Grundchemikalien aus der Holzchemie

Hintergrund und Zielsetzung

Im Teilprojekt wollten wir drei unterschiedliche Themengebiete abdecken:

(a) den Aufschlussprozess

(b) die Ligninverwertung unter Erhalt der polymeren Struktur und

(c) die Verwertung unter Abbau des Lignins durch thermochemische Prozesse.

Für den Aufschluss wollten wir die Reaktionsbedingungen für einen größeren Kocher in Hamburg adaptieren (30L), um die Planung und den späteren Betrieb der Pilotanlage zu erleichtern. Zusätzlich haben wir aus diesen Versuchen die Partner mit Probenmaterial beliefert. Wir haben zudem die Partner und insbesondere das CBP (Pilotanlage in Leuna) bei der Inbetriebnahme analytisch unterstützt. Die Ligninverwertung unter Erhalt der Struktur war auf den Einsatz von Lignin in Lignin-Phenol-Formaldehydharzen und die Erzeugung von Polyurethanen für Folien und Schäume ausgerichtet. In diesem Bereich sollten auch verschiedene Modifizierungen und Derivatisierungen des Lignins entwickelt werden. Die thermochemischen Arbeiten sollten vor allem hohe Ausbeuten an Aromaten als Grundchemikalien aus dem Lignin erbringen.

Vorgehensweise

Den Organosolv-Aufschluss haben wir in Hamburg in den 30 L Maßstab übertragen und Prozessbilanzen für den gesamten Prozess vom Aufschluss bis in die enzymatische Hydrolyse entwickelt. Gemeinsam mit den Partnern haben wir die Aufarbeitung der Produktströme realisiert.  Die Synthese der Ligninphenolharze haben wir für unterschiedliche Ligninqualitäten und für unterschiedliche Modifizierungsreaktionen im kleinen Maßstab entwickelt und anhand des Verklebens von Furnierstreifen beurteilt. Ausgewählte Produkte wurden dann im größeren Maßstab zur Produktion von Holzwerkstoffen eingesetzt. Für die Arbeiten zu ligninbasierten Urethanen haben wir neue Synthesekonzepte entwickelt und im Labormaßstab in kleine Prüfkörper überführt (Schäume und Filme). Bei den thermochemischen Arbeiten wurden in Laborreaktoren verschieden Anreibemittel und Katalysatoren verglichen.

Unsere Forschungsfragen

Eine wesentliche Frage war das Upscaling des Aufschlusses für die Pilotanlage. Bezüglich der Prozessbilanzen musste geklärt werden, welche Nebenprodukte im Aufschluss entstehen, und welche Möglichkeiten bestehen, sie zu verwerten.  Für die Lignin-Phenolharzsynthese sollte untersucht werden, wie die Ligninstruktur auf die Produktqualität wirkt, und wie unterschiedliche Modifizierungen dies beeinflussen. Für die Herstellung der Urethane war es wesentlich, umweltfreundliche Synthesekonzepte zu entwickeln, sowie Hart- und Weichschäume zu gewinnen. Für die thermochemischen Prozesse wollten wir den Einfluss von Anreibemitteln und Katalysatoren beim Hydrocracking herausarbeiten.              

Ergebnisse

Das Upscaling der Kochung haben wir erfolgreich realisiert. Die Ergebnisse der Aufschlüsse in Hamburg zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Kochergebnissen in der Pilotanlage, sodass die Hamburger Ergebnisse nun durch das CBP (Leuna) für die Prozessoptimierung genutzt werden können. Die Untersuchungen zum Rohstoffeinfluss zeigten, dass Rinde keine Probleme in den Hauptproduktströmen verursacht und geringwertige Holzqualitäten wie Häckslerware sehr gut als Rohstoff geeignet sind. Lignin basierte Phenolharzen wurden für die Spanplattenherstellung eingesetzt. Sie wiesen gute Trockenfestigkeiten auf, die Nassfestigkeiten der Platten mit ligninhaltigen Harzen waren aber nicht zufriedenstellend. Verschiedene Modifizierungen der Lignine sollten diesen Mangel beheben. Während die Hydroxymethylierung und Glyoxalierung keine Verbesserung der Nassfestigkeiten bewirkten, konnte eine neue Methode zur Phenolierung die Reaktivität der Lignine erheblich erhöhen, sodass Platten mit guten Nassfestigkeiten entstehen. Polyurethanfilme und -schäume wurden mit unmodifizierten und modifizierten Ligninen erzeugt. Durch Variation des Ligninanteiles und des Einsatzes von modifizierten oder unmodifizierten Ligninen wurde die Palette von Weichschäumen bis Hartschäumen abgedeckt, sodass sich vielseitige Nutzungen ergeben. Bei der Modifizierung wurde als Alternative zur üblichen Hydroxyalkylierung erfolgreich eine Umsetzung mit Propylencarbonat etabliert. Dieses Synthesekonzept hat Vorteile, da die Reaktion ein wesentlich geringeres Gefährdungspotential aufweist. Zudem kann das Propylencarbonat auch vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen und Kohlendioxid erzeugt werden und eröffnet den Weg zu vollständig biobasierten Polyurethanen. Die Arbeiten zum thermochemischen Abbau haben den Einfluss von Anreibemitteln und Katalysatoren beim Hydrocracking herausgearbeitet. Es zeigte sich, dass durch den Einsatz von Wasser in Verbindung mit einem geeigneten Katalysatorsystem (Raney-Nickel) die Öl-Ausbeuten deutlich verbessert werden konnten. Im Vergleich zur klassischen Hydrierung ergeben sich auch mehr Möglichkeiten das Produktspektrum zu beeinflussen und gezielt die Ausbeute an Phenolderivaten oder Dihydroxybenzolen zu fördern.