Lignin ist einer der Hauptbestandteile verholzter Pflanzenteile. Eingelagert in die pflanzliche Zellwand, verleiht der komplex aufgebaute organische Stoff dem Holz seine Druck- und Bruchfestigkeit. Bisher ist Lignin vor allem als – mit Schwefel verunreinigtes – Nebenprodukt bei der Papier- und Zellstoffherstellung verfügbar.

Mit dem von Fraunhofer entwickelten Organosolv-Verfahren wird Lignocellulose, das Strukturmaterial von Holz, nur mit Wasser und Alkohol in seine Grundbestandteile fraktioniert. Dabei entsteht unter anderem hochreines Lignin, das auch chemischen Industriezweigen als wertvoller Grundstoff dienen kann. Am Fraunhofer CBP wurde das Verfahren bereits vor vier Jahren erfolgreich in den Pilotmaßstab übertragen und wird in diversen Projektvorhaben weiterentwickelt. In dem Vorhaben »Stoffliche Nutzung von Lignin: Nanoporöse Materialen«, das vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert wurde, lieferte das Fraunhofer CBP hochwertiges Organosolv-Lignin.

»Wir fraktionieren das Holz in seine Hauptbestandteile Lignin, Hemicellulose und Cellulose, indem wir es mit Wasser und Alkohol bei hoher Temperatur und hohem Druck kochen, quasi wie in einem Dampfkochtopf«, sagt Dr. Moritz Leschinsky, Gruppenleiter am Fraunhofer CBP. Das Lignin und die Hemicellulosen lösen sich in der Flüssigkeit, während die faserige Cellulose fest bleibt. In einem weiteren Schritt gewinnen die Wissenschaftler das Lignin aus der Flüssigkeit, indem sie es fällen und abtrennen. Nach Entfernung des Alkohols verbleiben die Hemicellulosen-Zucker. Der feste, faserige Cellullose-Rückstand wird bei Bedarf im Bedarfsfall mit Enzymen versetzt und verzuckert, das heißt in einzelne Glucose-Moleküle gespalten.

Ligninbasierte Aerogele als Basis hochporöser Dämmstoffplatten

Das Lignin kann für Biowerkstoffe eingesetzt oder als Bindemittel für die Holzindustrie verwendet werden. Wegen der chemisch interessanten Strukturen verfolgen die Forscher am Fraunhofer CBP auch Ansätze, aromatische Grundstoffe aus dem komplexen Naturstoff zu gewinnen. Die gewonnene Cellulose, in ihre Zuckerbausteine zerlegt, dient beispielsweise Mikroorganismen als »Futter«. So werden, ebenfalls am CBP, Fermentationen mit Lignocellulose-Zucker, biobasierte Säuren oder Kraftstoffe hergestellt.

Die Erzeugung neuer Werkstoffe – sogenannter Aerogele – aus diesem Organosolv-Lignin konnte erfolgreich von der TU Hamburg-Harburg demonstriert werden.

Die Materialeigenschaften werden durch die Ligningewinnung selbst sowie durch die Art der anschließenden chemischen Vernetzung gezielt gesteuert. Dieser Weg erfordert jedoch ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaftsfunktionen der Ligninherstellung u. -verarbeitung: die Aufschlussparameter sollen derart optimiert werden, dass die bestmöglichen Qualitätsmerkmale der Aerogele gewährleistet sind und gleichzeitig die gegebene Wertschöpfung des Bioraffinerie Prozesses weitestmöglich erhalten bleibt. Dazu wurden im Projekt zwei unterschiedliche Bioraffinerieprozessen  so optimiert, dass Lignine mit reproduzierbar hoher Qualität im Multikilogrammmaßstab für diese Anwendung hergestellt werden konnten.

Das Vorhaben »Stoffliche Nutzung von Lignin: Nanoporöse Materialen« wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert. Der Abschlussbericht steht auf fnr.de unter dem Förderkennzeichen 22018312 zur Verfügung. Am Projekt waren neben der TU HH und dem Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP auch die Universität für Bodenkultur Wien, das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung und die Firmen Dräger Safety und Loick Biowertstoff beteiligt.