Startseite » Chemie »

Lignozellulose besitzt großes Potenzial

Nachwachsender Rohstoff für die chemische Industrie
Lignozellulose besitzt großes Potenzial

Die Herstellungsverfahren der chemischen Industrie basieren derzeit größtenteils auf schwindenden fossilen Rohstoffen. Auf der Suche nach Alternativen wird die Nutzung von Biomasse als nachwachsender Rohstoff forciert. Insbesondere die Lignozellulose, die den Hauptbestandteil der Zellwände und somit das Strukturgerüst in verholztem pflanzlichem Material darstellt, birgt als ubiquitärer nachwachsender Rohstoff ein großes Potenzial.

Autoren Dr.-Ing. Thomas Hahn1, M. Sc. Christoph Gertig1, Gerd Unkelbach2, Prof. Dr. Thomas Hirth1,3, Dr.-Ing. Susanne Zibek1 1 Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik 2 Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse 3 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie

Hauptbestandteile von Lignozellulose sind Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Bei Zellulose und Hemizellulose handelt es sich um Polysaccharide, die zu Glukose, Xylose und weiteren Monosacchariden abgebaut werden können, wohingegen Lignin eine aromatenreiche Quelle repräsentiert. Werden diese unterschiedlichen Bestandteile von Lignozellulose nutzbar gemacht, können sie als Baukasten für die Synthese von zahlreichen Produkten dienen. Das Fraunhofer IGB befasst sich intensiv mit der stofflichen Verwertung von Lignozellulose und hat sich eine ganzheitliche Nutzung der nachwachsenden Rohstoffe zum Ziel gesetzt.
Vorbehandlung der Lignozellulose
Um die Lignozellulose nutzbar zu machen, müssen die Bestandteile Zellulose, Hemizellulose und Lignin zunächst voneinander getrennt werden. Zuerst wird hierfür eine Vorbehandlung durchgeführt, die vor allem dazu dient, das Lignin aus der Lignozellulose herauszulösen. Es existieren unterschiedliche Verfahren, die sich hierfür eignen. Am Fraunhofer IGB wurden vorwiegend physikalisch-chemische und chemische Verfahren untersucht, bei denen Säuren, Laugen und organische Lösemittel bei Temperaturen von bis zu +200 °C zum Einsatz kommen. Nach der Vorbehandlung lässt sich eine feste Phase abfiltrieren, die sogenannte Aufschlussfaser, die reich an Zellulose ist. Im Filtrat, der sogenannten Aufschlusslösung, befindet sich der Großteil des Lignins sowie Teile der Hemizellulosen. Außerdem enthält sie die bei der Vorbehandlung entstehenden Nebenprodukte wie Furfural, Hydroxymethylfurfural (HMF) und Ameisensäure. Am Fraunhofer IGB wurden erstmals systematische Studien durchgeführt, um optimale Vorbehandlungsprozesse für die Rohstoffe Weizenstroh, Miscanthus, Pappel- sowie Buchenholz zu identifizieren. Sie hatten zum Ziel, die Löslichkeit des Lignins zu maximieren und die Entstehung unerwünschter Nebenprodukte weitestgehend zu vermeiden. Hierzu wurden jeweils unterschiedliche physikalisch-chemische und chemische Verfahren getestet und mittels sogenannter Schweregrade miteinander verglichen. Schweregrade sind dimensionslose Kennzahlen, welche die Dauer der Vorbehandlung sowie Temperatur und pH-Wert einbeziehen. Für Weizenstroh erwiesen sich alkalische Vorbehandlungen als besonders geeignet, für Miscanthus sowie Pappel- und Buchenholz hingegen sogenannte Organosolv-Verfahren, bei denen organische Lösemittel zum Herauslösen des Lignins eingesetzt werden. Die jeweils ausgewählten Verfahren wurden anschließend mittels experimenteller Studien mithilfe von statistischer Versuchsplanung systematisch optimiert. Es konnte gezeigt werden, dass die optimierten Vorbehandlungsverfahren in der Lage sind, die eingesetzten Rohstoffe sehr effizient zu delignifizieren, was weitere Verfahrensschritte vereinfacht. Weiterhin konnte mithilfe der Schweregrade eine erfolgreiche Maßstabübertragung vom 1-l-Autoklaven auf einen 13-l-Reaktor durchgeführt werden.
Enzymatische Hydrolyse
