{"id":99673,"date":"2021-11-03T07:26:00","date_gmt":"2021-11-03T06:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=99673"},"modified":"2021-10-27T13:48:24","modified_gmt":"2021-10-27T11:48:24","slug":"biookonomisches-modellprojekt-vanillin-aus-reststoffen-der-prozessindustrie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/biookonomisches-modellprojekt-vanillin-aus-reststoffen-der-prozessindustrie\/","title":{"rendered":"Bio\u00f6konomisches Modellprojekt: Vanillin aus Reststoffen der Prozessindustrie"},"content":{"rendered":"\n

<\/h2>\n\n\n\n\n\n
\"Neben
Neben Cellulose und Chitin das h\u00e4ufigste Biopolymer: Lignin.\u00a0\u00a9\u00a0Dorothee Barsch, InnoS\u00dcD<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Aus in Schwarzlauge gel\u00f6stem Lignin Vanillin gewinnen und zu einem f\u00fcr die Industrie skalierbaren Verfahren entwickeln – das ist der bio\u00f6konomische Ansatz, den Forschende der Hochschule Biberach und der Universit\u00e4t Ulm in einem auf f\u00fcnf Jahre angelegten Projekt verfolgen.\u00a0<\/p>\n\n\n\n

Dem w\u00e4ssrigen Reststoffstrom der Zellstoff- und Papierindustrie \u2013 Schwarzlauge \u2013 soll vor dessen Verbrennung noch ein werthaltiges Produkt abgerungen werden. Im Erfolgsfall, so die \u00dcberlegung, lie\u00dfe sich damit der vorwiegend petrochemische Syntheseprozess von Vanillin durch einen auf biogenen Rohstoffen basierten ersetzen.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Herstellung von Zellstoff und Papier ist der Holzbestandteil Lignin unerw\u00fcnscht. Er wird daher in mehreren Stufen eingedampft und schlie\u00dflich verbrannt1)<\/sup>, f\u00fcr die Wertstoffvalorisierung ist dies aber nur der allerletzte Schritt. F\u00fcr eine vorgeschaltete stoffliche Verwertung spricht indes, dass das Biopolymer Lignin eine interessante zyklische (C6<\/sub>-Kreise) Molek\u00fclstruktur besitzt, die sich f\u00fcr viele Plattformchemikalien im Bioraffineriekonzept grunds\u00e4tzlich eignet.<\/p>\n\n\n\n

Dem Reststoffstrom Schwarzlauge abzweigen<\/h3>\n\n\n\n

Schwarzlauge ist eine substanzreiche, heterogene Br\u00fche, die das darin gel\u00f6ste Biopolymer Lignin enth\u00e4lt, einem der drei Hauptbestandteile von Holz. Das aus dem Lignin gewonnene Produkt Vanillin (4-Hydroxy-3-Methoxy-Benzaldehyd) ist ein weltweit stark von Lebensmittel-, Parf\u00fcm- und Pharmaindustrie nachgefragter Duft- und Aromastoff, der auf nat\u00fcrlichem oder synthetischem Weg hergestellt wird.2)<\/sup><\/p>\n\n\n\n

\u201eDer Biberacher Ansatz gehorcht einer bio\u00f6konomischen Logik\u201c, sagt Projektleiterin Prof. Dr. Heike Fr\u00fchwirth von der Hochschule Biberach. Denn er tauscht die fossile Rohstoffquelle Erd\u00f6l gegen die nachwachsende Ressource Holz ein. Das Gros der Vanillinproduktion setzt auf die klimasch\u00e4dliche Variante Erd\u00f6l, bei deren mehrstufiger Verarbeitung aus Benzol \u00fcber Guajacol giftige Neben- und Abfallprodukte anfallen.3) <\/sup>Der Vorteil der synthetischen Herstellung ist wirtschaftlicher Natur: Sie ist um ein Vielfaches (bis Faktor 100) g\u00fcnstiger als diejenige f\u00fcr nat\u00fcrliches Vanillin, Hauptaromabestandteil der Schoten von Vanilla planifolia<\/em> aus der Familie der Orchideengew\u00e4chse.4)<\/sup><\/p>\n\n\n\n

