Ein Biopolymer im Holz lässt sich für Biotreibstoff nutzen
Durch ein neues chemisches Verfahren können die Bausteine von Lignin, das im Holz vorkommt, nutzbar gemacht werden. Biopolymere wie Lignin werden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen bei der Suche nach klimaneutralen und nachhaltigen Alternativen zu fossilen Rohstoffen.
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 dank eines neuen Ansatzes von Mülheimer Chemikern besser weiterverarbeiten.
Foto: Max-Planck-Gesellschaft/ Frank Vinken
Die brennende Frage, wie wir den Energie- und Rohstoffbedarf in den kommenden Jahrzehnten auf der Erde decken können, liegt wohl, zumindest zum Teil, in den Händen der Chemiker. Auf der Suche nach einer Ersatzquelle für das Erdöl richtet sich der chemische Forscherblick ganz gezielt auf nachwachsende Rohstoffe, deren Biomasse als Energiequelle genutzt werden kann.
Das Biopolymer Lignin ist die Gerüstsubstanz bei verholzenden Pflanzen
Im Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr sind die Chemiker nun einem aussichtsreichen Kandidaten für die Energielieferung auf die Spur gekommen. Forschungsgruppenleiter Roberto Rinaldi und sein Team haben einen Weg gefunden, wie sie das Biopolymer Lignin chemisch so umwandeln können, dass es für verschiedene Anwendungen besser verfügbar ist.
Biopolymere werden in der Zelle eines Lebewesens synthetisiert und können unterschiedliche Funktionen haben, vom Energie- und Informationsspeicher über Aufgaben im Stoffwechsel oder der Abwehr von schädigenden Einflüssen. Lignin wird von Bäumen und Sträuchern in die Zellwände eingelagert und durchdringt die Cellulosefasern. Dadurch verholzen die Zellen. 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.
„Man kennt das Potenzial von Lignin schon sehr lange“, sagt Roberto Rinaldi, aber bisher habe sich dieser Schatz im Holz nicht heben lassen, denn der wirtschaftlich vertretbare Aufwand sei einfach zu groß gewesen. Das hat mit der komplexen Struktur von Biopolymeren mit stark vernetzten Kettenmolekülen und einem beachtlichen Sauerstoffanteil zu tun.
Zwar konnten die Chemiker die Moleküle des Lignins mit einer Säure bei hoher Temperatur in kleinere Einheiten zerlegen. Dabei entstand aber ein wildes Gemisch zahlloser sauerstoffhaltiger Verbindungen, die sich nur schwer trennen ließen. Rinaldi und seine Arbeitsgruppe haben nun einen relativ einfachen Weg gefunden, Lignin zu spalten und gleichzeitig den Sauerstoff weitgehend aus diesen Verbindungen zu entfernen. So bleiben hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, vor allem sogenannte Arene, also aromatische Verbindungen zurück, die sich leichter sortieren lassen.
Umwandlung in drei parallelen chemischen Reaktionen
Den Schlüssel zum chemischen Schatz im Holz fanden die Forscher, als sie in einem Topf 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.
„Wir können die Reaktionen kombinieren, weil wir zwei Katalysatoren zusammenspielen lassen“, erklärt Roberto Rinaldi. Bei den Katalysatoren, die die Chemiker verwenden, handelt es sich zum einen um Raney-Nickel, ein Pulver, das vor allem poröses Nickel enthält und Wasserstoff an organische Moleküle vermittelt. Zum anderen sind es Zeolithe, poröse aluminiumhaltige Silikate, die einem Zwischenprodukt in der chemischen Reaktion das Wasser entziehen.
Bisher waren hohe Temperaturen bis 500 Grad Celsius und Drücke bis zu 200 bar nötig, um die Bruchstücke des Lignins aufzubereiten. Dagegen läuft der kombinierte Prozess der Mülheimer Forscher bei etwa 150 Grad und bei Druck von unter 40 bar ab und braucht daher weniger Energie. Roberto Rinaldi und seine Kollegen sind davon überzeugt, dass ihre Entdeckung praktische Bedeutung findet. Ihr Verfahren haben sie patentieren lassen.
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