Ein umweltfreundliches Verfahren zur Gewinnung von Vanillin aus technischem Lignin, das aus Zellstoff hergestellt wird

Bei der Zellstoffherstellung entstehen große Mengen an technischem Lignin oder Kraft-Lignin. Dieses Lignin ist schwer zu verarbeiten und wird daher meist nur zur Wärmeerzeugung verbrannt. Ein Forscherteam, das in der Zeitschrift berichtet Angewandte Chemie, ist es nun gelungen, aus diesem Rohstoff ein umweltfreundliches Verfahren zur Gewinnung des Aromastoffs Vanillin zu entwickeln. Die bei diesem Verfahren verwendeten Materialien werden alle aus Papierherstellungsprozessen recycelt, und es müssen nur Strom und Wärme hinzugefügt werden.

Lignin und Zellulose sind wesentliche Bestandteile von Holz. Die molekulare Struktur von Lignin enthält die Struktur von Vanillin, dem Hauptaromastoff aus der Vanillepflanze, sodass Vanillin aus Lignin hergestellt werden kann, obwohl das Verfahren umständlich ist. Derzeit wird Lignosulfonat, ein Stoff, der auch bei einigen Papierherstellungsverfahren entsteht, für die industrielle Herstellung von Vanillin verwendet.

Um Papier aus Holzfasern herzustellen, muss alles Lignin entfernt werden, sonst nimmt das Papier die braune Farbe des Lignins an. Das Abfallprodukt des am häufigsten verwendeten Aufschlussverfahrens für die industrielle Papierherstellung, dem Kraft-Verfahren, ist jedoch kein Ligninsulfonat, sondern ein technisches Lignin, das als Kraft-Lignin bezeichnet wird. Kraft-Lignin ist viel schwerer zu oxidieren und zu depolymerisieren als andere Lignine und kann daher derzeit nicht als Rohstoff verwendet werden. Stattdessen wird es einfach als Brennstoff für die Papierherstellung verbrannt.

Siegfried Waldvogel und ein Forscherteam der Universität Mainz haben nun ein Verfahren zur Herstellung von Vanillin aus Kraft-Lignin entdeckt. Sie sagen, dass das Verfahren umweltfreundlich ist, da es keine schädlichen Chemikalien verwendet, und es ist bequem, da es die in der Zellstoffproduktion vorhandenen Rohstoffe verwendet. Ein Schlüsselschritt bei diesem neuen Verfahren ist die Herstellung des Oxidationsmittels durch Elektrolyse von Natriumcarbonat.

„Die Idee entstand vor vielen Jahren beim Herumspielen mit neuartigen Elektrodenmaterialien, die es ermöglichen, einfache Karbonate zu nehmen und daraus einen Oxidator herzustellen“, erklärt Waldvogel. Eines dieser Elektrodenmaterialien war Bor-dotierter Diamant, und die Forscher beobachteten, dass bei der Durchführung der Elektrolyse unter Verwendung dieses Elektrodenmaterials das Natriumcarbonat leicht zu Peroxodicarbonat oxidiert wurde. Das Team fand dann heraus, dass dieses Oxidationsmittel stark genug war, um hartnäckiges Kraft-Lignin abzubauen.

Das Team berichtet, dass das frisch hergestellte Peroxodicarbonat Kraft-Lignin mit ähnlicher Wirksamkeit wie herkömmliche Methoden depolymerisiert und oxidiert. Abweichend von diesen konventionellen Verfahren werden dabei jedoch keine umweltschädlichen Chemikalien verwendet oder produziert.

Der Bedarf an Vanillin ist groß: „Die meisten kennen es nur vom Vanillearoma, aber es ist auch in den meisten Schokoladen und Parfums enthalten“, erklärt Waldvogel. Vanillin ist auch ein Ausgangsstoff für Arzneimittel. All diese Verwendungen führen dazu, dass jedes Jahr rund zwanzigtausend Tonnen Vanillin benötigt werden, und die Vanillepflanze allein kann diesen Bedarf nicht decken.

Bisher war es nicht möglich, Kraft-Lignin bedarfsgerecht zu verwerten, aber erste Schritte werden gemacht. Waldvogel und das Team arbeiten bereits an einer Pilotanlage, um das Scale-up zu testen.