Lignin, ein komplexes organisches Polymer, ist einer der Hauptbestandteile von Holz und sorgt für strukturelle Unterstützung und Steifigkeit, um Bäume stark genug zu machen, um den Elementen standzuhalten. Bei der Umwandlung von Holz in Papier ist Lignin ein wichtiger Bestandteil, der entfernt werden muss und oft zu Abfall wird.
Marcus Foston, außerordentlicher Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, erforscht, wie man Lignin aufwerten kann, indem man es in kleine Moleküle zerlegt, die strukturell sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen ähneln. Diese erneuerbaren Chemikalien sind Schlüsselkomponenten in vielen industriellen Prozessen und Produkten, werden jedoch traditionell aus nicht erneuerbarem Erdöl gewonnen.
Fostons Studie zum Ligninabbau, die in Zusammenarbeit mit Sai Venkatesh Pingali, einem Neutronenstreuungswissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), durchgeführt wurde, war veröffentlicht 17. Januar in ACS Nachhaltige Chemie und Technik.
„Die Struktur von Lignin ähnelt tatsächlich stark der Struktur, die wir aus Erdöl erhalten“, sagte Foston, der auch Direktor des Synthetic Biology Manufacturing of Advanced Materials Research Center (SMARC) der WashU ist. „In aktuellen Herstellungsprozessen verbringen wir viel Zeit damit, Erdöl wie die Elemente von Lignin aussehen zu lassen. Stattdessen verwende ich einen Katalysator, um Lignin leichter abzubauen und so, dass bestimmte Chemikalien entstehen. Sobald wir aus Lignin Chemikalien herstellen können.“ In der von uns gewünschten Form können wir Lignin, ein reichlich vorhandenes Nebenprodukt bei der Zellstoffherstellung zu Papier, effizienter nutzen.“
Mit Mitarbeitern am ORNL untersuchte Foston mithilfe der Neutronenstreuung, wie Lignin während seiner Zerlegung unter Reaktionsbedingungen, einschließlich hoher Temperatur und hohem Druck, mit Lösungsmitteln und Katalysatoren interagiert. Die fortschrittlichen Einrichtungen des ORNL ermöglichten es den Forschern, den Reaktionsprozess in Echtzeit zu beobachten, um ihren Katalysator zu verbessern und die Reaktionssysteme für die Lignin-Depolymerisation weiter zu rationalisieren.
Diese direkte Betrachtung auf molekularer Ebene sei entscheidend, sagte Foston, um herauszufinden, wie sich der Katalysator und das Lignin in Lösung verhalten, und um sicherzustellen, dass das Lignin nicht zu einem Polymer mit Bindungen rekondensiert, die Wissenschaftler nicht leicht aufbrechen können.
„In dieser Studie denken wir speziell darüber nach, wie wir die große Menge an Lignin, die bei der Biokraftstoff- oder Papierproduktion entsteht, nutzen können, um erneuerbare Chemikalien herzustellen, die einige der Chemikalien ersetzen, die wir derzeit aus Erdöl gewinnen“, sagte Foston .
„Im weiteren Sinne könnten die gleichen Depolymerisationsprinzipien, die wir mit Lignin erforschen, in anderen Anwendungen verwendet werden. Die gleichen Lehren aus dieser Studie gelten beispielsweise für Szenarien mit Plastikmüll, bei denen ein Ansatz darin besteht, Plastikmüll in kleine Moleküle zu zerlegen, die es sein könnten.“ zur Herstellung von Kunststoff oder anderen nützlichen Produkten verwendet werden.“
„Letztendlich wollen wir eine Reihe von Chemikalien, die aus Erdöl gewonnen werden, nehmen und herausfinden, wie wir diese erneuerbar herstellen können“, fügte Foston hinzu. „Alles, was wir über Lignin lernen, lässt sich auch auf andere Räume übertragen.“
Mehr Informationen:
Jialiang Zhang et al., Strukturelle Entwicklung von Lignin mittels In-situ-Kleinwinkel-Neutronenstreuung während der katalytischen Zerlegung, ACS Nachhaltige Chemie und Technik (2024). DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06368