Selten und teuer: nat\u00fcrliches Vanillin<\/h3>\n\n\n\n

Denn nat\u00fcrliches Vanillin ist knapp und sehr teuer. Die nat\u00fcrliche Gewinnung dieses weltweit stark nachgefragten Aromastoffes deckt nur einen Bruchteil der auf rund 25.000 Jahrestonnen gesch\u00e4tzten weltweiten Produktion. Weitere nat\u00fcrliche, aber wirtschaftlich nicht konkurrenzf\u00e4hige Vanillinquelle ist die Ferulas\u00e4ure, die vornehmlich aus Reiskleie auf fermentativem Weg gewonnen wird. Nat\u00fcrliches Vanillin kann aber auch biotechnologisch aus Eugenol zum Beispiel aus Nelken\u00f6l oder Curcumin aus Kurkuma hergestellt werden.<\/p>\n\n\n\n

\u201eZiel des unter dem Dach des Hochschulverbunds InnoS\u00dcD laufenden kooperativen Projektes ist es, den Herstellungsprozess f\u00fcr die Industrie so vorzubereiten, dass er in einen gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab umsetzbar ist\u201c, sagt die Sprecherin des 2022 auslaufenden Projekts und Verfahrensingenieurin Fr\u00fchwirth.<\/p>\n\n\n\n

Oxidation im Druckreaktor<\/h3>\n\n\n\n
\"Projektleiterin
Projektleiterin Prof. Dr. Heike Fr\u00fchwirth nimmt den Druckreaktor in Betrieb.\u00a0\u00a9\u00a0Dorothee Barsch, InnoS\u00dcD<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die biogene Vanillinquelle Schwarzlauge beziehen die Forschenden von einer regionalen Papierfabrik. F\u00fcr jeden Versuch werden etwa 300 bis 1.000 ml des Materials ben\u00f6tigt. Erste Versuche starteten mit dem Biopolymer aus dem Chemikalienschrank. Die Umwandlung oder \u00dcberf\u00fchrung des Reststoffes Lignin in ein wertvolleres Molek\u00fcl geschieht durch eine katalytische Oxidation (Natriumhydroxid) in einem Reaktor bei moderatem Druck (10 bar).<\/p>\n\n\n\n

Den Investitionskosten f\u00fcr einen Druckreaktor und dem Handling unter Druck stehen der Partialdruck von Sauerstoff und verbesserte Reaktionsbedingungen f\u00fcr die Umsetzung als Vorteile entgegen. Denn je mehr Sauerstoff unter Druck eingebracht wird, desto mehr beg\u00fcnstige das nach Fr\u00fchwirths Worten die Reaktion. Die Umsetzung bei moderatem Druck sei eine Gratwanderung, denn h\u00f6here Dr\u00fccke f\u00fchrten eben auch zu vermehrter Weiterreaktion des Vanillins. Mit anderen Worten: Ist das Maximum an Vanillinausbeute \u00fcberschritten, nimmt dessen Konzentration wieder ab.<\/p>\n\n\n\n

Aufreinigung mit ionischen Fl\u00fcssigkeiten<\/h3>\n\n\n\n
\"Aus
Aus dem biogenen Reststoff Lignin den gesch\u00e4tzten Aromastoff Vanillin gewinnen \u2013 das InnoS\u00dcD-Projekt versucht, ein neues Modellverfahren zu etablieren.\u00a0\u00a9\u00a0Dorothee Barsch, InnoS\u00dcD<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Vanillin l\u00e4sst sich in nachgelagerten Prozessschritten aufreinigen. Als Verfahren zur Extraktion setzen die Forschenden in Kooperation mit einer \u00f6sterreichischen Firma auf ionische Fl\u00fcssigkeiten. Als L\u00f6sungsmittel werden weniger toxische verwendet, die weniger fl\u00fcchtig und g\u00fcnstig f\u00fcr die Laborsicherheit sind \u2013 Namen werden erst nach einer geplanten Publikation genannt. Unterdessen wird in den Biberacher Laboren die Reaktion optimiert, um eine m\u00f6glichst vollst\u00e4ndige Umsetzung unter geringem Einsatz von Katalysator zu erzielen.

