Funktionalisierte Ligninspaltprodukte als Synthesebausteine

Im Rahmen des Projekts »Lignoplast« entwickelt das Fraunhofer CBP Verfahren für die Chemieindustrie, um Kunststoffe aus Holz herzustellen. Als Basis dienen in verholzter Biomasse enthaltene Lignine. Mithilfe basenkatalytischer Spaltung werden diese organischen Verbindungen in Phenolderivate zerlegt, die wiederum zu hochwertigen Polyurethan-Schäumen oder zu Polyolen für Polyurethan-Beschichtungen von Langzeitdüngern weiterverarbeitet werden.

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Herstellung von Klebstoffen, Lacken, Polyurethanen und Epoxiden aus Lignin

© Norbert Michalke/Fraunhofer IGB

Anlage zur Herstellung von Ligninbruch­stücken am Fraunhofer CBP.

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.

Literatur

[1] Hirth, T.; Unkelbach, G. (2017) Von fossilen zu biogenen Rohstoffen; In: Alles Zucker, ISBN 978-3-89809-142-8, Seiten 171 – 177

[2] Schulze, P.; Seidel-Morgenstern, A.; Lorenz, H.; Leschinsky, M.; Unkelbach, G. (2016) Advanced process for precipitation of lignin from ethanol organosolv spent liquors. Bioresource Technology 199: 128–134, doi:10.1016/j.biortech.2015.09.040

[3] Rößiger, B.; Röver, R.; Unkelbach, G.; Pufky-Heinrich, D. (2017) Production of bio-phenols for industrial application: Scale-up of the base-catalyzed depolymerization of lignin. Green and Sustainable Chemistry 7(3): 193-202, DOI: 10.4236/gsc.2017.73015

Projektinformationen

Projekttitel

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

Teilprojekte

  • Teilvorhaben 1: Rohstoffbereitstellung, Scale-up und Koordination (CBP)
  • Teilvorhaben 4: Enzymatische Ligninfunktionalisierung (IGB-MBT)
  • Teilvorhaben 5: Ligninfunktionalisierung und Lignindepolymerisation, katalytische Aspekte (IGB-BioCat)

 

Projektlaufzeit

Juli 2013 – Dezember 2016

 

Kooperationspartner

  • Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, (Koordination: Gerd Unkelbach)
  • Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal
  • Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI, Braunschweig
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart und Straubing
  • Universität Stuttgart, Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP), Stuttgart
  • RAMPF Eco Solutions GmbH & Co.KG, Pirmasens
  • RAMPF Polymer Solutions GmbH & Co. KG, Grafenberg
  • Linde Engineering Dresden GmbH, Dresden
  • Jowat AG, Buchrain, Schweiz
  • Robert Kraemer GmbH & Co. KG, Rastede
  • ASK Chemicals GmbH, Hilden

 

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) für die Förderung des Projekts »Lignoplast«, Förderkennzeichen 22014212.