Wertschöpfung aus Abfall

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Umwandlung industriell verarbeiteter Biomasse in Kunststoffe und Chemikalien

Forscher am Institut für Chemie- und Biomolekularingenieurwissenschaften an der Universität von Delaware (UD) berichteten am 19.01.2022 in Science Advances über eine Niederdruckmethode zur Umwandlung industriell verarbeiteter Biomasse in Kunststoffe und Chemikalien. Unter Leitung von Professor Thomas H. Epps, III, sucht ein Team von Forschern der University of Delaware und Mitarbeitern von CanmetENERGY nach Möglichkeiten, Biomasse zu neuen Produkten zu verarbeiten. Beispiel Lignin. Lignin ist ein Bestandteil von Pflanzen und Bäumen, der für Festigkeit und Steifigkeit sorgt und der Flora hilft, den Widrigkeiten der Natur zu trotzen.

Papierfabrik Fulda – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

In der Zellstoff- und Papierindustrie ist Lignin jedoch ein Abfallprodukt der Papierproduktion. Diese Art von Lignin, das so genannte technische Lignin, gilt als das schmutzigste aller schmutzigen Lignine, das nicht verwertbar ist – außer vielleicht zur Verbrennung für Heizzwecke oder als Füllstoff für Autoreifen. Die UD-Forscher sagen, dass diese weithin verfügbare Ressource – etwa 100 Millionen Tonnen technischer Ligninabfälle fallen jährlich in Zellstoff- und Papierfabriken auf der ganzen Welt an – viel wertvoller sein kann.

Das Team hat gezeigt, dass es möglich ist, industriell verarbeitetes Lignin effizient in Hochleistungskunststoffe, wie biobasierte 3D-Druckharze, und wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Die Wirtschafts- und Lebenszyklusanalyse in Science Advances zeigt, dass der Ansatz auch mit ähnlichen erdölbasierten Produkten wettbewerbsfähig sein kann.

Eines der Endprodukte, das die UD-Forscher und ihre Kollegen untersuchen, ist die Herstellung von Bioharzen für den 3D-Druck.
„Die Fähigkeit, etwas wie technisches Lignin nicht nur aufzuschlüsseln und in ein nützliches Produkt umzuwandeln, sondern dies auch zu Kosten und mit geringeren Umweltauswirkungen als bei Erdölmaterialien zu tun, ist etwas, das bisher noch niemand wirklich zeigen konnte“, sagte Epps, der die NSF GCR-Bemühungen an der UD leitet und der Allan and Myra Ferguson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering ist. Außerdem hat er eine gemeinsame Stelle in der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.

Alltäglicher Inhaltsstoff überwindet Hochdruckhürde

Eines der Hauptprobleme bei der Veredelung von Lignin besteht darin, dass die meisten Verfahren bei sehr hohen Drücken arbeiten und daher teuer und schwer zu skalieren sind. Zu den größten Nachteilen der derzeitigen industriellen Verfahren gehören die Sicherheitsbedenken, die Kapitalkosten und der Energieverbrauch im Zusammenhang mit den herkömmlichen Lösungsmitteln, Temperaturen und Drücken, die in diesem Prozess verwendet werden. Um diese Probleme zu überwinden, ersetzte das Forschungsteam Methanol, ein traditionelles Lösungsmittel für den Ligninabbau, durch Glycerin, so dass das Verfahren bei normalem (Umgebungs-)Druck durchgeführt werden konnte.

Glycerin ist ein preiswerter Inhaltsstoff, der in flüssigen Kosmetika, Seifen, Shampoos und Lotionen wegen seiner feuchtigkeitsspendenden Eigenschaften verwendet wird. In diesem Fall hilft das Glycerin jedoch, das Lignin in chemische Bausteine aufzuspalten, die zur Herstellung einer breiten Palette biobasierter Produkte verwendet werden können, von Harzen für den 3D-Druck über verschiedene Arten von Kunststoffen bis hin zu Geschmacks- und Duftstoffen, Antioxidantien und mehr. Die Verwendung von Glycerin bietet die gleiche chemische Funktionalität wie Methanol, allerdings bei einem viel niedrigeren Dampfdruck, so dass kein geschlossenes System erforderlich ist. Diese Änderung ermöglichte es den Forschern, die Reaktions- und Trennschritte gleichzeitig durchzuführen, was zu einem kostengünstigeren System führte. Der Betrieb bei Atmosphärendruck ist sicherer. Ebenso wichtig ist die Möglichkeit, den Prozess über kleine Chargen hinaus zu skalieren und kontinuierlich laufen zu lassen, um mehr Material mit weniger Arbeitsaufwand in einem billigeren und schnelleren Prozess zu erzeugen.

