Aromatische Synthesebausteine aus Lignin

Zwei Forscherverbünde entwickeln Verfahren

(Bild: FNR/Ilka Plötner)

In dem abgeschlossenen Vorhaben ELEKTRA untersuchten die Universität Mainz, die BASF und die Condias GmbH die Möglichkeit, mit Hilfe eines elektrochemischen Abbaus Phenolderivate aus Lignin zu gewinnen. Die Ergebnisse waren so vielversprechend, dass die BASF den Ansatz weiter verfolgt.

Andere Wege zur Herstellung aromatischer Synthesebausteine aus Lignin erprobt seit Juli ein Forscherverbund mit dem Kürzel Lignoplast:12 Partner aus Wissenschaft und Industrie erforschen thermische, chemische und biotechnologische Verfahren zum Aufschluss verschiedener Lignintypen. Die Aromaten sollen u.a. zur Herstellung von Kunststoffen, Klebstoffen und Lacken dienen. Die Koordination liegt bei der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung.

Beide Vorhaben wurden bzw. werden vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) gefördert - ELEKTRA mit rund 0,77 Mio. Euro, Lignoplast mit insgesamt 2,46 Mio. Euro.

Lignin ist nach Cellulose der zweithäufigste Naturstoff. Bei der Zellstoffgewinnung aus Holz fällt er weltweit im Millionentonnen-Maßstab an, überwiegend in Form des sogenannten Kraft-Lignins1. Zusätzlich stehen künftig voraussichtlich große Mengen von Organosolv-Lignin2  aus Lignocellulose-Bioraffinerien zur Verfügung. Diese Bioraffinerien sind ein noch neuer, vielversprechender Ansatz, um sämtliche chemischen Bestandteile von Holz in hochreiner Form zu gewinnen und chemisch-biotechnisch weiter zu verarbeiten.

Ganz gleich, mit welchem Verfahren es gewonnen wird, eine nachfolgende stoffliche Nutzung des Lignins ist in der Regel sinnvoller als eine energetische, da sich damit eine höhere Wertschöpfung verbindet. Zudem könnte der Rohstoff aus Holz fossile Ressourcen ersetzen, für die es bislang keine Alternativen gibt. Noch aber mangelt es an Verfahren, Chemikalien oder Werkstoffe aus Lignin herzustellen, deshalb dominiert derzeit noch die Energieerzeugung.

In zwei Projekten setzten bzw. setzen Wissenschaftler nun ganz auf den Ansatz, Aromaten aus Lignin zu gewinnen. Aromaten sind ein wichtiges Zwischenprodukt zur Herstellung von Kunststoffen, Klebstoffen, Lacken, Schäumen, Farbstoffen, Lösungsmitteln, Waschmitteln, Insektiziden u.v.m. Derzeit gewinnt man sie im Raffinerieprozess aus Erdöl. Lignin ist die einzige in Pflanzen vorkommende Verbindung, die als Quelle für Aromaten in signifikanter Menge zur Verfügung steht. Die heute bekannten Prozesse zur Aromatengewinnung aus Lignin weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die sie im Vergleich zu den petrochemischen Verfahren unwirtschaftlich machen. Gleichzeitig ist die theoretisch nutzbare Bandbreite an thermischen, elektrochemischen, chemischen und biotechnologischen Konversionspfaden erst ansatzweise evaluiert.

Den elektrochemischen Weg untersuchte ein Forscherteam der Universität Mainz, der BASF und der Condias GmbH unter dem Kürzel ELEKTRA. Als besonders geeignet stellten sich der Einsatz eines wässrigen Elektrolyten und Elektrodenlegierungen aus elektrokatalytisch aktiven Metallen heraus. In dieser Konstellation kam es zu einem oxidativen Abbau mit guten Ausbeuten von aromatischen Wertprodukten. Die Abtrennung der gewonnenen und teilweise bereits prozessbedingt erhaltenen aromatischen Wertprodukte aus der elektrolytischen Lösung erfolgte adsorptiv. Die BASF will den Ansatz, der den Ligninabbau unter äußerst milden Reaktionsbedingungen erlaubt, in einem Folgeprojekt weiter entwickeln. Nach Ansicht der Forschergruppe birgt die Anwendung der Adsorbentien außerdem auch für andere Aufgabengebiete Potenziale.

Die Wissenschaftler des im Juli begonnenen Vorhabens "Lignoplast" untersuchen wiederum die folgenden Verfahrenswege

  • Übertragung der basenkatalysierten Spaltung von Organosolv-Lignin auf andere Lignine.
  • Oxidative Spaltung der Produkte aus der basenkatalytischen Spaltung.
  • Enzymatische Modifikation und Funktionalisierung.
  • Chemisch-katalytische Modifikation und Funktionalisierung.
  • Chemisch-katalytische Modifikation und Funktionalisierung der Spaltprodukte durch Vinylierung, Glycidolisierung oder Herstellung von Acrylaten und anschließende Polymerisation.

Schließlich stehen Untersuchungen zur Anwendbarkeit der erhaltenen Polymere für Klebstoffe, Lacke, Harze, Polyurethane und Epoxide auf der Agenda. Die Abschlussberichte zu ELEKTRA sowie Ansprechpartner zu beiden Projekten finden sich auf http://fnr.de => Projekte & Förderung => Projekte => Suche unter den Förderkennzeichen:

ELEKTRA - Elektrochemische Transformation nachwachsender Rohstoffe an Bor-dotierten Diamant-Elektroden zu wertvollen Chemikalien:
Elektrochemische Konzepte zur effizienten Gewinnung von aromatischen Bausteinen aus Lignin, Universität Mainz, 22002208.
Erarbeitung eines Verfahrenskonzeptes zur Veredelung von nachwachsenden Rohstoffen und zur Gewinnung von aromatischen Aldehyden mittels BDD-Elektroden, BASF SE, 22027208.
Design und Bau von BDD-Elektroden zur Ligninkonversion, Fa. CONDIAS GmbH, 22028208.

Funktionalisierte Ligninspaltprodukte als Synthesebausteine für die Herstellung von Klebstoffen, Lacken, Polyurethanen und Epoxiden (Lignoplast):
Rohstoffbereitstellung, Scale-up und Koordination, Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, 22014212.
Ligninfunktionalisierung und Lignindepolymerisation, verfahrenstechnische Aspekte, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT), 22024312.
Ligninfunktionalisierung und Grundlagenuntersuchungen von Klebstoff-, Lack- und Harzsystemen, Fraunhofer-Institut für Holzforschung - Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI), 22024412.
Enzymatische Ligninfunktionalisierung, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), 22024512.
Lignindepolymerisation, katalytische Aspekte, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) - Projektgruppe BioCat, 22024512.
Enzymatische Ligninfunktionalisierung, Universität Stuttgart - Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik, 22024612.
Untersuchungen zu Polyurethansystemen, RAMPF Ecosystems GmbH & Co. KG, 22024712.
Untersuchungen zu Polyurethansystemen, RAMPF Giessharze GmbH & Co. KG, 22024812.
Scale-up und Bewertung, Linde Engineering Dresden GmbH, 22024912.
Anwendungsuntersuchungen von Klebstoff-, Lack- und Harzsystemen, Jowat AG, 22025012.
Ligninfunktionalisierung und Anwendungsuntersuchungen von Klebstoff-, Lack- und Harzsystemen, Robert Kraemer GmbH & Co. KG, 22025112.
Untersuchungen zu Polyurethansystemen, ASK Chemicals GmbH, 22025212.

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