Lignin ist eines der am häufigsten vorkommenden organischen Polymere auf der Erde und macht etwa 20 bis 30 % der Trockenmasse von Holz und anderen Pflanzen aus.
Trotz dieser Fülle stellt die komplexe Struktur von Lignin die Forscher vor die Herausforderung, es in nützliche Komponenten zu zerlegen, die für die nachhaltige Produktion von Chemikalien, Kunststoffen und Kraftstoffen verwendet werden können. Daher wird Lignin bei der Herstellung von Papier und anderen pflanzlichen Produkten häufig als Abfall entsorgt.
Forscher am Georgia Institute of Technology haben jedoch einen Ansatz entwickelt, der Lignin effizienter als je zuvor in wertvolle Chemikalien umwandeln könnte.
Die Forscher verwendeten eine als Mechanokatalyse bekannte Methode, bei der physikalische Kräfte wie Vibration oder Rotation in einer Kugelmühle genutzt werden, um chemische Reaktionen anzutreiben, ohne dass Lösungsmittel, Hitze oder hoher Druck erforderlich sind. Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch ACS Nachhaltige Chemie und Ingenieurwesen.
Carsten Sievers, Professor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering der Georgia Tech, erklärte, dass der erste Schritt in einer Lignin-Bioraffinerie die Depolymerisation sei, bei der Lignin in kleine Moleküle zerlegt werde.
„Leider erfordern viele Depolymerisationsprozesse den Einsatz von Lösungsmitteln, und die Trennung der Produkte von Lösungsmitteln, Katalysatoren und Verunreinigungen kann kompliziert und energieintensiv sein und Abfall hinterlassen“, sagte Sievers.
„Eine Möglichkeit, die Notwendigkeit dieser Trennschritte zu reduzieren, besteht darin, die Lignin-Depolymerisation in einer Kugelmühle durchzuführen, wo durch die Kollision mit Stahlkugeln Umgebungen entstehen, die Festkörperreaktionen ermöglichen, ohne dass Lösungsmittel oder flüssige Phasen erforderlich sind.“
Verwendung von Palladium im Prozess
Die Doktorandin Erin Phillips (Chemie), die von den Professoren Sievers und Marta Hatzell gemeinsam beraten wird, setzte Palladiumkatalysatoren ein, um die harten Bindungen von Lignin aufzubrechen. Palladiumpartikel haben die besondere Fähigkeit, Wasserstoff zu speichern, wodurch die chemischen Reaktionen effizienter werden.
Die Forscher arbeiteten mit Eli Stavitski am Brookhaven National Laboratory zusammen, um mithilfe hochenergetischer Synchrotron-Röntgenstrahlen die Hypothese zu validieren, dass diese Art der Bindung von Wasserstoff verhindert, dass er die Aufprallstelle der Mahlkugel verlässt.
Sie fanden heraus, dass ihre Palladiumkatalysatoren unter den gleichen Reaktionsbedingungen die Bindungen von Lignin-Modellverbindungen bis zu 300-mal schneller aufbrechen können als Katalysatoren auf Nickelbasis.
„Diese bemerkenswerte Effizienzsteigerung bedeutet, dass das Verfahren in kürzerer Zeit mehr Phenol und andere wertvolle Chemikalien produzieren kann, was es zu einem vielversprechenden Ansatz für die Umwandlung von Biomasse in großem Maßstab macht“, sagte Phillips.
Sievers‘ Gruppe hatte zuvor gezeigt, dass Ligninverbindungen mit Wasserstoff und einem Nickelkatalysator in einer Reaktion namens Hydrogenololyse umgewandelt werden können. Aber die für diese Reaktion benötigte Zeit ließe Raum für Verbesserungen, fügte Hatzell hinzu.
Die Forscher sagten, ihr neuer Ansatz könnte den Weg für neue Technologien ebnen, um das ungenutzte Potenzial von Lignin und anderen Biomasseressourcen zu nutzen, während die Industrie nach nachhaltigeren und effizienteren Methoden für die chemische Produktion sucht.
Weitere Informationen:
Erin V. Phillips et al., Mechanokatalytische Hydrogenolyse des Ligninmodell-Dimerbenzylphenylethers über unterstützten Palladiumkatalysatoren, ACS Nachhaltige Chemie und Technik (2024). DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c03590