Betriebskosten des neuen Niederdruckverfahrens niedriger als die des herkömmlichen Verfahrens

Mitautorin Yuqing Luo, einer Doktorandin der Chemietechnik in der Gruppe von Professor Marianthi Ierapetritou, modellierte das System, um zu prüfen, ob es wirtschaftlich machbar ist. Laut Robert O’Dea, Doktorand im Labor von Epps und Hauptautor der Arbeit, waren Luos Beiträge zur wirtschaftlichen Modellierung der Schlüssel für die Entscheidung, diesen Forschungszweig zu verfolgen. „Wir wussten, dass es physikalisch möglich war, aber wir mussten wissen, ob es in der Größenordnung der Chemiefabrik auch finanziell sinnvoll war. Yuqings Analyse hat gezeigt, dass dies der Fall ist“, so O’Dea. Durch die Bewertung technischer Ligninabfälle aus verschiedenen Arten von Zellstoffprozessen, die von dem Projektpartner CanmetENERGY in Kanada zur Verfügung gestellt wurden, konnte Luo prüfen, wie sich vorgelagerte Kosten wie der Rohstoffpreis oder die Ausbeute auf die Wirtschaftlichkeit im weiteren Verlauf des Prozesses auswirken würden.

Die Analyse zeigte zwar, dass die Ausbeute eine wichtige Rolle für die Wirtschaftlichkeit der Anlage spielt, aber die Betriebskosten des neuen Niederdruckverfahrens waren in allen Fällen aufgrund der geringeren Kapitalkosten und der Erzeugung wertvoller Nebenprodukte deutlich niedriger als die des herkömmlichen Verfahrens. Die an der Entwicklung des Verfahrens beteiligten Forscher aus der Gruppe von Epps und Kollegen aus der Forschungsgruppe von UD-Professor Dionisios Vlachos haben derzeit ein Patent auf das Umgebungsdruckverfahren angemeldet.

Luo führte auch eine Lebenszyklusanalyse durch, um zu verstehen, wie viel Treibhausgasemissionen (z. B. Kohlendioxid) bei der Herstellung der Materialien entstehen. Wenn die Forscher die Kosten der einzelnen Schritte im Griff haben, können sie nach Möglichkeiten zur Optimierung des Prozesses und der Infrastruktur der Materiallieferkette suchen. „Wir haben versucht, das Gesamtbild zu erfassen, nicht nur die Kosten des Prozesses, sondern auch die Umweltauswirkungen des gesamten Vorgangs“, so Luo. Die studentische Zusammenarbeit war aus Treffen zwischen Dozenten und Studenten entstanden, die im Rahmen des NSF GCR-Programms an der UD an der Verwaltung des Lebenszyklus von Materialien arbeiten. „Das NSF GCR-Programm ermutigt uns, Aspekte wie die Materialwissenschaft und die Umweltauswirkungen gleichzeitig anzugehen. Wir überwinden also mehrere Engpässe und Hürden gleichzeitig durch interdisziplinäre Zusammenarbeit“, so Epps.

Großes Potenzial der UD-Methode, Abfall in wertvolle Produkte zu verwandeln

„Es zeigt, dass es ein großes Potenzial für die Verwendung erneuerbarer Ressourcen zur Herstellung verschiedener Arten von Kunststoffen gibt. Man muss nicht unbedingt fossile Brennstoffe verwenden, auch Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen können wirtschaftlich sinnvoll sein“, sagt Paula Pranda, eine der Hauptautoren der Arbeit.

Abstract aus Science Advances

Chemokatalytische Strategien zur Valorisierung von Lignin sind für eine nachhaltige Bioökonomie von entscheidender Bedeutung, da Lignin, insbesondere technisches Lignin, eines der am meisten verfügbaren und am wenigsten genutzten Ausgangsmaterialien für Aromaten ist. Hier berichten wir zum ersten Mal über einen verstärkten reaktiven Destillations- und reaktiven katalytischen Abbau (RD-RCD), um gleichzeitig technische Lignine aus verschiedenen Quellen abzubauen und die aromatischen Produkte bei Umgebungsdruck zu reinigen. Wir demonstrieren den Nutzen von RD-RCD-Bioölen in der additiven Hochleistungsfertigung mittels Stereolithographie-3D-Druck und heben die wirtschaftlichen Vorteile gegenüber einem herkömmlichen reduktiven katalytischen Fraktionierungs-/RCD-Prozess hervor. Unsere RD-RCD reduziert beispielsweise die Kosten für die Herstellung eines biobasierten Haftklebers aus Weichholz-Kraft-Lignin um bis zu 60 % im Vergleich zum Hochdruck-RCD-Verfahren. Schließlich wurde eine einfache Screening-Methode zur Vorhersage der Abbauausbeute anhand von einfach zu beschaffenden thermischen Zersetzungsdaten entwickelt. In dieser Arbeit wird ein integrierter Ansatz zur Ligninaufwertung vorgestellt, mit dem vorhandene Ligninströme für die Realisierung wirtschaftlich tragfähiger Bioraffinerien aufgewertet werden können.

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