Aus Holzabfall werden Vanillin und PLA für den 3D-Druck

Günstiges Vanillin und industrieller Kunststoff scheinen aus völlig verschiedenen Welten zu stammen. Das eine landet in Speiseeis und Parfüm, das andere wird zu Filament für den 3D-Druck aufgewickelt. Und beides hat auf den ersten Blick nichts mit den Holzstoffresten zu tun, die sich in Papierfabriken ansammeln.

Die Chemie verbindet diese Bereiche: Eine einzige Charge Holzabfall, die einen lichtbetriebenen Reaktor durchlief, lieferte das Aromamolekül. Der zurückbleibende Rest machte zugleich Kunststoff widerstandsfähiger.

Das Lignin-Problem bei Holzabfällen

Lignin, ein widerstandsfähiges Polymer, trägt dazu bei, dass alle Pflanzen auf der Erde zusammenhalten und Bäume aufrecht wachsen können. Nach Zellulose ist es der häufigste Grundbaustein der Pflanzenwelt.

Bei der Papierherstellung wird Lignin tonnenweise aus Holz entfernt und anschliessend meist verbrannt. Jährlich fallen rund 50 Millionen Tonnen an; einer Übersichtsarbeit zufolge werden nur etwa 2 % zu etwas Nützlicherem als minderwertigem Brennstoff verarbeitet.

Der Grund liegt in der Chemie. Lignin bildet ein verschlungenes, unregelmässiges Netzwerk. Es in saubere Einzelbestandteile zu zerlegen, erforderte bislang meist hohe Temperaturen und hohen Druck sowie aggressive Lösungsmittel – energieintensive Verfahren, die jeden Gewinn zunichtemachen.

Ein schonenderer Weg

Ein Team unter Leitung von Néstor Guijarro, Chemiker an der Universität Alicante (UA) in Spanien, wollte auf die Hitze verzichten. Stattdessen sollte Licht die aufwendige Arbeit übernehmen.

Der Reaktor besteht aus einem transparenten Rohr, das mit einem Photokatalysator gefüllt ist – einem Material, das Licht aufnimmt und damit chemische Bindungen spaltet. Gelöstes Lignin strömt bei Raumtemperatur und normalem Druck unter einer Lampe daran vorbei.

Weil die Flüssigkeit am Katalysator entlanggeführt wird, statt in einem Chargenreaktor eingeschlossen zu sein, konnte das Team im Grammmassstab arbeiten. Für ein Verfahren, das üblicherweise auf Reagenzglasmengen begrenzt bleibt, ist das ein deutlicher Fortschritt.

Die entscheidenden Bindungen spalten

Lignin wird von mehreren Arten chemischer Verknüpfungen zusammengehalten. Eine bestimmte Brücke dominiert dabei – und ihr gezieltes Spalten setzt kleine, wertvolle Moleküle in vollständiger Form frei.

Der lichtgetriebene Katalysator griff nahezu ausschliesslich diese Brücke an und liess den übrigen Aufbau intakt. Aus holzbasiertem Lignin gewann das Verfahren Vanillin, das Molekül, das für Geruch und Geschmack von Vanille verantwortlich ist. Der Anteil lag bei etwa 7 Gewichtsprozent.

Die Ausbeute ist nicht besonders hoch. Für Vanillin, das direkt aus rohem Lignin gewonnen wird, zählt sie jedoch zu den besten bislang berichteten Ergebnissen.

Frühere lichtgestützte Verfahren erzeugten andere Moleküle. Vanillin auf diese saubere Weise freizusetzen, war zuvor daher nicht gezeigt worden.

Vanillin aus Sägemehl

Der Aromaaspekt verleiht der Arbeit einen alltagsnahen Reiz. Fast sämtliche heute verkauften Vanillearomen sind synthetisch. Ein grosser Teil wird aus einer Chemikalie hergestellt, die aus Erdöl gewonnen wird. Nur ein winziger Anteil stammt aus Holz.

