung bei der Fermentation abhängt. Die Entleerung der Zellen, um eine hohle, nur mehr aus der Zellwand bestehenden Hefezellhülle herzustellen, kann mit den industriell erprobten Extraktionsverfahren der Autolyse/Plasmolyse erreicht werden. Durch die Extraktionsprozesse werden die Hefezellen inaktiviert und zu Hefezellhüllen umgewandelt, wobei unter Erhalt der Zellform intrazellulär vorhandene, niedermolekulare Substanzen durch Waschprozesse ausgeschwemmt werden. Das Zeta-Potential als wichtigstes Kriterium für die Beurteilung der Beschichtbarkeit in den anschließenden Fällungsverfahren nimmt zwar in der Autolyse/Plasmolyse ab, es genügt jedoch immer noch den Anforderungen der Anwendung. Es wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung von hohlen Pigmentstrukturen durch Beschichten der Hefezellen entwickelt. Dabei zeigte sich, dass die Hefezellen und entleerte Hefezellhüllen mit verschiedenen Mineralien und nach verschiedenen Verfahren beschichtet werden können. Hefezellen handelsüblicher Bäckerhefe sowie hergestellte Hefezellhüllen lassen sich mit unterschiedlichen entwickelten Verfahren mit Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Siliziumdioxid umhüllen. Es konnte gezeigt werden, dass die hergestellten Hohlkörper auf Basis von Hefezellen einen größeren Lichtstreukoeffizienten besitzen als die massiven Feststoffe. Zudem beeinflusst auch die Oberflächenstruktur der Hohlkörper die Lichtstreuung der Pigmentpartikel stark. Die hergestellten Hohlpigmente auf Hefebasis konnten zu Streichfarben verarbeitet und damit gestrichene Papiere hergestellt werden. Durch den Einsatz von beschichteten Hefezellen als Streichpigmente kann die Dicke satinierter Papiere und damit deren Volumen geringfügig erhöht werden. Eine Opazitätssteigerung der Papiere ist durch die Verwendung von beschichteten Hefezellen bzw. Hefezellhüllen ebenfalls möglich. Die Ausgangsthese, das durch ein vorhandenes Hohlraumvolumen in den neu entwickelten Hohlpigmenten auf Hefebasis die Opazität und das Volumen gestrichener Papiere positiv beeinflusst werden kann, kann durch diese Ergebnisse gestützt werden, das Ausmaß der Opazitätssteigerung ist jedoch geringer als erwartet. Dies liegt darin begründet, dass Bindemittel, das in die Hohlkörper eindringt, den Brechzahlunterschied verringert und somit die Lichtstreuung der Partikel erniedrigt. Neben der Opazitätssteigerung der Papiere kam es durch Einsatz der Hefepigmente aber auch zu einem Rückgang des Weißgrades sowie zu einem Glanzverlust. Durch Optimierung der Einsatzmenge der Hohlpigmente lassen sich die negativen Einflüsse minimieren, wobei die opazitätssteigernde Wirkung annähernd komplett erhalten bleibt. Insgesamt ist der Effekt der Opazitätssteigerung durch die Hefepigmente jedoch gering, so dass ein Einsatz der hergestellten Pigmente in der Papierindustrie unwahrscheinlich ist.
Aim of the project was the production of hollow pigments by forming hollow mineral structures on the surface of yeast cells. For this purpose, yeasts produced by industrial methods were to be modified such that they could be used as small-celled initial nuclei for the production of mineralised hollow pigment bodies. Expensive minerals were to be applied to reasonably priced hollow structures, to produce low-cost hollow pigments. The hollow pigments obtained were to be tested for their suitability as coating pigments in the paper industry. To produce yeast biomass, commercial baker�s yeasts as well as testing yeasts produced on pilot scale were investigated focusing on cell size, cell size distribution, cell wall composition and surface charge. Industrial cultivation methods of baker�s yeasts were found to be suitable for producing yeast cells of the size and surface charge required in this project. The surface charge of yeast cells was found to be determined by the design and parameters of the fermentation process. Cells may be emptied by autolysis/plasmolysis, extraction methods which have proven effective in industry as well, to obtain hollow yeast cell envelopes comprised of cell walls only. The extraction processes render the yeast cells inactive and transform them into yeast cell envelopes, washing out intracellular low-molecular substances whilst maintaining the shape of the cells. Even though the cell�s zeta potential � main criterion for assessing their suitability for coating in subsequent precipitation processes � goes down during autolysis/plasmolysis, it is still sufficient for the requirements of this application. Various methods have been developed to produce hollow pigment structures by yeast cell coating. The results show that it is possible to apply various mineral coatings to yeast cells and yeast cell envelopes, using various different methods. Commercial baker�s yeast cells and yeast cell envelopes may be coated with barium sulphate, calcium carbonate and silicon dioxide, using the various methods developed. It could be demonstrated that the light scattering coefficient of hollow structures obtained from yeast cells is greater than that of the massive solid material. Moreover, the light scattering properties of pigment particles are also strongly influenced by the surface structure of the hollow bodies. The yeast-based hollow pigments obtained could be processed into coating colours and used for coated paper production. By using coated yeast cells as coating pigments, it is possible to obtain calendered papers of slightly increased caliper and bulk, and to increase the opacity of paper. The initial hypothesis, i.e. that the hollow space inside the newly developed yeast-cell based hollow pigments can have positive effects on the opacity and bulk of coated papers, is supported by the project results. The opacity increase was smaller than expected, though. The reason for this is the decreased light scattering of particles caused by binders entering the hollow structure and reducing the difference in refraction indices. However, besides increasing the opacity of papers, the use of yeast-based pigments can also cause losses in brightness and gloss. Using optimum amounts of hollow pigments can minimise these adverse effects � whilst maintaining almost the entire opacity-enhancing effect. All in all, the opacity-enhancing effect of yeast pigments remains rather small, making the use of these pigments in the paper industry very unlikely.
Databáze: OpenAIRE
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