Aufspaltung von Lignin zur Herstellung aromatischer Verbindungen

Lignin ist nach Cellulose die häufigste organische Verbindung der Erde. Der Stoff bietet sich aufgrund seiner chemischen Struktur als mögliche erneuerbare Ressource für die Herstellung aromatischer Chemikalien an. Die komplexe Struktur und die grosse Festigkeit von Lignin haben jahrzehntelange Forschung nötig gemacht, um geeignete Verfahren zu entwickeln, mit denen sich die Verbindung aufspalten lässt. Chemische Prozesse erbringen zwar gute Resultate, bedingen aber hohe Temperaturen und einen grossen Einsatz von Chemikalien. Biologische Prozesse, die sich an den Ligninabbau durch Pilze in der Natur anlehnen, können deshalb helfen, den Energieeinsatz und die Kosten von Chemikalien zu senken.

Aus Gründen des Klimaschutzes und der Versorgungssicherheit wächst das Interesse an Treibstoffen und Chemikalien aus erneuerbaren Quellen. Bei der heutigen Herstellung von Biotreibstoffen fallen beträchtliche Mengen an Lignin an, die aktuell leider noch verbrannt werden. Aufgrund seiner chemischen Struktur könnte Lignin aber als Basis zur Produktion von Aromaten dienen, die heute noch aus Erdöl gewonnen werden.

Das Projekt testete eine Kombination aus mehreren aufeinanderfolgenden enzymatischen und chemischen Behandlungsschritten, um Lignin aufzuspalten. Als erster Prozessschritt wurde das Holz mit einer sanften, biochemischen Reaktion behandelt, wobei gleichzeitig die eingesetzten Biokatalysatoren rezykliert werden können. Dieser erste Schritt macht das Lignin zugänglicher für die chemische Behandlung. Als zweiter Schritt erfolgte dann die chemische Behandlung mit Hilfe von Ameisensäure, um so Aromate zu gewinnen. Aufgrund der Erkenntnisse aus den beiden Teilschritten beurteilten die Forschenden, wie die beiden Behandlungsschritte optimal ausgestaltet werden können, um eine maximale Ausbeute der gewünschten Endstoffe zu erreichen. Gleichzeitig konnte der Aufwand für Energie und Chemikalien reduziert werden.

Die Resultate des Projekts könnten zur Entwicklung einer neuen Technologie für Bioraffinerien beitragen, um verholztes Pflanzenmaterial zu verwerten. Darüber hinaus sind neue Erkenntnisse zu Prozessen wie beispielsweise dem enzymatischen Ligninabbau oder zu Synergien zwischen enzymatischer und chemischer Katalyse für die Verwertung von Lignin zu erwarten.

Die verschiedenen erprobten Verfahren zur Vorbehandlung und anschliessenden Abtrennung von Lignin führten zu neuen Erkenntnissen etwa zur Löslichkeit von Lignin oder zur Wiederverwendbarkeit von Biokatalysatoren.

Sequential treatment of lignins by advanced chemical oxidation processes and nanobiocatalysis for the production of industrially relevant oligomers and monolignols