Chemiker versuchen seit Langem, Lignin mehr Vanillin zu entlocken, weil das Polymer, wie eine Facharbeit erläutert, mit passenden chemischen Ringen durchsetzt ist. Die Herausforderung bestand darin, diese Ringe freizulegen, ohne sie zu zerstören.

Damit entsteht ein umweltfreundlicherer Herstellungsweg. So produziertes Vanillin könnte statt einer petrochemischen Kennzeichnung das Etikett „aus Holz“ tragen – ein Verkaufsargument für Hersteller von Lebensmitteln und Duftstoffen.

Eine verlässliche Versorgung aus Abfällen könnte zudem die starken Preisschwankungen bei natürlicher Vanille abmildern.

Zweite Verwendung für Ligninreste in PLA

Beim Aufspalten von Lignin zu Vanillin bleibt ein grosser Anteil grösserer Fragmente zurück – ein zähflüssiger Rest, den die meisten Verfahren als Abfall abschreiben. Guijarros Team sah darin jedoch weiteres Potenzial.

Die Forschenden mischten diese Fragmente in Polymilchsäure, kurz PLA, einen verbreiteten Biokunststoff, aus dem ein grosser Teil des weltweit verwendeten 3D-Druck-Filaments hergestellt wird. PLA ist preiswert und kompostierbar, aber steif und spröde, was seine Einsatzmöglichkeiten laut einer Übersichtsarbeit begrenzt.

Als Kunststoffzusatz lockerten die Fragmente das Material auf. Dadurch wurde es biegsamer und robuster, ohne seine Bedruckbarkeit zu beeinträchtigen.

Die Mischung zeigte sogar ein Formgedächtnis: Sie konnte sich verbiegen und bei Erwärmung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.

Das gesamte Molekül nutzen

Der Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass fast nichts verworfen wird. Sowohl das wertvolle Aromamolekül als auch die voluminösen Rückstände werden zu Produkten verarbeitet – nicht nur ein hochwertiges Erzeugnis neben einem Haufen Abfall.

Guijarros Team führte die gesamte Abfolge im Grammmassstab durch und erhielt am Ende kommerziell plausible Mengen sowohl des Aromastoffs als auch des Kunststoffzusatzes. In einem Forschungsfeld, das häufig bei Milligrammmengen stehen bleibt, ist das bemerkenswert.

Der lichtbasierte Weg schliesst zudem eine Lücke. Andere lichtbetriebene Methoden erzeugen meist eine andere chemische Stofffamilie. Ein System, das gezielt Vanillin liefert, erweitert daher die Möglichkeiten dieser Chemie, Wertstoffe aus Holz zu gewinnen.

Die nächsten Schritte

Zuvor hatte niemand einen lichtbetriebenen Reaktor bei Raumtemperatur gezeigt, der rohes Lignin in Vanillin umwandelt. Ebenso wenig gab es ein Verfahren, das die Rückstände im selben Massstab als Kunststoffbestandteil nutzbar macht – alles im Grammbereich.

Die Studie verknüpft zwei Seiten eines Problems, die üblicherweise getrennt behandelt werden.

Bei einer Skalierung könnte das Verfahren Papierherstellern und Bioraffinerien einen Grund geben, Lignin aufzufangen, statt es zu verbrennen. Aus dem Abfall würden zwei vermarktbare Produkte, was die wirtschaftlichen Bedingungen verändert, durch die Lignin über Jahrzehnte hinweg zu wenig genutzt wurde.

Das Verfahren ist bereits durch ein Patent geschützt, ein Hinweis darauf, dass die Forschenden einen Weg über das Labor hinaus sehen.

Ob Vanillearoma oder gedruckte Bauteile letztlich im kommerziellen Massstab aus Holzabfällen hergestellt werden, bleibt offen. Die erforderliche Chemie existiert jedoch nun.