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Fraunhofer CBP liefert Lignin für biobasierte Wertstoffe

Mit hochreinem Lignin aus der Lignocellulose-Bioraffinerie am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna haben Forscher an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TU HH) ligninhaltige Aerogele hergestellt und zu hochporösen Dämmstoffplatten mit hervorragenden Isoliereigenschaften verarbeitet. Das Lignin wurden aus Buchen-Restholz am Fraunhofer CBP nach dem Organosolv-Verfahren gewonnen.

Lignin ist einer der Hauptbestandteile verholzter Pflanzenteile. Eingelagert in die pflanzliche Zellwand, verleiht der komplex aufgebaute organische Stoff dem Holz seine Druck- und Bruchfestigkeit. Bisher ist Lignin vor allem als – mit Schwefel verunreinigtes – Nebenprodukt bei der Papier- und Zellstoffherstellung verfügbar.

Mit dem von Fraunhofer entwickelten Organosolv-Verfahren wird Lignocellulose, das Strukturmaterial von Holz, nur mit Wasser und Alkohol in seine Grundbestandteile fraktioniert. Dabei entsteht unter anderem hochreines Lignin, das auch chemischen Industriezweigen als wertvoller Grundstoff dienen kann. Am Fraunhofer CBP wurde das Verfahren bereits vor vier Jahren erfolgreich in den Pilotmaßstab übertragen und wird in dieversen Projektvorhaben weiterentwickelt. In dem Vorhaben »Stoffliche Nutzung von Lignin: Nanoporöse Materialen«, das vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert wurde, lieferte das Fraunhofer CBP hochwertiges Organosolv-Lignin.

»Wir fraktionieren das Holz in seine Hauptbestandteile Lignin, Hemicellulose und Cellulose, indem wir es mit Wasser und Alkohol bei hoher Temperatur und hohem Druck kochen, quasi wie in einem Dampfkochtopf«, sagt Dr. Moritz Leschinsky, Gruppenleiter am Fraunhofer CBP. Das Lignin und die Hemicellulosen lösen sich in der Flüssigkeit, während die faserige Cellulose fest bleibt. In einem weiteren Schritt gewinnen die Wissenschaftler das Lignin aus der Flüssigkeit, indem sie es fällen und abtrennen. Nach Entfernung des Alkohols verbleiben die Hemicellulosen-Zucker. Der feste, faserige Cellullose-Rückstand wird bei Bedarf im Bedarfsfall mit Enzymen versetzt und verzuckert, das heißt in einzelne Glucose-Moleküle gespalten.

Glossar

  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Lignocellulose bildet das Strukturgerüst der pflanzlichen Zellwand. Sie besteht aus einer Kombination von Lignin, Hemicellulose und Cellulose.
  • Lignin ist ein hochmolekularer, aromatischer Stoff aus verschiedenen monomeren Bausteinen, der sich in die Zellwand von Pflanzen einlagern kann und dadurch zur Verholzung führt.
  • Hemicellulosen (auch Polyosen) sind Polysaccharide verschiedener Zusammensetzung, die in den Pflanzenfasern und Zellwänden von Gräsern und Getreiden sowie bei höheren Pflanzen zusammen mit Lignin und Cellulose in der holzigen Zellwand vorkommen.
  • Cellulose ist ein wasserunlösliches Polysaccharid, das den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand bildet. Die Grundeinheit der Cellulose ist die Glucose.
  • Glucose ist ein Monosaccharid (Einfachzucker). Sie kommt als D-Glucose in fast allen süßen Früchten vor und trägt den Trivialnamen Traubenzucker. Glucose bildet den Mittelpunkt des Kohlenhydrat-Stoffwechsels.
  • Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft

Ligninbasierte Aerogele als Basis hochporöser Dämmstoffplatten

Das Lignin kann für Biowerkstoffe eingesetzt oder als Bindemittel für die Holzindustrie verwendet werden. Wegen der chemisch interessanten Strukturen verfolgen die Forscher am Fraunhofer CBP auch Ansätze, aromatische Grundstoffe aus dem komplexen Naturstoff zu gewinnen. Die gewonnene Cellulose, in ihre Zuckerbausteine zerlegt, dient beispielsweise Mikroorganismen als »Futter«. So werden, ebenfalls am CBP, Fermentationen mit Lignocellulose-Zucker, biobasierte Säuren oder Kraftstoffe hergestellt.

Die Erzeugung neuer Werkstoffe – sogenannter Aerogele – aus diesem Organosolv-Lignin konnte erfolgreich von der TU Hamburg-Harburg demonstriert werden.

Die Materialeigenschaften werden durch die Ligningewinnung selbst sowie durch die Art der anschließenden chemischen Vernetzung gezielt gesteuert. Dieser Weg erfordert jedoch ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaftsfunktionen der Ligninherstellung u. -verarbeitung: die Aufschlussparameter sollen derart optimiert werden, dass die bestmöglichen Qualitätsmerkmale der Aerogele gewährleistet sind und gleichzeitig die gegebene Wertschöpfung des Bioraffinerie Prozesses weitestmöglich erhalten bleibt. Dazu wurden im Projekt zwei unterschiedliche Bioraffinerieprozessen so optimiert, dass Lignine mit reproduzierbar hoher Qualität im Multikilogrammmaßstab für diese Anwendung hergestellt werden konnten.

Das Vorhaben »Stoffliche Nutzung von Lignin: Nanoporöse Materialen« wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert. Der Abschlussbericht steht auf fnr.de unter dem Förderkennzeichen 22018312 zur Verfügung. Am Projekt waren neben der TU HH und dem Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP auch die Universität für Bodenkultur Wien, das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung und die Firmen Dräger Safety und Loick Biowertstoff beteiligt.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/pm/fraunhofer-cbp-liefert-lignin-fuer-biobasierte-wertstoffe/