Lignin...

... vom thermisch verwerteten Reststoff zum Rohstoff mit Wertschöpfungspotenzial

Interview mit Dr. Gunnar Engelmann, Forscher am Fraunhofer IAP, Abteilung Lignocellulose im Forschungsbereich Biopolymere, und Dr. Anne Hartwig, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Potsdam und Verantwortliche für das Joint Lab OPAT der Innovativen Hochschule Potsdam.

Chemische Struktur der Ligninmonomere in schematischer Abbildung
Source: Freudenberg, K. und A.C. Neish (1968): „Constitution and Biosynthesis of Lignin.” Springer Verlag.
Strukturen der Ligninmonomere, sowie eines Ligninfragmentes entsprechend Freudenberg

Lignin ist nach Cellulose das am zweihäufigsten vorkommende Biopolymer weltweit. Der Stoff ist für die Verholzung in pflanzlichen Zellwänden verantwortlich. Besonders interessant für die Kunststoffindustrie sind die aromatisch strukturierten Monomerbausteine des Polymers. Im Interview erklärt Dr. Gunnar Engelmann, was den Stoff so interessant macht und welches Potential Lignin als Rohstoff birgt. Dr. Anne Hartwig erklärt die Messmethode, die im gemeinsamen Projekt im Joint Lab OPAT angewendet wurde. Das Gespräch führten Katrin Kalitzki und Julia Consten.

Chemische Struktur der Ligninmonomere in schematischer Abbildung
Source: Freudenberg, K. und A.C. Neish (1968): „Constitution and Biosynthesis of Lignin.” Springer Verlag.
Strukturen der Ligninmonomere, sowie eines Ligninfragmentes entsprechend Freudenberg

Herr Dr. Engelmann, Sie erforschen das Potential von Lignin als Rohstoff. Wo fällt Lignin an?

Jährlich fallen etwa 50 Mio. Tonnen Lignin enthaltende Schwarzlauge bei der Zellstoffgewinnung nach dem Kraft-Verfahren an [1]. Lignin ist dabei ein bislang kaum stofflich genutztes Nebenprodukt und wird derzeit noch fast ausschließlich in Form von aufkonzentrierter Schwarzlauge verbrannt. Die Zellstoff-Fabriken können mit der thermischen Ligninverwertung ihren Energiebedarf decken und sogar überschüssige Energie in lokale Stromnetze einspeisen. Doch die stoffliche Nutzung von Lignin als biobasierte Ressource bleibt, auch aus Sicht der gegenwärtigen Entwicklungen zum Thema Nachhaltigkeit, von Bedeutung.

Die Verbrennung ist also der einfache, aber wenig nachhaltige Weg der Ligninverwertung. Wie kann das Kraft-Lignin stofflich nutzbar gemacht werden?

Die Verwendung von Kraft-Lignin als Rohstoff ist wegen seiner komplexen Struktur und stofflichen Inhomogenität nicht uneingeschränkt möglich, aber es haben sich potenzielle Applikationsfelder herauskristallisiert. Kraft-Lignine lassen sich unter speziellen Bedingungen zu homogenen Harzen und letztendlich zu Duroplasten verarbeiten [2]. Außerdem konnte sehr erfolgreich gezeigt werden, dass die thermoplastische Ligninverwertung im industriellen Maßstab möglich ist [3]. Weitere interessante Fragestellungen betreffen die Nutzung von Lignin für die Herstellung von Karbonfasern. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe haben eine große Bedeutung für den Einsatz im Leichtbau. Aber auch die Gewinnung ligninbasierter Füllstoffe zur Kunststoffmodifizierung gilt als spannende Herausforderung, insbesondere dann, wenn nanoskalige Dimensionen das Eigenschaftsspektrum der Ligninpartikel dominieren sollen.

Herr Dr. Engelmann, Sie arbeiten am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Was ist Ihr Forschungsschwerpunkt und welche Methoden kommen dabei zum Einsatz?

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP wird das Potential von Lignin als nachwachsendes Edukt für die Modifizierung bzw. Substitution Erdöl-basierter Produkte untersucht. Die Abteilung Lignocellulose des Fraunhofer IAP erforscht unter anderem die Gewinnung von Lignin-Nanopartikeln aus Lignin enthaltenden Lösungen. Im Hinblick auf applikationsrelevante Gründe spielt die pH-induzierte Partikelfällung dabei eine wichtige Rolle. Es handelt sich um einen vergleichsweise sensitiven Prozess, da die wesentlichen Etappen der Partikelfällung wie Keimbildung, Partikelwachstum sowie Partikelkoagulation gegenseitigen Wechselwirkungen unterworfen sind und in unterschiedlicher Weise durch die pH-Änderungen angesprochen werden. So ist beispielsweise das gezielte Generieren primärer Übersättigung von essenzieller Bedeutung, um unkontrolliertes Agglomerieren möglichst zu unterbinden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass die mittlere Teilchengröße der Ligninpartikel die obere Schranke von 100 nm durchbricht und so laut Definition die segregierte Ligninphase ihr Anrecht auf den Status "Nanopartikel" verwirkt.

