Rohstoffgewinnung aus Holz Holzfasern mit flüssigen Salzen sprengen

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In einer Zeitrafferaufnahme zeigen Forscher, wie ionische Flüssigkeiten binnen weniger Minuten Holzfasern regelrecht aufsprengen. Die Aufnahme ist Teil einer Forschungsarbeit, die ein schonendes Aufschlussverfahren von Holz näher untersucht und es optimieren soll. Aus Holz lassen sich hochwertige Biopolymere gewinnen, die fossile Rohstoffe als Ausgangsmaterial für eine Vielzahl von Produkten ersetzen könnten.

Jülich, Aachen – Holz ist ein wertvoller Rohstoff und sein Nutzen geht weiter über die Herstellung von Möbeln oder Papier hinaus. In dem Pflanzenmaterial finden sich zwei der weltweit häufigsten organischen Verbindungen: Zellulose und Lignin. Diese Biomoleküle besitzen großes Potenzial als nachhaltige Alternative zu fossilen Rohstoffen. Denn aus Zellulose und Lignin lassen sich zahlreiche Grundchemikalien herstellen, wie Zucker oder aromatische Verbindungen. Daraus wiederum können hochwertige Produkte entstehen, beispielsweise biologisch abbaubare Kunststoffe, leichte und widerstandsfähige Verpackungen, Aromastoffe oder Klebstoffe und Harze, etwa für den Bau von Windturbinen oder Fahrzeugen.

Gekochtes Holz: kein guter Start für Grundchemikalien

Zellulose und Lignin in geeigneter, hochwertiger Form aus Holz zu isolieren ist jedoch nicht einfach: Die Moleküle liegen in Form langer und teils verzweigter Ketten vor, die miteinander verwoben sind und sich kaum in Wasser und anderen üblichen Lösemitteln lösen.

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Die energie- und wasserintensiven Kochverfahren, mit denen man in der Papierherstellung Zellulose gewinnt, sind vergleichsweise aggressiv. Sie erzeugen oft Produktmischungen, die nicht für die Weiterverarbeitung geeignet sind, da sie zum Teil zu kleine Polymerbausteine enthalten, aber auch Rückstände aus den Kochlaugen und -basen. Wissenschaftler des Jülich Centre for Neutron Science am Forschungszentrum Jülich haben deshalb zusammen mit Kollegen an der RWTH Aachen ein nachhaltiges und schonendes Verfahren näher analysiert.

Holzaufschluss im Zeitrafferfilm

Bei dem untersuchten Schonverfahren werden ionische Flüssigkeiten genutzt: Salze, die sich bei Temperaturen unter etwa 100 °C verflüssigen und sowohl polare als auch unpolare Eigenschaften besitzen. Diese Flüssigkeiten lassen Holz aufquellen und sich teilweise auflösen. Bei einem hauchdünnen Schnipsel Buchenholz und der Flüssigkeit EMIMAc dauert dies wenige Minuten, wie die Forscher mit einem Lichtmikroskop zeigten. Zellulosefasern, Ligninmoleküle und Hemizellulose sind dann zugänglich für weitere Verarbeitungsschritte, etwa durch Enzyme.

Das Video vom Forschungszentrum Jülich zeigt im Zeitraffer, wie die ionische Flüssigkeit EMIMAc ein Scheibchen Buchenholz binnen sieben Minuten aufsprengt. Die Lichtmikroskop-Aufnahmen entstanden nach 5 bzw. 50 Sekunden.

Schritt für Schritt zum freigesetzten Lignin

Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt im Preis: Ionische Flüssigkeiten sind teuer in der Anschaffung. Sie können aber weitgehend wiederverwendet werden. Durch eine Optimierung etwa der Einweichzeit oder der Temperatur könnte ihr Einsatz günstiger und industriell interessant werden. Um besser zu verstehen, wie Flüssigkeit und Holz wechselwirken, brauchten die Forscher allerdings eine wesentlich leistungsfähigere Lupe als ein Lichtmikroskop. Sie nutzten die Anlage zur Neutronenstreuung am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching, mit der sich Strukturen im Nanometer-Bereich sichtbar machen lassen.

An der Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1 verfolgten die Wissenschaftler den Prozess erstmals durchgehend und konnten ihn so in einzelne Stadien aufteilen und räumlich und zeitlich vermessen: Zunächst dringt die ionische Flüssigkeit durch Poren und Kanäle in das trockene Holz ein und benetzt es. Danach beginnt das molekulare Flechtwerk aus Lignin und Zellulose aufzuquellen, was sich an nanometergroßen Löchern im Material zeigt. Schließlich wird es regelrecht aufgesprengt, wodurch die Flüssigkeit weiter vordringen kann. Durch diesen Prozess wird die Zellulose schließlich zugänglich für Enzyme, die sie in leicht lösliche und gut weiterzuverarbeitende, mittelgroße Oligomer-Moleküle zerlegen können. Zudem lassen sich nun das Lignin und weitere Stoffe, wie Hemizellulose, voneinander trennen.

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Verbesserungspotenzial identifizieren und nutzen

Der Prozess selbst war zwar bereits bekannt, doch mit den neuen Daten hoffen die Forscher, diesen noch deutlich zu verbessern. „Da wir nun genau wissen, wie lange die einzelnen Stadien dauern, lässt sich der Prozess beschleunigen und dadurch günstiger machen. Auch hinsichtlich der Temperatur zeigte sich noch Optimierungspotenzial“, sagt Dr. Henrich Frielinghaus, Instrumentwissenschaftler an der KWS-1. Als Nächstes will das Team im Detail untersuchen, welche chemischen Veränderungen während des Prozesses ablaufen.

Originalpublikation: Viell, J., Szekely, N.K., Mangiapia, G. et al. : In operando monitoring of wood transformation during pretreatment with ionic liquids, Cellulose 27, 4889–4907 (2020). DOI: 10.1007/s10570-020-03119-4

* A. Wenzik, Jülich Centre for Neutron Science am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, 52428 Jülich

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