English China

Interview Lignin prozesstechnisch in der Synthese nutzen

Autor / Redakteur: Das Gespräch führte LABORPRAXIS-Chefredakteur Marc Platthaus / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Nur ein geringer Lignin-Anteil (unter zwei Prozent) wird heute stofflich genutzt. Warum das so ist und wie dieser Umstand geändert werden kann, beschreibt Dr. Jochen Michels von der Dechema im LABORPRAXIS-Interview.

Firmen zum Thema

„Für die chemische Industrie ist schwefelfreies Lignin interessant, da es die einzige nachwachsende Aromatenquelle darstellt“, sagt Dr. Jochen Michels, Koordinator Forschungsverbünde in den Bereichen „Altlastensanierung“ und „Nachwachsende Rohstoffe“ bei der Dechema.
„Für die chemische Industrie ist schwefelfreies Lignin interessant, da es die einzige nachwachsende Aromatenquelle darstellt“, sagt Dr. Jochen Michels, Koordinator Forschungsverbünde in den Bereichen „Altlastensanierung“ und „Nachwachsende Rohstoffe“ bei der Dechema.
(Bild: Dechema)

LABORPRAXIS:Herr Dr. Michels, Lignin ist neben Cellulose der häufigste organische Stoff der Erde. Wie wird es gewonnen, und wofür kann es verwendet werden?

Dr. Jochen Michels: Lignine sind Bestandteile von Holz oder verholzten Pflanzen, die aus phenolischen Bausteinen aufgebaut sind. Die größten Ligninmengen fallen heute bei der Papier- und Zellstoffherstellung als Nebenprodukt an. Allerdings ist dieses chemisch mit Schwefel modifiziert. Da es aber praktisch keine Anwendung für schwefelhaltige Lignine gibt, wird es normalerweise direkt zur Produktion von Prozessenergie und zur Rückgewinnung der Prozesschemikalien verbrannt.

LABORPRAXIS:Das klingt nach einem Szenario, das noch Optimierungspotenzial bietet. Gibt es noch andere Möglichkeiten?

Michels: Die gibt es in der Tat. Für reines, schwefelfreies Lignin, wie es in einer Pilotanlage in Leuna erzeugt wird, gibt es interessante Anwendungsfelder. So kann reines Lignin beispielsweise einen Teil des fossilen Phenols ersetzen, das zur Formulierung von Resol-Harzen für die Holzwerkstoffindustrie gebraucht wird. Auch lässt sich Lignin wie ein Kunststoff thermoplastisch zu Verbundwerkstoffen verarbeiten. Für die chemische Industrie ist schwefelfreies Lignin auch von Interesse, da es die einzige nachwachsende Aromatenquelle darstellt. Zwar entstehen bei der Ligninspaltung keine phenolischen Reinstoffe, für die Gemische gibt es allerdings Anwendungen in Klebstoff-, Lack-, Polyurethan- und Epoxidsystemen. Bisher ist aber nur wenig schwefelfreies Lignin verfügbar, wodurch die industrielle Verwertung der entwickelten Applikationen eingeschränkt ist. Aus demselben Grund sind auch die Märkte für dieses Produkt noch nicht entwickelt, wodurch eine Preisfindung für Lignin erschwert ist.

LABORPRAXIS:Am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) in Leuna wurde diese Pilotbioraffinerie zum Aufschluss von Laubholz aufgebaut und die Verwertbarkeit der erzeugten Produkte C5- und C6-Zucker sowie des Lignins untersucht. Mithilfe welcher Verfahren wurde das Holz aufgeschlossen und weiterverarbeitet?Michels: An der Entwicklung der Lignocellulose-Bioraffinerie Pilotanlage in Leuna waren 14 Partner aus Forschung und Industrie beteiligt. Die Anlage ist das Ergebnis eines sechsjährigen, vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderten und von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe begleiteten Forschungsverbundes. Mit der Anlage ist es jetzt möglich, Buchenholz in die drei Fraktionen Cellulose, Hemicellulose und schwefelfreies Lignin zu spalten: Im so genannten Organosolv-Verfahren werden Buchenholz-Hackschnitzel in einer Aufschlusslösung aus Wasser und Ethanol bei Überdruck gekocht. Dabei lösen sich Lignin und Hemicellulosen in der Aufschlusslösung, während die Cellulose-Faser als Feststoff verbleibt. Lignin lässt sich anschließend aus der Aufschlusslösung fällen, womit man die drei Fraktionen voneinander getrennt hat. Cellulose und Hemicellulose werden noch weiter hydrolysiert, um C6- bzw. C5-Zucker aus so genannten Nicht-Nahrungsmittelquellen zu erhalten. Obwohl das Konzept der Bioraffinerie die Produktion von Lignin und Zuckern als Endprodukte vorsieht, wurden deren Eignung als Rohstoffe für verschiedene Anwendungsfelder untersucht: Die C5- und C6-Zucker-Fraktionen wurden beispielsweise in typischen Fermentationen der industriellen Biotechnologie getestet. Diese Tests sind sehr erfolgversprechend verlaufen, obwohl einige spezielle Fermentationen stärker aufgereinigte Zuckerlösungen benötigen, als sie derzeit aus der Pilotanlage verfügbar sind. Das schwefelfreie Lignin konnte in den vorher skizzierten Anwendungsfeldern eingesetzt werden.

LABORPRAXIS:Wie schaut die ökologische Bewertung des Gesamtprozesses aus?

Michels: Im Rahmen der ökologischen Bewertung wurden auf Basis von modellierten Stoff- und Energieströmen verschiedene Kennzahlen zur Umweltwirkungsabschätzung ermittelt, wobei auch relevante Vorketten zur Bereitstellung von Energie und Betriebsstoffen einbezogen wurden. Somit wurde für die ökologische Bewertung der gesamte Lebensweg der Produkte von der Rohstoffgewinnung bis zur Fertigstellung betrachtet. Zur Einordnung der Ergebnisse wurde die Prozesskette im Zuge einer vergleichenden ökologischen Bewertung mit fossilen Referenzprozessen und alternativen Biomasse-Nutzungspfaden verglichen. Da Lignin in der Industrie als Phenolersatz dienen kann, wurde als Referenzprozess für das schwefelfreie Lignin die Herstellung von fossilem Phenol gewählt. Als Referenzprozesse für Glucose und C5-Zucker diente die Herstellung von Zucker-Rohsaft aus Zuckerrüben. Die Ergebnisse waren überaus positiv: In den Wirkungskategorien Klimawandel, Versauerung, Eutrophierung und fossiler kumulierter Energieaufwand wurden 50 bis 80 % weniger Äquivalente im Vergleich zu den Referenzprozessen emittiert/verursacht. Einzig in der Wirkungskategorie Landnutzung wurde für die Produkte der Bioraffinerie rund die dreifache Fläche gebraucht als für die Referenzprozesse. Da die Landnutzung größtenteils durch die forstliche Produktion stattfindet, findet aber eine vergleichsweise naturnahe Nutzung der Fläche statt.

Herr Dr. Michels, vielen Dank für das Gespräch.

(ID:43063592)