\u201eDie Aufreinigung soll derart geschehen, dass Vanillin weiter reaktionsf\u00e4hig bleibt\u201c, erl\u00e4utert Fr\u00fchwirth. \u201eDer Prozess muss unter Kontrolle bleiben, sodass man das Reaktionsende abstoppt, die Reaktionsmischung entnimmt, abtrennt und die Fraktionen so aufteilt, dass man m\u00f6glichst reine Reaktionsprodukte erh\u00e4lt.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Inzwischen ist der Prozess der Vanillingewinnung aus Schwarzlauge laut Fr\u00fchwirth etabliert. Der erste Skalierungsschritt im kleinen Laborma\u00dfstab (100 ml) ist gemacht, der n\u00e4chste in den mittleren Laborma\u00dfstab (2 l) werde auch gelingen. Dazu m\u00fcsse man wissen, erkl\u00e4rt die Verfahrenstechnikerin, dass das Skalieren bevorzugt in kleinen Schritten geschehe, um Unw\u00e4gbarkeiten aus dem Weg zu gehen.<\/p>\n\n\n\n

Erd\u00f6lpreise machen Alternativen unrentabel<\/h3>\n\n\n\n

Die Gewinnung von Vanillin aus Lignin selbst ist nicht neu. Erste Arbeiten gab es schon 1936, bereits 1940 berichtete Karl Freudenberg \u00fcber ein Verfahren.3) <\/sup>Bis in die 90er Jahre wurden 60 Prozent des Vanillins aus Lignin hergestellt. Dann aber kehrten zwei Entwicklungen die Verh\u00e4ltnisse um: rund 90 Prozent des Vanillins stammt inzwischen aus petrochemischer Herstellung.5)<\/sup> Zum einen machten die niedrigen Roh\u00f6lpreise alle vorherigen Herstellungsverfahren unrentabel. Zum anderen sorgte die Umstellung vieler Papier- und Zellstoffanlagen auf die bis heute vorherrschende Krafttechnologie daf\u00fcr. Dank dieser Technologie ist nicht nur die Wiederverwertbarkeit der anorganischen Aufschlusschemikalien (Na2<\/sub>S\/NaOH) m\u00f6glich, sondern auch die effiziente Stromerzeugung \u00fcber R\u00fcckgewinnungskessel.6)<\/sup>

Es gibt viele Prozesse f\u00fcr den Aufschluss von Lignin (vgl. dazu ausf\u00fchrlich Rinaldi et al. 2016), als mittelfristige (biotechnologische) Option schweben den Forschenden um Fr\u00fchwirth enzymatische Prozesse vor.<\/p>\n\n\n\n

Literatur<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

1) https:\/\/www.abfallbewertung.org\/repgen.php?report=ipa&char_id=0303_Zell&lang_id=de&avv=&synon=&kapitel=2>active=no

2) Manuel Breiner, Jan Strugatchi, Siegfried R. Waldvogel: Vanillin aus Lignin. Eine der wichtigsten Aromachemikalien aus dem heimischen Rohstoff Holz, 13.1.2021, Wiley Analytical Science, https:\/\/analyticalscience.wiley.com\/do\/10.1002\/was.000400098

3) https:\/\/chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com\/doi\/abs\/10.1002\/cber.19400730302, zitiert nach: https:\/\/www.lebensmittelmagazin.de\/wirtschaft\/20200619-vanillin-aus-holzabfaellen-neues-energieeffizientes-verfahren-aus-mainz\/

4) http:\/\/aromenverband.de\/fact-sheets__trashed\/woher-kommt-vanillin\/

5) Rinaldi, R. , Jastrzebski, R. , Clough, M. T. , Ralph, J. , Kennema, M. , Bruijnincx, P.C. A. , Weckhuysen, B. M.: Wege zur Verwertung von Lignin: Fortschritte in der Biotechnik, der Bioraffination und der Katalyse, in: Angewandte Chemie, Bd. 128, Ausgabe 29, S. 8296-8354, 17 Juni 2016, https:\/\/doi.org\/10.1002\/ange.201510351, S. 8314ff.

6) Ebd., S. 8325f.

7) https:\/\/www.bbi.europa.eu\/projects\/selectiveli, https:\/\/www.igb.fraunhofer.de\/de\/referenzprojekte\/LIBERATE.html, https:\/\/www.sintef.no\/en\/latest-news\/2018\/from-lignin-to-valuable-products\/<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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