Lignin-Abtrennungsmethode könnte erneuerbares Material rentabel machen

RICHLAND, Washington – Eine neuartige Methode zur Ligninextraktion könnte dabei helfen, Weizenstroh zu Gold zu spinnen. Mit der neuen Methode hergestelltes Lignin war farbneutral, geruchlos und homogen, ein Fortschritt, der dieses klimaneutrale Material zu einem brauchbareren Kandidaten für die Entwicklung hochwertiger Produkte machen könnte.

Wie die Forscher der Washington State University in den Proceedings of the National Academy of Sciences berichten, extrahierten sie bis zu 93 % Lignin mit einer Reinheit von bis zu 98 % aus Weizenstroh und produzierten so auf einheitliche Weise eine beträchtliche Menge an Material, das es für die Industrie attraktiver machen könnte verwenden.

„Diese Methode ermöglicht es uns, Lignin in seiner nativen Form und mit hoher Ausbeute aus Pflanzenmaterial zu extrahieren“, sagte Xiao Zhang, Professorin an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering der WSU, die die Arbeit leitete. „Wir konnten der Industrie zeigen, dass es möglich ist, farbneutrales und geruchloses Lignin herzustellen, und wir können eine ganze Menge des Materials herstellen, um mit der Bewertung seiner Anwendungen zu beginnen.“

Lignin ist die zweithäufigste erneuerbare Kohlenstoffquelle und macht etwa 30 % des auf nicht fossilen Brennstoffen basierenden Kohlenstoffs auf der Erde aus. Es kommt in allen Gefäßpflanzen vor, wo es Zellwände bildet und den Pflanzen Festigkeit verleiht. Lignin sorgt für den Halt von Bäumen, verleiht Gemüse seine Festigkeit und macht etwa 20–35 % des Holzgewichts aus. Das Material ist ein vielversprechender Vorläufer für biobasierte Materialien und Kraftstoffe, aber es ist auch bekanntermaßen schwierig aus Pflanzen zu extrahieren.

Das Material wird normalerweise bei der Papierherstellung und Bioraffinierung abgetrennt, aber diese Prozesse verunreinigen häufig die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Lignin und verändern es erheblich, wodurch sein Wert gemindert wird. Daher wird das meiste Lignin entweder verbrannt, um Treibstoff und Strom zu erzeugen, oder in minderwertigen Produkten verwendet, etwa für Zementzusätze oder als Bindemittel in Tierfutter. Die Herstellung eines homogeneren Lignins bietet die Möglichkeit, die Entwicklung hochwertiger Materialien voranzutreiben, um aus Erdöl gewonnene Kunststoffe und Polymere zu ersetzen.

„Aufgrund seiner Heterogenität kann Lignin trotz jahrhundertelanger Bemühungen nicht als wertvolles Material verwendet werden“, sagte Zhang, der eine gemeinsame Stelle mit dem Pacific Northwest National Laboratory innehat. „Das Sprichwort lautete: ‚Aus Lignin kann man alles machen, außer Geld.‘ Es gibt so viel Heterogenität in den Molekülen, dass niemand zuverlässig etwas daraus machen kann.“

Bei ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein Lösungsmittel, um das Lignin aus Weizenstroh zu trennen, und konnten seine Schlüsseleigenschaften bewahren und kontrollieren, wodurch ein einheitlicheres Molekül mit einem konsistenten Molekulargewicht entstand, das es für die Industrie nützlicher macht. Das extrahierte Lignin hatte eine helle Farbe, die eher dem in der Natur vorkommenden Lignin ähnelt.

Da es sich um eine elektronenreiche Verbindung handelt, hatte das Lignin eine starke Affinität zum Lösungsmittel, und die Elektronenwechselwirkungen ermöglichten es den Forschern, es mit minimalen chemischen Reaktionen zu extrahieren, wodurch seine natürliche Molekülstruktur geschützt wurde, die bei chemischen Trennungen so oft leicht beschädigt wird.

Das Office of Commercialization der WSU hat ein vorläufiges Patent angemeldet und wird die Forscher bei der Ausweitung und eventuellen Kommerzialisierung dieser Technologie unterstützen. Um es für Industrieanwendungen praktikabler zu machen, arbeitet das Forschungsteam daran, die lange Verarbeitungszeit und die Menge der benötigten Reinigungschemikalien zu verringern. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Edoardo Apra, einem Informatiker von PNNL, und Professor Art Ragauskas von der University of Tennessee, Knoxville, durchgeführt. Es wurde von der National Science Foundation und dem National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums sowie dem Commercialization Gap Fund der WSU unterstützt.