Und im Joint Lab OPAT haben Sie sich den Fällungsprozess genauer angeschaut?

Im Joint Lab OPAT haben Fraunhofer IAP und Universität Potsdam - innoFSPEC in einem gemeinsamen Projekt den Einfluss verschiedener Faktoren auf diesen Prozess der Ligninfällung untersucht. Die Methode der Photonendichtewellen(PDW)-Spektroskopie ist dabei die Expertise von Frau Dr. Hartwig.

Frau Dr. Hartwig, können Sie uns die Photonendichtewellen(PDW)-Spektroskopie genauer erklären?

Die PDW-Spektroskopie ist eine faseroptische Messmethode, das heißt, wir verwenden Glasfasern, um Laserlicht von unserem Spektrometer in die zu untersuchende Probe zu leiten. In der Probe kommt es dann zu Wechselwirkungen mit den Partikeln, sodass Teile des Lichts absorbiert und/oder gestreut werden. Das Laserlicht wird nach diesen Interaktionen wieder detektiert und ausgewertet. Als Ergebnis erhält man dann Absorptionskoeffizienten und einen effektiven Streukoeffizienten. Das Besondere an der PDW-Spektroskopie, verglichen mit anderen optischen Messmethoden, ist, dass die Absorptions- und Streueigenschaften völlig unabhängig voneinander erfasst werden. So können zum Beispiel auch Partikel in farbigen Suspensionen charakterisiert werden. Bei der Verwendung herkömmlicher optischer Messmethoden würde das Licht in einer unverdünnten farbigen Probe komplett absorbiert werden, sodass die Partikel nicht mehr charakterisiert werden können. Durch die Entkopplung von Streuung und Absorption mittels PDW-Spektroskopie kann man trotz hoher Absorption noch den effektiven Streukoeffizienten messen, welcher dann Grundlage zur Berechnung der Partikelgröße ist.

Und was genau sind die Vorteile in einem Projekt wie dem vorliegenden?

Genau darin liegt ein Vorteil für die Charakterisierung der Lignin-Fällung. Ausgangsmaterial hierfür sind wässrige, tiefschwarz gefärbte Ligninlösungen. Diese sehr intensive Färbung stellt für viele Messmethoden eine große Herausforderung dar, lässt eine Messung mittels PDW-Spektroskopie aber zu. Weiterhin kann mit der PDW-Spektroskopie der Prozess inline, also in der unverdünnten Probe und direkt im Prozess gemessen werden. Dadurch kann man die Lignin-Fällung in Echtzeit verfolgen und hat die Möglichkeit, rechtzeitig einzugreifen, falls die Partikel zum Beispiel zu groß werden.

Was war das Ergebnis des Projektes?

Dr. Hartwig: Das Ziel der gemeinsamen Forschungsarbeiten, die Teilchengröße während der gesamten Fällung inline zu verfolgen, konnte erreicht werden.

Dr. Engelmann: Mit der PDW-Messung haben wir die Datengrundlage, um den Fällungsprozess günstig zu beeinflussen, und beispielsweise forcierte Partikelkoagulation zu vermeiden. So kann das Biopolymer optimal auf seine spätere Weiterverwendung vorbereitet werden.

Herr Dr. Engelmann, Frau Dr. Hartwig, vielen Dank für das informative Gespräch.

 

Quellenangaben:

[1] Pye, E.K. (2010); "Industrial lignin production and applications" in Kamm, B., Gruber, P.R., Kamm, M.; Biorefineries - Industrial processes and products - Status quo and future directions Volume 2; Kapitel 5; S. 165 - 200; 1. Auflage; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; Weinheim

[2] G. Engelmann, J. Ganster. "Bio-based epoxy resins with low molecular weight kraft lignin and pyrogallol" Holzforschung 2014; 68(4): 435-446

[3] de.wikipedia.org/wiki/Arboform

Portrait von Anne Hartwig

Dr. Anne Hartwig

Wissenschaftliche Mitarbeiterin Technologiecampus

 

Campus Golm
Universität Potsdam
Physikalische Chemie - innoFSPEC
Am Mühlenberg 3
14476 Potsdam