Elektrolyseverfahren erzeugt Aromastoff

Gewinnung von Vanillin aus Holzabfall

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine nachhaltige Methode zur Gewinnung des Aromastoffs Vanillin aus dem Holzbestandteil Lignin entwickelt, das in großen Mengen als Abfall bei der Herstellung von Zellstoff, eines wichtigen Rohstoffs der Papierproduktion, anfällt.
Lignin aus der Zellstoffproduktion. © Michael Zirbes

Wie die Forscher in ihrer Publikation in der Fachzeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering beschreiben, geben sie Lignin in Natronlauge, erhitzen das Gemisch auf 160 Grad und setzen es in einer Elektrolysezelle mithilfe von Nickel-Elektroden unter Strom. Dadurch wird das Lignin oxidiert und zersetzt, und es entsteht Vanillin, das so hochwertig ist, dass es als „natürliches Vanillin“ deklariert werden darf. „Nach jahrelanger intensiver Forschung ist uns damit ein echter Durchbruch gelungen“, sagt Prof. Dr. Siegfried Waldvogel, der die Entwicklung geleitet hat. Er ist Sprecher des Spitzenforschungsbereichs „SusInnoScience“, kurz für „Sustainable Chemistry as the Key to Innovation in Resource-efficient Science in the Anthropocene“ der JGU. Bisher wird Vanillin überwiegend aus Erdöl gewonnen, wobei im Gegensatz zu der neuen Methode giftige Abfälle entstehen, die nur schwer zu entsorgen sind. Zwar gibt es bereits ein Verfahren zur Herstellung von Vanillin aus Lignin. Laut Waldvogel ist dieses jedoch unter anderem wegen der Verwendung von Kupfer sehr teurer. Außerdem könne dafür nur ein kleiner Teil des bei der Zellstoffherstellung anfallenden Lignins verwendet werden.

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Vanillin ist weltweit der mengenmäßig bedeutendste Aromastoff. Mehrere zehntausend Tonnen davon werden pro Jahr in der Produktion von Lebensmitteln, Kosmetika und Medikamenten verwendet. Lignin wiederum fällt jährlich im Umfang von mehr als 100 Millionen Tonnen als Abfall bei der Zellstoffherstellung an und wird dann im Wesentlichen verbrannt.

An der JGU entwickelte Elektrolysezelle zur Gewinnung von Vanillin aus Lignin. © Michael Zirbes

Testproduktion in größerem Maßstab geplant

„Weil unsere Methode einen Vanillin-Ertrag von rund vier Prozent des eingesetzten Lignins hat, könnte man damit theoretisch sehr leicht den weltweiten Vanillinbedarf decken“, so Waldvogel. Er ist davon überzeugt, dass das neue Verfahren „signifikant besser“ sei als die bisherigen Methoden zur Vanillingewinnung – nicht nur weil dabei kein giftiger Abfall entstehe, sondern auch weil es wirtschaftlich überlegen sei –, und führe bereits Gespräche mit entsprechenden Industriepartnern. Im Rahmen des EU-Projekts Liberate soll das bisher nur im Labor angewandte Verfahren bald in größerem Umfang getestet werden. Dazu wird derzeit beim norwegischen Forschungsinstitut Sintef, mit dem die JGU kooperiert, eine Pilotanlage gebaut.

Prof. Dr. Siegfried R. Waldvogel: „Nach jahrelanger intensiver Forschung ist uns damit ein echter Durchbruch gelungen“. © Eric Lichtenscheidt

Außerdem will Waldvogel prüfen, ob sich die Methode noch verbessern lässt, indem das Vanillin nicht erst aus dem reinen Lignin, sondern direkt aus der sogenannten Schwarzlauge, einem bei der Holzverarbeitung in Zellstoffwerken anfallenden, das Lignin enthaltende Vorprodukt, gewonnen wird.

Publikation:

M. Zirbes et al., High-Temperature Electrolysis of Kraft Lignin for Selective Vanillin Formation, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2020, 8, 19, 7300-7307, 21. April 2020; DOI:10.1021/acssuschemeng.0c00162

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)

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