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Das Wissen über nachhaltige Bioraffinerieverfahren vertiefen

In Form von Abfall in Erscheinung tretende lignozellulosehaltige Biomasse ist einer der weltweit am häufigsten vorkommenden Rohstoffe. Ausreichend genutzt wird er jedoch nicht. Nun hat LIGNINFIRST das Wissen über Bioraffination mit Lignozellulose vertieft und damit neue Wege für eine nachhaltige Bioökonomie gewiesen.

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Lignin ist ein in Pflanzengeweben vorkommendes natürliches Polymer. Es ist ein Hauptbestandteil von Lignozellulose bzw. Biomasse. Jährlich fallen in der Zellstoff- und Papierindustrie etwa 130 Millionen Tonnen Lignine an. Ungeachtet der Tatsache, dass Lignin 30 % der pflanzlichen Biomasse bildet und 40 % ihres Energiegehalts verkörpert, wird es nicht ausreichend genutzt und dient primär nur als Quelle für feste Brennstoffe mit niedrigem Energiegehalt. „Lignin-first“-Bioraffination ist ein Verfahren, bei dem chemische Katalyse zum Einsatz kommt und die Ligninverwertung in der Designphase des Biomasseabbaus berücksichtigt wird. Das vom Imperial College London koordinierte und ERC-finanzierte Projekt LIGNINFIRST (The Lignin-First Approach for the Full Valorisation of Lignocellulosic Biomass) sollte die komplexen Prozesse des Biomasseabbaus untersuchen und neue Strategien entwickeln, um die individuelle Ausbeute der während der Lignin-First-Bioraffination freigesetzten wertvollen Verbindungen zu verbessern. „Unsere Forschungsgruppe hat in Hinsicht auf den Ansatz der Lignin-First-Bioraffination Pionierarbeit geleistet. Es wurden organische Moleküle als Wasserstoffquelle verwendet, um die Reaktivität der Ligninfragmente zu steuern“, erklärt Hauptforscher Roberto Rinaldi. „Weitere Forschung zum tiefgründigeren Verständnis der daran beteiligten komplexen Chemie wird unseren patentierten Prozess verbessern.“

Stabilisierung der Ligninprodukte

Lignin hat eine komplexe chemische Struktur, bei der es keine zwei Moleküle gibt, die einander gleichen. In den Anfangstagen der Lignin-Bioraffinerie wurde festgestellt, dass konventionelle Ansätze, ganz egal, wie gut die Katalysatoren waren, stets sehr komplexe Mischungen aus Verbindungen ergaben, was deren Einsatz erschwerte. Die Katalysatoren, welche die Lignozellulose abbauen, funktionieren durch Depolymerisation, bei der große Moleküle zu Zellulosefraktionen, Hemizellulosen und Lignin abgebaut werden. Rinaldis Pionierarbeit ließ die Erkenntnis heranreifen, dass nicht die Katalysatoren selbst das Problem sind, sondern vielmehr das im Extraktionsprozess abgebaute Lignin und Auswirkungen dieses Prozesses auf seine Empfänglichkeit für die chemische Weiterverarbeitung. Da Ligninfragmente reaktiv sind, werden sie innerhalb des Bioraffinationsprozesses oft in neuen Kombinationen zusammengesetzt und bilden weniger reaktive, aber komplexere Polymerstrukturen bzw. „technische“ Lignine. Im Rahmen des Projekts LIGNINFIRST konnte das Team seine Strategie der Verarbeitung von Lignin in seiner „nativen“ Form weiterentwickeln. „Wir haben entdeckt, dass mit dem Einsatz eines Katalysators in der Ligninextraktionsphase – daher ‚Lignin-first‘ – anstelle der Verarbeitung des extrahierten Lignins in Gegenwart eines Katalysators die Rekombination der Ligninfragmente steuerbar wurde. Dabei entstanden einige wenige, aber hochwertige Verbindungen anstelle einer komplexen Mischung aus vielen“, berichtet Rinaldi. Das Team demonstrierte außerdem, dass der Zusammenhang zwischen Katalyse und Ligninverwertung nicht mehr nur auf die nachgeschaltete Verarbeitung von in der Zellstoff- und Papierindustrie anfallenden technischen Ligninabfällen beschränkt ist. Mit den Katalysatorlösungen für den Aufschlussprozess an sich wurden Verfahren zum Lignozelluloseabbau eingeführt, die als „Catalytic Upstream Biorefining“, d. h. katalytische vorgeschaltete Bioraffination, bezeichnet werden. Zusätzlich wurde auch ein Konzeptnachweis der Membranfiltration in Bezug auf die Veredelung des Lignins erbracht. „Entscheidend wichtig ist, Prozesse zur Abtrennung der Verbindungen aus der Lignin-First-Lauge zu entwickeln, um Laugenlösungsmittel besser recyceln und Ligninprodukte in zukunftsträchtige Biokraftstoffe umwandeln zu können“, erläutert er.

Der Nutzen für die Bioökonomie

In Europa sind in der Zellstoff- und Papierindustrie direkt mehr als 180 000 und indirekt 1,5 Millionen Menschen beschäftigt. Mit einem Umsatz von 90 Milliarden EUR trägt der Sektor 20 Milliarden EUR zum Bruttoinlandsprodukt der EU bei. Die Grundlagenforschung von LIGNINFIRST trägt dazu bei, den Wert von Lignozellulose aus Holz und Ernterückständen zu steigern. „Wir betrachten ein Barrel Rohöl nicht als Abfall, weil wir über die Technologie verfügen, es in nützliche Werkstoffe umzuwandeln – anders als bei Säcken mit Holzspänen, trotz ihres Potenzials“, gibt Rinaldi zu bedenken. „LIGNINFIRST hat durch seine Suche nach fundierterem Wissen über das Zusammenspiel der chemischen Prozesse bei der Lignin-First-Bioraffination nicht nur zu den Bemühungen um die Ligninverwertung, sondern auch zu einer maximalen Nutzung der Biomasse als erneuerbarem Rohstoff für die nachhaltige Produktion beigetragen.“

Schlüsselbegriffe

LIGNINFIRST, Lignin, Bioraffinerie, Bioraffination, Biomasse, Bioökonomie, Lignozellulose, Katalyse, Depolymerisation, Zellstoff- und Papierindustrie, Abfall, Verbindung

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