Lignoplast – Funktionalisierte Ligninspaltprodukte als Synthesebausteine für die Herstellung von Klebstoffen, Lacken, Polyurethanen und Epoxiden

Lignine gehören mit einem Anteil von bis zu 30 Prozent in verholzter Biomasse zu den häufigsten organischen Verbindungen. Aufgrund der Heterogenität ihrer aromatischen Strukturen lassen sie sich jedoch nur schwer in chemische Anwendungen überführen.

Im Verbundvorhaben »Lignoplast« arbeitete ein Konsortium unter Koordination des Fraunhofer CBP an neuen Verfahren, um aromatische Synthesebausteine aus verschiedenen Lignintypen herzustellen und in Polyurethan-, Klebstoff-, Lack-, und Epoxidsystemen einsetzen zu können. Je nach Vorbehandlungsmethode weisen Lignine unterschiedliche Eigenschaften auf, die eine weitere Veredelung maßgeblich beeinflussen. So galt es, sowohl schwefelhaltige Lignine aus Zellstoffprozessen zu prozessieren (Kraft‑Lignin) als auch schwefelfreie Lignine aus Bioraffinerie‑Prozessen (z. B. aus dem Organosolv‑Verfahren, welches das Fraunhofer CBP ebenfalls intensiv weiterentwickelt [1, 2]).

Die basenkatalytische Spaltung erwies sich als geeignetes Verfahren, um alle untersuchten Lignintypen in kleinere, einfacher aufgebaute Phenolderivate zu zerlegen. Basierend auf Voruntersuchungen am Fraunhofer ICT wurde die mehrstufige Prozesskette, eine kontinuierliche basenkatalysierte Spaltung und die anschließende Separation und Aufreinigung der Produkte, erfolgreich am Fraunhofer CBP in den Pilotmaßstab übertragen [3].

Ligninbasierte Polyurethane

Verbundpartner nutzen die entstandenen Ligninbruchstücke zur Herstellung hochwertiger Polyurethan‑Schäume oder als Polyole für Polyurethan‑Beschichtungen von Langzeitdüngern. Anwendungstests zeigten positive Eigenschaften, zum Teil auch zusätzliche Vorteile wie eine biologische Abbaubarkeit. Um eine zukünftige Kommerzialisierung zu erreichen, sind weitere Arbeiten notwendig. Eine ständige Verfügbarkeit der Rohstoffe, verbesserte Prozessstabilität sowie die ökonomische Bilanzierung des Gesamtverfahrens wird in Folgeaktivitäten angestrebt.

Überblick über die Teilvorhaben

Das Fraunhofer IGB hat in der Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie die Funktionalisierung von Lignin, von Ligninabbauprodukten und anderen Aromaten in verschiedenen methodischen Ansätzen verfolgt. Dafür wurden Enzyme und Ganzzellkatalysatoren eingesetzt. Außerdem wurde die Machbarkeit der chemo‑enzymatischen Epoxidierung der aromatischen Substanz Cardanol untersucht.

Ziel der Arbeiten des Institutsteils BioCat war die elektrochemischen Spaltung von Organosolv‑Lignin und die Untersuchung des Einflusses der Reaktionsparameter auf die Produktselektivitäten und Ausbeuten. Weiter wurde die Synthese neuer Monomere für Biopolymere untersucht. Der Fokus der Arbeiten lag auf der Herstellung eines neuen biobasierten Diamins als Baustein für Polyamide und Polyurethane.