Lignin ist in Holz, Stroh und vielen anderen Pflanzenresten reichlich vorhanden. Für Bioraffinerien bleibt der aromatische Pflanzenstoff jedoch schwierig: Beim Aufschluss entstehen oft komplexe Gemische, aus denen einzelne Moleküle nur aufwendig zu gewinnen sind. Forschende der Universität Alicante, der Polytechnischen Universität Valencia, des VTT Technical Research Centre of Finland und der Universität Salzburg haben nun einen anderen Weg vorgestellt. In Nature Communications beschreiben sie einen Photoreaktor, der Lignin unter UV-Licht gezielt fragmentiert und dabei Vanillin sowie Restfragmente für biobasierte Kunststoffe liefert.

Licht trifft auf Lignin

m Zentrum steht ein lichtempfindlicher Katalysator. Er nimmt die Energie des UV-Lichts auf und überträgt sie auf das Lignin. Dadurch werden vor allem bestimmte Verknüpfungen im Pflanzenpolymer gelöst, die sogenannten β-O-4-Bindungen. Sie kommen im Lignin besonders häufig vor und sind deshalb ein wichtiger Ansatzpunkt, um daraus kleinere aromatische Moleküle wie Vanillin zu gewinnen. In den Versuchen war der Katalysator auf Siliciumdioxid-Partikeln befestigt und wurde in einen Durchflussreaktor eingebracht.

Mit Organosolv-Lignin aus Kiefer erreichte das Team eine Vanillin-Ausbeute von 7,1 Gewichtsprozent. Den Angaben zufolge entsprach das etwa 94 % der extrahierbaren aromatischen Monomere. In einem größeren Laboransatz wurden 20 g Lignin in den Reaktor gegeben. Nach 48 Stunden isolierten die Forschenden 1,2 g Vanillin mit einer Reinheit von mehr als 99 %. Für eine technische Anwendung ist die Aufarbeitung allerdings weiter ein wichtiger Punkt: Die Studie nutzte zur Reinigung unter anderem Hochleistungsflüssigchromatographie, nennt aber auch Kristallisation und Sublimation als besser skalierbare Alternativen.

Restfraktion als Materialzusatz

Der Ansatz endet nicht beim Aromastoff. Die nach der Vanillin-Gewinnung verbleibenden Lignin-Oligomere wurden ebenfalls weiterverarbeitet. Dazu veresterte das Team die Fragmente mit Fettsäuren und mischte sie in Polymilchsäure, kurz PLA. PLA ist ein biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoff, der unter anderem für Verpackungen und 3D-Druck interessant ist, aber je nach Anwendung zu spröde sein kann.

In den Materialtests wirkten die ligninbasierten Zusätze als Weichmacher. Besonders die mit Ölsäure behandelten Oligomere senkten die Glasübergangstemperatur und erhöhten die Dehnung beim Bruch deutlich. Die Forschenden konnten das Material zu Filamenten verarbeiten und im 3D-Druck einsetzen. Als Demonstrator entstand unter anderem eine braune Handyhülle. Zudem zeigte das Biokomposit einen Formgedächtnis-Effekt: Nach Verformung konnte es durch Wärme wieder in seine Ausgangsform zurückkehren.

Noch ist das Verfahren ein Laborprozess. Die Ergebnisse zeigen aber, wie sich Lignin nicht nur in einzelne Aromastoffe zerlegen lässt, sondern wie auch die verbleibende Fraktion stofflich genutzt werden kann. Für Bioraffinerien wäre genau diese breitere Nutzung relevant, weil Lignin bislang häufig energetisch verwertet wird und seine chemische Vielfalt eine hochwertige Nutzung erschwert.

ag