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Lignin Forscher machen Lignin einfacher nutzbar

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Rohstoffquelle Holz könnte sich künftig leichter anzapfen lassen. Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung haben einen effizienten Weg gefunden, die Bestandteile des Biopolymers Lignin einfacher nutzbar zu machen. Durch den Einsatz von zwei Katalysatoren lässt sich bei relativ niedrigen Temperaturen das Lignin aufbereiten.

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Der erste Schritt, um an den Schatz im Lignin zu gelangen: Holzhackschnitzel werden in einer Kugelmühle zerkleinert und mit Schwefelsäure versetzt. Die Säure spaltet das Biopolymer in seine einzelnen Bestandteile auf. Diese lassen sich jetzt dank eines neuen Ansatzes von Mülheimer Chemikern auch besser weiterverarbeiten.
Der erste Schritt, um an den Schatz im Lignin zu gelangen: Holzhackschnitzel werden in einer Kugelmühle zerkleinert und mit Schwefelsäure versetzt. Die Säure spaltet das Biopolymer in seine einzelnen Bestandteile auf. Diese lassen sich jetzt dank eines neuen Ansatzes von Mülheimer Chemikern auch besser weiterverarbeiten.
(Bild: Frank Vinken)

Mülheim an der Ruhr – Lignin stabilisiert Pflanzenzellen und enthält organische Verbindungen, die für die chemische Industrie etwa zur Herstellung von Biotreibstoffen wertvoll, aber schwer zugänglich sind. Die Mülheimer Max-Planck-Chemiker können die Bausteine nun chemisch so umwandeln, dass sie besser verfügbar werden.

Dass die fossilen Rohstoffe endlich sind, merkt man schon beim Tanken oder beim Kauf von Heizöl: die Brennstoffpreise steigen stetig. Forscher des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr suchen daher nach nachhaltigen und klimaneutralen Alternativen zu den fossilen Rohstoffen – nicht nur für den Sprit von morgen, sondern auch als Ausgangssubstanzen in der chemischen Industrie. Eine Quelle dafür könnte Lignin sein. Lignin ist ein Biopolymer, das Bäume und Sträucher in ihre Zellwände einlagern. Es durchdringt die Cellulosefasern von Holzzellen und macht sie fest – eben holzig. Die vielfach vernetzten Kettenmoleküle bilden 20 bis 30 Prozent der Trockenmasse holziger Pflanzen, ihre Bausteine könnten für die chemische Industrie nützlich sein, etwa zur Veredelung von Biokraftstoffen oder als Ausgangsmaterialien für Kunststoffe.

Lignin lässt sich schwer gewinnen

„Man kennt das Potenzial von Lignin schon sehr lange“, erklärt Roberto Rinaldi, Max-Planck-Forschungsgruppenleiter am Mülheimer Institut. Bisher ließ sich der Schatz im Holz jedoch nicht heben – zumindest nicht mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand. Zwar können Chemiker die stark vernetzten Kettenmoleküle des Lignins mit einer Säure bei hoher Temperatur in kleinere Einheiten zerlegen. Dabei entsteht aber ein wildes Gemisch zahlloser sauerstoffhaltiger Verbindungen, die sich nur schwer trennen lassen.

Die Arbeitsgruppe um den brasilianischen Forscher Rinaldi schafft da jetzt Abhilfe. Denn die Chemiker haben einen relativ einfachen Weg gefunden, Lignin zu spalten und gleichzeitig den Sauerstoff weitgehend aus diesen Verbindungen zu entfernen. So bleiben hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, vor allem Arene zurück, die sich leichter sortieren lassen.

Drei Reaktionen lassen sich kombinieren, weil zwei Katalysatoren zusammenspielen

Der chemische Mix des gespaltenen Lignins besteht aus Phenolen und anderen sauerstoffhaltigen aromatischen Verbindungen. Den Schlüssel zum chemischen Schatz im Holz fanden die Forscher, als sie in einem Ansatz gleichzeitig drei Reaktionen ablaufen ließen, die für die Umwandlung der Ligninbausteine in sauerstofffreie Arene nötig sind. In den miteinander gekoppelten Reaktionen entzieht ein einfacher Alkohol den Phenolen über verschiedene Zwischenschritte Sauerstoff. Dabei wird ein Teil der Ausgangsstoffe vorübergehend hydriert, also mit Wasserstoff versehen.

„Wir können die Reaktionen kombinieren, weil wir zwei Katalysatoren zusammenspielen lassen“, erklärt Roberto Rinaldi. Katalysatoren sind chemische Werkzeuge, die Reaktionen in Gang setzen oder beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Bei den Katalysatoren, die Rinaldi verwendet, handelt es sich nicht mal um besondere Exemplare: zum einen Raney-Nickel, ein Pulver, das vor allem poröses Nickel enthält und Wasserstoff an organische Moleküle vermittelt; zum anderen Zeolithe, poröse aluminiumhaltige Silikate, die einem Zwischenprodukt des chemischen Dreisprungs Wasser entziehen. „Das sind keine neuartigen Katalysatoren“, sagt Rinaldi. „Wir gehen nur auf neue Weise an das Problem heran, Lignin nutzbar zu machen.“

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