Ligninaufschluss optimiert

Neues energiesparendes Verfahren macht Holz besser nutzbar

04.10.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Holz ist der Rohstoff, aus dem sich Lignin zur Herstellung von Kraftstoffen und Ausgangsstoffen für die chemische Industrie gewinnen lässt. (Quelle: © Gargolla/ Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)
Holz ist der Rohstoff, aus dem sich Lignin zur Herstellung von Kraftstoffen und Ausgangsstoffen für die chemische Industrie gewinnen lässt. (Quelle: © Gargolla/ Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0)

Lignin ist eine attraktive Alternative zu immer knapper werdenden fossilen Rohstoffen. Bisher war sein chemischer Aufschluss jedoch wenig wirtschaftlich. Ein neues chemisches Verfahren könnte das nun ändern.

Dass Holz so widerstandsfähig ist, verdankt es vor allem dem Stoff Lignin. Denn die sogenannte Lignozellulose bildet die Zellwand verholzter Pflanzen. Lignin lagert sich dabei in das Gerüst aus Cellulose und Hemicellulose ein und sorgt dafür, dass die pflanzlichen Zellen eine feste Struktur ausbilden. Daher wird der Aufbau dieses festen Gerüstes auch als „Verholzung“ bezeichnet. Lignin stabilisiert die Pflanze, schützt sie vor dem Umknicken bei starkem Wind und vor dem Angriff von Schädlingen.

Lignin: amorphe Substanz

Neben Cellulose und tierischem Chitin (dem Hauptbestandteil von Insektenpanzern) ist Lignin die häufigste organische Verbindung auf der Erde. Chemisch betrachtet stellt der Stoff keine einheitliche Substanz dar, sondern beschreibt eine Gruppe von phenolischen Makromolekülen, die sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammensetzen. Die Kombination ähnlicher Grundmoleküle erzeugt eine dicht vernetzte Substanz mit einem unregelmäßigen Muster. Lignine sind hydrophob und damit in Wasser und vielen Lösungsmitteln nicht löslich. Im Gegensatz zu anderen organischen Verbindungen sind sie biologisch und chemisch nur schwer abbaubar.

Attraktive Alternative zu fossilen Rohstoffen

Lignin könnte eine nachhaltige und klimaneutrale Alternative zu den fossilen Rohstoffen darstellen, wenn es einfacher zu verarbeiten wäre. Bei der Aufarbeitung von „Non-Food“ Biomasse wird Lignocellulose zunächst in Cellulose, Hemicellulosen und Lignin aufgetrennt. Diese sind die Basis für die Herstellung von Chemikalien, Biogas, Kraftstoffen und Energieträgern. Neben Kohle und Erdöl dient Lignin beispielsweise als alternative Quelle zur Herstellung von Aromaten. Großtechnische Bedeutung haben bisher aber lediglich die Gewinnung von Vanillin und die Herstellung von Bioölen durch Pyrolyse. Aus einer Tonne Holz lassen sich beispielsweise etwa 3 kg Vanillin herstellen.

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Nicht leicht zu knacken: Beispiel einer Ligninstruktur. Lignine sind eine Gruppe von phenolischen Makromolekülen, die sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammensetzen.

Quelle: © Karol Glab/ Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Schwieriger Lignin-Abbau

Die Verarbeitung von Lignin gestaltet sich bisher als äußerst energie- und abfallintensiv, denn geeignete Bio- und Chemo-Katalysatoren sowie Verfahren zur Gewinnung von Aromaten aus Lignin waren praktisch nicht vorhanden. Katalysatoren sind chemische Werkzeuge, die Reaktionen in Gang setzen oder beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Zudem fehlen selektive katalytische und thermische Prozesse zur Aromaten-Gewinnung. Bisher sind hohe Temperaturen bis 500 Grad Celsius und Drücke bis zu 200 bar nötig, um die Bruchstücke des Lignins aufzubereiten.

Neuer Lösungsansatz

Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben nun einen effizienten Weg gefunden, die Bestandteile von Lignin einfacher nutzbar zu machen.

„Man kennt das Potential von Lignin schon sehr lange“, erklärt Forschungsgruppenleiter Dr. Roberto Rinaldi. Der wirtschaftliche Aufwand zum Aufschluss des Polymers stand jedoch in keinem Verhältnis zu seinem Nutzen. Die stark vernetzten Kettenmoleküle des Lignins lassen sich zwar mit einer Säure bei hoher Temperatur in kleinere Einheiten zerlegen, der Prozess resultiert aber in einem undurchsichtigen Gemisch zahlloser sauerstoffhaltiger Verbindungen, die sich nur schwer trennen lassen. Die Chemiker vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung haben nun einen relativ einfachen Weg gefunden, Lignin zu spalten und gleichzeitig den Sauerstoff weitgehend aus diesen Verbindungen zu entfernen. Statt eines chaotischen Gemischs bleiben dabei hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, vor allem sogenannte Arene, also aromatische Verbindungen zurück, die sich wiederum leichter sortieren lassen.

Drei Reaktionen, zwei Katalysatoren

Das Prinzip des neuen, effizienteren Verfahrens beruht auf drei miteinander kombinierten chemischen Reaktionen, die durch das Zusammenspiel zweier Katalysatoren ermöglicht wird. Die chemische Mischung des aufgeschlossenen Lignins setzt sich aus Phenolen und anderen sauerstoffhaltigen aromatischen Verbindungen zusammen. Im Laufe der gekoppelten Reaktionen entzieht ein einfacher Alkohol den Phenolen über verschiedene Zwischenschritte Sauerstoff. Dabei wird ein Teil der Ausgangsstoffe vorübergehend hydriert, also mit Wasserstoff versehen.

Die Katalysatoren, die Dr. Rinaldi und sein Team dabei verwenden, sind nicht besonders exotischer Natur. Bei einem Katalysator handelt es sich um Raney-Nickel. Das nickelhaltige Pulver vermittelt Wasserstoffatome an organische Moleküle. Der andere Katalysator ist Zeolithe, ein poröses aluminiumhaltiges Silikat, welches einem Zwischenprodukt beim chemischen Dreisprung Wasser entziehen. „Das sind keine neuartigen Katalysatoren“, sagt Rinaldi. „Wir gehen nur auf neue Weise an das Problem heran, Lignin nutzbar zu machen.“

Weniger Energie als herkömmliche Verfahren

Der kombinierte Prozess der Mülheimer Forscher läuft unter relativ milden Bedingungen ab, nämlich bei etwa 150 Grad und bei Druck von unter 40 bar und ist daher auch weniger energieintensiv als herkömmliche Verfahren. Laut Einschätzung der Erfinder sollte er auch großtechnisch nicht allzu schwer umsetzbar sein.

Verfahren bereits patentiert

Selbst wenn sich die Ausbeute der einzelnen Substanzen aus Lignin für die chemische Industrie als nicht rentabel herausstellen sollte, lassen sich mit den sehr energiereichen Produkten auf jeden Fall synthetische Kraftstoffe veredeln. Denn für Treibstoffe müssen sie nicht sortenrein vorliegen. „Den Kraftstoffen, die nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren hergestellt werden, fehlen solche Kohlenwasserstoffe, die aber für die Luftfahrt und für Otto-Motoren benötigt werden“, erklärt Rinaldi. Der Fischer-Tropsch-Prozess ist großtechnisches Verfahren zur Kohleverflüssigung unter anderem zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Überzeugt vom praktischen Nutzen ihrer Entdeckung, haben die Forscher aus Mühlheim ihr Verfahren patentieren lassen.

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