![\"\"](\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2023\/02\/fraunhofer-cbp-bioraffinerie-lignin.jpg\")
Reststoff der Gegenwart, Rohstoff der Zukunft<\/h3>\n\n\n\n
Lignin ist eines der in der Natur am h\u00e4ufigsten vorkommenden Biopolymere und bildet die gr\u00f6\u00dfte nachwachsende Quelle aromatischer Bausteine. Es gibt nicht das eine Lignin, stattdessen handelt es sich dabei um eine Gruppe von komplexen Molek\u00fclen. Im Verbund mit Cellulose und Hemicellulose bildet Lignin Holz, beziehungsweise verholzte Biomasse (Lignocellulose). Diese umfasst nicht nur das Holz von B\u00e4umen und Str\u00e4uchern, sondern zum Beispiel auch die Halme von Gr\u00e4sern und Getreide.<\/p>\n\n\n\n
Cellulose und Hemicellulose bilden dabei das Ger\u00fcst der pflanzlichen Zellw\u00e4nde, in die sich wiederum das Lignin einlagert und so f\u00fcr Festigkeit und Stabilit\u00e4t sorgt. In Forst- und Landwirtschaft sowie nachgelagerten Bereichen f\u00e4llt Lignocellulose schon seit langer Zeit in gro\u00dfen Mengen an und wurde vor allem als Brenn- und Baustoff verwendet. Mit der Industrialisierung der Papierherstellung fiel Lignin erstmals von Cellulose und Hemicellulose getrennt und in gr\u00f6\u00dferen Mengen als Reststoff an, da es dort als st\u00f6rende Komponente von den restlichen Fasern getrennt wird. Bisher wird das Lignin vor allem thermisch endverwertet und dient damit als Energiequelle f\u00fcr das eigentliche Produktionsverfahren. Manche stofflichen Nutzungen, wie z.B. die chemische Synthese von Aromen, wurden in den letzten Jahren wieder zur\u00fcckgefahren, da dabei problematische Abf\u00e4lle entstehen.<\/p>\n\n\n\n
![\"Der](\"https:\/\/biooekonomie.de\/sites\/default\/files\/2023-01\/Lignin_Abb1_NEU.jpg\")
Seit einiger Zeit werden modernere Verfahren entwickelt, um Lignin stofflich und nachhaltiger zu nutzen und weiterzuverarbeiten: entweder als das nat\u00fcrlicherweise vorkommende bzw. in der Papierherstellung anfallende, heterogene Gemisch oder durch neue Verfahren aufgereinigt, um auch f\u00fcr speziellere Anwendungen genutzt werden zu k\u00f6nnen. In diesem Text werden Forschungsans\u00e4tze und einige der Technologien zur Gewinnung, Aufbereitung und Nutzung beispielhaft vorgestellt.<\/p>\n\n\n\n
Molek\u00fcle knacken, um Potenzial zu entfalten: Die Gewinnung von Lignin<\/h3>\n\n\n\n
Auch in biotechnologischen Ans\u00e4tzen, bei denen verholzte Biomasse als Ausgangsstoff dient, werden bisher meist die Cellulose und die Hemicellulose f\u00fcr weitere Schritte aufgereinigt und verwendet. Lignin wird in den meisten F\u00e4llen noch immer als Reststoff behandelt und thermisch verwertet.<\/p>\n\n\n\n
Auch in Lignocellulose-Bioraffinerien wird verholzte Biomasse in ihre drei Grundbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin getrennt. Lignin ist sehr stabil und nicht nur ein einziges Molek\u00fcl, sondern ein biochemisches Gemisch. Die Aufreinigung ist mit einigem Aufwand verbunden. Eine M\u00f6glichkeit ist es deshalb, Lignin-Gemische nach der Trennung in ihrer rohen Form direkt zu verarbeiten und zu nutzen (im n\u00e4chsten Abschnitt sind einige Beispiele aufgef\u00fchrt).<\/p>\n\n\n\n
![\"Die](\"https:\/\/biooekonomie.de\/sites\/default\/files\/2023-01\/Lignin_Abb2_NEU.jpg\")