Nach der Vorbehandlung liegen die zellulosereichen Aufschlussfasern und die flüssige Aufschlusslösung vor, die Lignin und je nach Zusammensetzung des Rohstoffs und verwendeter Vorbehandlungsmethode gelöste Bestandteile von Hemizellulosen (hauptsächlich Xylane) enthält. Am Fraunhofer IGB wird die in der Aufschlussfaser enthaltene Zellulose mithilfe von geeigneten Enzymen (Zellulasen) hydrolysiert, um Glukose zu erhalten. Um weitere Hydrolyseprodukte wie z. B. Xylose getrennt von Glucose zu gewinnen, kann diesem Schritt noch die Hydrolyse von Hemizellulose durch Xylanasen vorgeschaltet werden. Zur Maximierung der Ausbeute an Monosacchariden wurde eine Optimierung verfahrenstechnischer Parameter wie Temperatur, pH-Wert, Verweilzeit, Rührerdrehzahl und -geometrie im Reaktor vorgenommen. Die gewonnenen Monosaccharide eignen sich anschließend als Fermentationssubstrat zur Herstellung höherwertigerer Produkte. Die meisten Fermentationsprozesse sind substratflexibel, angesichts variabler Zusammensetzung der Ausgangsfraktion bieten sie somit deutliche Vorteile gegenüber chemischen Konversionen. Die Produktpalette der Fermentationen umfasst neben Treibstoffen wie Ethanol auch Plattform- oder Grundchemikalien, wie z. B. organische Säuren. Die Plattformchemikalien können nachfolgend chemisch polymerisiert werden und stellen somit ebenfalls die Grundlage für biobasierte, nachhaltig produzierte Polymere dar.
Verwertung der Aufschlusslösung
Je nach verwendeten Rohstoffen und Vorbehandlungsverfahren enthält die Aufschlusslösung neben Lignin und Xylanen phenolische Bestandteile und Zuckerdegradationsprodukte, beispielsweise Furfural, HMF und Ameisensäure. Lignin wird durch Fällung aus der Aufschlusslösung als Feststoff gewonnen. Die nach chemischer Derivatisierung erhaltenen Ligninmono- und oligomere können als Drop-in-Produkte für Aromaten oder zur Copolymerisation eingesetzt werden. Vor der mikrobiellen Umsetzung der in der Aufschlusslösung enthaltenen Xylanfraktion müssen wachstumsinhibierende Abbauprodukte der Vorbehandlung entfernt werden. Zu diesem Zweck wurden am Fraunhofer IGB robuste Mikroorganismen identifiziert, die hohe Nebenproduktkonzentrationen tolerieren. Zusätzlich wurden zur Detoxifikation zwei Methoden entwickelt. Einerseits wurde die Polymerisation der phenolischen Komponenten mithilfe des Enzyms Laccase untersucht. Die dabei entstehenden Polymere sind unlöslich und fallen aus. Um die Enzyme im Reaktor zurückhalten und wiederholt nutzen zu können, wurden sie auf geeigneten Trägeroberflächen immobilisiert. Andererseits wurden am Fraunhofer IGB Adsorber-gestützte Prozesse entwickelt, die die Konzentration der Kontaminanten stark reduzieren. Die Xylane, die sich aus der detoxifizierten Aufschlusslösung gewinnen lassen, können anschließend enzymatisch zu dem Zucker Xylose hydrolysiert und ebenfalls mikrobiell umgesetzt werden.
Zusammenfassung und Ausblick
Lignozellulose besitzt großes Potenzial als nachwachsender Rohstoff für die chemische Industrie. Durch den Einsatz von chemischen und biologischen Verfahren, wie sie in Bioraffinerien verwendet werden, kann Lignozellulose in seine Bestandteile fraktioniert werden. Dies ermöglicht eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Nutzung von Lignozellulose zur Herstellung verschiedener Plattformchemikalien. Das Fraunhofer IGB befasst sich mit allen Schritten der Wertschöpfungskette vom Rohstoff zum Produkt. Dazu wurden bereits verschiedene Verfahren für die Vorbehandlung der nachwachsenden Rohstoffe, die Gewinnung und Aufarbeitung der Monosaccharide sowie deren fermentative Umsetzung zu Plattformchemikalien untersucht und optimiert. Weitere aktuelle Arbeiten am Fraunhofer IGB sind der Entwicklung und Anpassung mathematischer Modelle für die einzelnen Verfahren gewidmet. Diese Modelle dienen nicht nur der theoretischen Beschreibung der Prozesse, sondern ermöglichen darüber hinaus auch die Vorhersage des Prozessverlaufs bei veränderten Prozessparametern. Die erstellten Modelle können außerdem zur Maßstabübertragung verwendet werden und schaffen so eine Basis für eine großtechnische Umsetzung.
prozesstechnik-online.de/cav0515400
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

cav-Produktreport

Für Sie zusammengestellt

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Top-Thema: Instandhaltung 4.0

Lösungen für Chemie, Pharma und Food

Pharma-Lexikon

Online Lexikon für Pharma-Technologie

Prozesstechnik-Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

phpro-Expertenmeinung

Pharma-Experten geben Auskunft

Prozesstechnik-Kalender

Alle Termine auf einen Blick

Anzeige

Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de