Hydrothermale und solvolytische Spaltung von Lignin

Beim Holzaufschluss für die Zellstofferzeugung fallen jährlich 70 Mio t Lignin in verschieden modifizierter Form in Ablaugen an. Die Festsubstanz dieser Ablaugen besteht zu einem Drittel bis zur Hälfte aus Ligninbestandteilen. Der übrige Anteil besteht aus Holzinhaltsstoffen, Kohlenhydraten oder ihren Abbauprodukten sowie Aufschluss-   chemikalien, die vorzugsweise nach der Verbrennung der organischen Bestandteile zurückgewonnen werden. Lignin ist ein natürliches, dreidimensional verzweigtes Makromolekül, das über Keto- und Etherbindungen verbundene Phenyl-propylderivate aufweist. Daher kann Lignin, im Gegensatz zu Zellulose und Hemizellulose, auf Grund seiner chemischen Struktur als Aromatenquelle fungieren. Darüber hinaus fällt Lignin durch die Zellstoffgewinnung in großen Mengen an.

In der Regel führen die Abbau- oder Umwandlungsreaktionen des Lignins über monophenolische Verbindungen, die wie Catechol und Phenol als Basischemikalien interessant sind. Eine Herausforderung bei der Gewinnung sind die bislang niedrigen Ausbeuten. Für deren Verbesserung ist es besonders wichtig die Reaktionswege ihrer Bildung und ihrer Folgereaktionen zu verstehen. Vor diesem Hintergrund wurden Reaktionsmodelle für die Umsetzung von Lignin in Wasser sowie Ethanol im nahekritischen Bereich unter besonderer Berücksichtigung monophenolischer Verbindungen aufgestellt. Die beiden Modelle zeigen viele Parallelen, einige lösungsmittelspezifische Reaktionen wurden angepasst. Sie beschreiben die Umsetzung von Lignin bei verschiedenen Temperaturen sowie in verschiedenen Reaktoren bezüglich Reaktionsvolumen sowie Betriebsweise. Ein Vergleich der Sensitivitätsanalysen zeigt, dass die Phenolbildung in Wasser bevorzugt über Methoxyphenole läuft, während in Ethanol der Reaktionsweg über Oligomere bevorzugt wird. Die entwickelten Modelle wurden in unterschiedlichen Reaktoren (Batchreaktor, kontinuierliches Strömungsrohr und kontinuierlicher Rührkessel) mit Reaktionsvolumen von 10 ml bis 350 ml validiert.

Ziel der Arbeiten ist ein Werkzeug zu entwickeln, das Vorhersagen zu möglichen Verfahrenskonzepten machen kann, und darauf aufbauend ein Verfahren zur Gewinnung von Plattformchemikalien wie Catechol und Phenol aus Lignin zu entwickeln.

Weiterführende Literatur 

• Gasson, J.R.; Forchheim, D.; Sutter, T.; Hornung, U.; Kruse, A.; Barth, T.;
  Modeling the lignin degradation kinetics in an ethanol / formic acid solvolysis approach - Part I: Kinetic model development,
  Ind. Eng. Chem. Res., 51(2012)10595-10606, DOI:10.1021/ie301487v.
• Forchheim, D.; Gasson, J.R.; Hornung, U.; Kruse, A.; Barth, T.;
  Modeling the lignin degradation kinetics in an ethanol / formic acid solvolysis approach - Part II: Validation and transfer to variable conditions,
  Ind. Eng. Chem. Res., 51(2012) 15053-15063, DOI:10.1021/ie3026407.
• Forchheim, D.; Hornung, U.; Kempe, P.; Kruse, A.; Steinbach, D.:
  Influence of RANEY-Nickel on the formation of intermediates in the degradation of lignin,
  International Journal of Chemical Engineering, 2012, doi:10.1155/2012/589749.
• Forchheim, D.; Hornung,U; Kruse,A.; Sutter, T.;
  Kinetic modelling of hydrothermal lignin depolymerisation, Waste and Biomass Valorization,
  submitted.