Innovative Ans\u00e4tze in der Bio\u00f6konomie-Forschung zielen jedoch auf eine stoffliche Nutzung dieses komplexen Molek\u00fcls ab. Viele dieser Anwendungen sind auf m\u00f6glichst reines Lignin angewiesen, um effizient und kosteng\u00fcnstig zu sein. Zum Beispiel enth\u00e4lt Lignin, das in Zellstoffwerken als Rest anf\u00e4llt, Schwefelverbindungen, das f\u00fcr viele weiterverarbeitende Schritte problematisch ist. In verschiedenen Forschungsans\u00e4tzen wird deshalb daran gearbeitet, solch reines Lignin zur Verf\u00fcgung zu stellen. Am Fraunhofer CBP wird das Lignin hierf\u00fcr beispielsweise in einem speziellen Verfahren in besonders reiner Form gewonnen. Dabei wird mithilfe eines erh\u00f6hten Drucks, erh\u00f6hter Temperatur sowie mit Wasser und Ethanol das Lignin von Cellulose und Hemicellulose getrennt (Organosolv-Verfahren; mehr zu dieser Art der Aufbereitung verholzter Biomasse findet sich im zweiten Kapitel der Multimedia-Story \u201cEntdeckungstour durch eine Bioraffinerie<\/a>\u201d).<\/p>\n\n\n\n Das brandenburgische Start-up LXP Teltow<\/a> l\u00f6st mit einem relativ sanften Verfahren Lignin von Cellulose und Hemicellulose und erreicht dadurch schwefelfreies Lignin mit 90%iger Reinheit. Forschende im europ\u00e4ischen Projekt SElectiveLi<\/a> haben es sich hingegen zum Ziel gesetzt, Lignin unter Verwendung eines elektrochemischen Verfahrens in Aldehyde aufzureinigen. Hierzu sollen \u00dcbersch\u00fcsse aus der Erzeugung regenerativer Energie genutzt werden, um das Verfahren wirtschaftlich und nachhaltig zu machen. In einem weiteren EU-Projekt namens Sweetwoods<\/a> haben sich neun europ\u00e4ische Firmen zusammengeschlossen, um in Estland eine Bioraffinerie zu bauen, die aus verholzter Biomasse ebenfalls hochreines Lignin herstellen soll. Audio von Dr. Christine Rasche, Fraunhofer CBP \u00fcber die Trennung und Aufreinigung von Lignin aus verholzter Biomasse aus unserer Multimedia-Story \u00fcber Bioraffinerien<\/a>.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Lignin in der Form, wie es nach einer klassischen chemischen Trennung von Cellulose und Hemicellulose anf\u00e4llt, kann nicht geschmolzen oder geformt werden, hat eine br\u00e4unliche Farbe und ist nicht geruchsneutral. Trotz dieser Nachteile kommt eine Reihe von biobasierten Anwendungen dieses biologischen Reststoffes in Frage, unter anderem:<\/p>\n\n\n\n Durch innovative Weiterverarbeitung kann aus rohem Lignin eine formbare Substanz hergestellt werden. Es kann zum Beispiel unter Elektronenbestrahlung zu einem Komposit mit Biokunststoff verbunden und dann per Extrusion verformt werden. So k\u00f6nnen Materialien aus Lignin hergestellt werden<\/a>. Eine andere Methode wendet das Unternehmen Tecnaro<\/a> an (siehe hierzu auch dieses Interview mit J\u00fcrgen Pfizer)<\/a>, bei der Lignin mit weiteren biologischen Polymeren und Harzen vermengt wird. Hieraus lassen sich zahlreiche Produkte aus Erd\u00f6l substituieren, zum Beispiel auch herk\u00f6mmliches Plastik.<\/p>\n\n\n\n Andere Prozesse basieren auf aufbereitetem, reinem Lignin. Dabei wird das komplexe Biopolymer als Plattform f\u00fcr eine Vielzahl neuer, biobasierter Chemikalien genutzt, die wiederum ihrerseits Plattformchemikalien f\u00fcr eine Vielzahl von speziellen Anwendungen darstellen.<\/p>\n\n\n\n Zum Beispiel kann \u00fcber eine elektrochemische Synthese Vanillin aus Lignin gewonnen werden (kommt hierbei Energie aus regenerativen Quellen zum Einsatz, spricht man auch von \u201cGr\u00fcner Chemie<\/a>\u201d). Aktuell werden \u00fcber 90% des weltweit verwendeten Vanillins synthetisch hergestellt, also nicht aus Vanilleschoten. Das meiste davon inzwischen petrochemisch, also aus fossilen Ausgangsstoffen. Bereits seit einigen Jahrzehnten wird Vanillin auch chemisch aus Lignin synthetisiert, das in der Papierherstellung als Reststoff anf\u00e4llt. Allerdings fallen beim herk\u00f6mmlichen Verfahren giftige Abf\u00e4lle an, weshalb die Produktion gr\u00f6\u00dftenteils zur\u00fcckgefahren und durch eine erd\u00f6lbasierte ersetzt wurde. Neuere Verfahren, die sich zum Beispiel der Elektrolyse <\/a>bedienen, sollen eine unproblematische Gewinnung aus Lignin erm\u00f6glichen. Allerdings darf das so gewonnene Lignin, anders als biotechnologisch produziertes, bisher nicht als \u201cnat\u00fcrliches\u201d Aroma bezeichnet werden.