Abtrennung von Lignin aus Lignocellulose oberhalb der Glasübergangstemperatur

Lignocellulosehaltige Biomasse wie zum Beispiel Stroh oder Holz kann als erneuerbarer Rohstoff für die Produktion von verschiedenen Chemikalien und Materialien verwendet werden.

Steckbrief

Beteiligte Departemente Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften
Institut(e) Agronomie
Forschungseinheit(en) Pflanzenbau und Biodiversität
Förderorganisation SNF
Laufzeit 01.03.2020 - 31.08.2021
Projektleitung Prof. Dr. Michael Hans-Peter Studer
Projektmitarbeitende Patrice Claude Bühler
Simon Bowald
Prof. Dr. Michael Hans-Peter Studer
Schlüsselwörter Lignin, Lignocellulose, Scherkräfte, hydrothermal, Schmelzen, Fraktionierung

Ausgangslage

Lignocellulosehaltige Biomasse wie zum Beispiel Stroh oder Holz kann als erneuerbarer Rohstoff für die Produktion von verschiedenen Chemikalien und Materialien verwendet werden. In den heutigen Prozessen in einer Bioraffinerie wird hauptsächlich die Kohlenhydratfraktion der Lignocellulose in höherwertige Produkte umgewandelt, während das übrigbleibende Lignin verbrannt wird und somit kaum zur Wertschöpfung beiträgt. Eine stoffliche Nutzung des Lignins in Form z.B. von aromatischen Chemikalien, würde die Nachhaltigkeit und die Wirtschaftlichkeit einer solchen Bioraffinerie verbessern. Dieser Schritt wird erheblich erleichtert, wenn sauberes und reaktives Lignin bereits vor der Umwandlung der Kohlenhydrate aus der Biomasse isoliert werden könnte. Im Rahmen dieses Projektes soll eine Technologie zur Abtrennung der Ligninfraktion aus Holz entwickelt werden. Die Technologie beruht auf der bekannten Eigenschaft von Lignin, bei erhöhten Temperaturen von einem festen in einen zähflüssigen, viskosen Zustand überzugehen. Durch die Anlegung von Scherkräften bei solch erhöhten Temperaturen wird versucht, das Lignin thermomechanisch abzutrennen Die Erkenntnisse aus diesem Projekt ermöglichen ein besseres Verständnis und langfristig auch die umfassendere Nutzung von Lignocellulose als Rohstoff in der chemischen Industrie und tragen somit zu der Etablierung einer nachhaltigen und klimaschonenden Kreislaufwirtschaft bei.

Vorgehen

Das Projekt ist in drei Arbeitspakete (WPs) aufgeteilt. In WP1 wird eine beheizbare Zentrifuge mit entsprechenden Zentrifugenvials entworfen und gebaut. Dabei sollen Temperaturen bis 230°C und Drücke bis 32bar erreicht werden können. In WP2 und 3 werden Holzproben, z.B. Buche Fagus sylvatica, bei verschiedenen g-Kräften und verschiedenen Temperaturen sowie Wassergehalten und Partikelgrössen zentrifugiert, um das Lignin abzutrennen. In WP4 wird das abgetrennte Lignin wie auch die zurückbleibende Holzstruktur visuell unter dem Mikroskop untersucht. Neben der Zusammensetzung und den chemischen Eigenschaften der abgetrennten Ligninfraktion wird auch untersucht, ob die verbleibende polymere Kohlenhydratfraktion mittels Enzymen effizient zu löslichen Zuckern hydrolysiert werden kann.