<\/p>\n\n\n\n Lignin kann auch zur Energiespeicherung verwendet werden, in \u201eBatterien aus Holz\u201c. Dazu werden aus dem Lignin sogenannte Chinone gewonnen, die dann als Elektrolyt in Batterien dienen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n Auch Carbonfasern werden heute noch haupts\u00e4chlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt. Doch statt aus erd\u00f6lbasierten Grundchemikalien kann auch Lignin mit seinem hohen Carbongehalt als hervorragendes Ausgangsmaterial dienen und somit Erd\u00f6l ersetzen.<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr den Abbau des sehr stabilen Molek\u00fcls Lignin sind Mikroorganismen pr\u00e4destiniert, besonders Pilze und Bakterien, die in der Natur Holz zersetzen. Ihre Enzyme sind auf die Spaltung der komplexen Struktur spezialisiert und k\u00f6nnen deshalb in biotechnologischen Anwendungen hochenergetische, konventionelle Prozesse ersetzen.<\/p>\n\n\n\n Die Enzyme (sogenannte ligninolytische Enzyme) werden erforscht und dann mithilfe genetischer Methoden in gr\u00f6\u00dferen Mengen produziert. Andere spezialisierte Enzyme k\u00f6nnen wiederum die Bausteine des Lignins biochemisch modifizieren und so den Grundstein f\u00fcr die Entwicklung neuer Produkte legen. Hieran wird unter anderem in der Gruppe von Dr.-Ing. Susanne Zibek am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB geforscht.<\/a><\/p>\n\n\n\n \u201eLignin ist ein komplexes Molek\u00fcl, dessen Potenzial wir dank Extraktionsmethoden, chemischer und enzymatischer Umwandlungsprozesse f\u00fcr die Bio\u00f6konomie nutzbar machen k\u00f6nnen.\u201dDr.-Ing. Susanne Zibek, Gruppenleiterin Bioprozessentwicklung, Industrielle Biotechnologie am Fraunhofer IGB.<\/p>\n\n\n\n Eine m\u00f6gliche Modifikation der Ligninbausteine ist die Fermentation zu cis,cis-<\/em>Mukons\u00e4ure mit Hilfe mikrobieller Zellfabriken. Das Molek\u00fcl ist eine sogenannte Plattformchemikalie und erm\u00f6glicht Zugang zu bedeutenden Industriechemikalien, die in gro\u00dfen Mengen in der pharmazeutischen Industrie, f\u00fcr die Herstellung von Kunststoffen und Agrochemikalien ben\u00f6tigt werden und bisher s\u00e4mtlich in energieintensiven Prozessen aus fossilen Rohstoffen produziert werden.<\/p>\n\n\n\n Mithilfe verschiedener Mikroorganismen wie Corynebacterium glutamicum<\/em> oder Pseudomonas putida<\/em> wandelt die Arbeitsgruppe von Christoph Wittmann Lignin-basierte Aromaten effizient in cis,cis<\/em>-Mukons\u00e4ure um. Dabei k\u00f6nnen die mittels Metabolic Engineering<\/em> optimierten Bakterienst\u00e4mme komplexe Mischungen von Aromaten verarbeiten sowie auch industrielle Hydrolysate und Pyrolysate von Lignin. Aus der aufgereinigten cis,cis<\/em>-Mukons\u00e4ure wird durch das Team an der Universit\u00e4t des Saarlandes mittels Chemie inzwischen biobasierte Adipins\u00e4ure und biobasiertes Nylon synthetisiert<\/a>.<\/p>\n\n\n\n Und auch weitere relevante Stoffe kann die Forschungsgruppe bereits aus Lignin herstellen, zum Beispiel den wichtigen, bisher rein petrochemisch erzeugten Kunststoff PET und PHA, ein abbaubares Biopolymer. Durch die innovative Kopplung chemischer und biologischer Schritte kann auf diese Weise erstmals die komplette Wertsch\u00f6pfungskette von Lignin bis zu fertigen Industriechemikalien demonstriert werden.<\/p>\n\n\n\n \u00d6koeffizienzanalysen bewerten diese neuen Verfahren als umweltschonend und \u00f6konomisch attraktiv. Mehr Informationen finden sich auf der Webseite der Arbeitsgruppe<\/a>.<\/p>\n\n\n\n \u201eDas wertvolle Biomolek\u00fcl Lignin ist zum Verbrennen viel zu schade. F\u00fcr die Bio\u00f6konomie ist es hingegen wie geschaffen. Dank biotechnologischer Verfahren und ma\u00dfgeschneiderter Zellfabriken k\u00f6nnen wir daraus eine Vielzahl interessanter und sogar ganz neuer biobasierter Produkte entwickeln. Die neuen Routen sind dabei viel nachhaltiger und rechnen sich zudem auch \u00f6konomisch.” – Prof. Dr. Christoph Wittmann, Institut f\u00fcr Systembiotechnologie, Universit\u00e4t des Saarlandes.<\/p>\n\n\n\n Die Prozesse, bei denen mithilfe von Mikroorganismen beziehungsweise deren Enzymen Lignin abgebaut und umgewandelt wird, m\u00fcssen weiter verbessert werden, um marktf\u00e4hige Produkte daraus gewinnen zu k\u00f6nnen. Prof. Volker Sieber entwickelt mit seiner Forschungsgruppe an der TU M\u00fcnchen nicht nur spezielle Enzyme, die Lignin besser aufspalten und aus den Bausteinen neue Produkte synthetisieren k\u00f6nnen, sondern arbeitet auch an der Optimierung von Verfahren zur besseren Nutzung von Lignocellulose.<\/p>\n\n\n\n Ein Beispiel hierf\u00fcr ist die sogenannte konvergierende Konversion, bei der passgenaue Teams von Enzymen zusammen- und hintereinandergeschaltet werden, um Ausgangsstoffe von heterogener Zusammensetzung effektiv in gew\u00fcnschte Plattformchemikalien umzuwandeln (in diesem Video wird das Verfahren erkl\u00e4rt: Express \u2013 Folge 25 \u2013 Nachhaltige Bioraffinerien<\/a>).<\/p>\n\n\n\n \u201eGerade bei der Umwandlung von Lignin entsteht ein riesiger Blumenstrau\u00df an Molek\u00fclen, die schwer voneinander zu trennen sind. Daher sind Verfahren wichtig, die Lignin in eine kleine Anzahl von \u00e4hnlichen und miteinander in eine Anwendung zu bringenden Produkten aufspalten.\u201cProf. Dr. Volker Sieber, Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen.<\/p>\n\n\n\n Am Beispiel der Nutzung von Lignin wird eine der gro\u00dfen St\u00e4rken der Bio\u00f6konomie deutlich: Energieaufwendige und auf fossilen Rohstoffen basierende Prozesse k\u00f6nnen durch nachhaltigere, biologische Verfahren ersetzt werden. Das komplexe, biochemisch schwer zug\u00e4ngliche Biomolek\u00fcl Lignin wird mithilfe von ma\u00dfgeschneiderten Mikroorganismen oder deren spezialisierter Enzyme zun\u00e4chst in seine Bestandteile zerlegt. Anschlie\u00dfend wird aus diesen wiederum eine Vielfalt neuer Verbindungen und Produkte synthetisiert. Durch Innovation sowohl bei der Nutzbarmachung des Reststoffes Lignin als auch der Entwicklung von Produkten werden auf der Basis von Bio\u00f6konomieforschung potenziell nachhaltige Alternativen zu bestehenden Verfahren und Produkten entwickelt.<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Der Holzstoff Lignin geh\u00f6rt zu den Biopolymeren, die in der Natur am h\u00e4ufigsten vorkommen. Trotzdem wird das Potenzial des komplexen Molek\u00fcls bisher bei Weitem nicht ausgesch\u00f6pft \u2013 zumeist wird Lignin heute verfeuert. 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Es sind also bereits viele Ans\u00e4tze auf dem Weg, um der Bio\u00f6konomie reines Lignin f\u00fcr biobasierte Produkte zur Verf\u00fcgung zu stellen.<\/p>\n\n\n\nEine beinah endlose Produktpalette: Anwendungsbereiche von Lignin<\/h3>\n\n\n\n
Mit Biotechnologie Lignin aufwerten: drei innovative Projekte im Fokus <\/h3>\n\n\n\n
Pilze und Bakterien als Lignin-Architekten<\/h3>\n\n\n\n
Neue Produkte aus Lignin dank Biotechnologie<\/h3>\n\n\n\n
Entwicklung von optimierten Enzym-Teams<\/h3>\n\n\n\n
Fazit<\/h2>\n\n\n\n
Weiterf\u00fchrende Links:<\/h2>\n\n\n\n