Gewinnung von Vanillin aus Holzabfall: JGU entwickelt nachhaltige Methode

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Lignin aus der Zellstoffproduktion (Foto: © Michael Zirbes)

Elektrolyse von Lignin in Natronlauge könnte bisheriges umweltschädliches Verfahren zur Herstellung des weltweit meistverwendeten Aromastoffs ersetzen.

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine neue, nachhaltige Methode zur Gewinnung des Aromastoffs Vanillin aus dem Holzbestandteil Lignin entwickelt, das in großen Mengen als Abfall bei der Herstellung von Zellstoff, eines wichtigen Rohstoffs der Papierproduktion, anfällt.

Wie die Forscher in der Fachzeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering beschreiben, geben sie Lignin in Natronlauge, erhitzen das Gemisch auf 160 Grad und setzen es in einer einfachen Elektrolysezelle mithilfe von Nickel-Elektroden unter Strom. Dadurch wird das Lignin oxidiert und zersetzt, und es entsteht Vanillin, das so hochwertig ist, dass es als „natürliches Vanillin“ deklariert werden darf.

Ein echter Durchbruch gelungen

„Nach jahrelanger intensiver Forschung ist uns damit ein echter Durchbruch gelungen“, sagt Prof. Dr. Siegfried Waldvogel, Sprecher des Spitzenforschungsbereichs SusInnoScience, kurz für „Sustainable Chemistry as the Key to Innovation in Resource-efficient Science in the Anthropocene“ der JGU, der die Entwicklung geleitet hat. Bisher wird Vanillin überwiegend aus Erdöl gewonnen, wobei im Gegensatz zu der neuen Methode giftige Abfälle entstehen, die nur schwer zu entsorgen sind. Zwar gibt es bereits ein Verfahren zur Herstellung von Vanillin aus Lignin. Laut Waldvogel ist dieses jedoch unter anderem wegen der Verwendung von Kupfer sehr teurer. Außerdem könne dafür nur ein kleiner Teil des bei der Zellstoffherstellung anfallenden Lignins verwendet werden.

Signifikant besser als die bisherigen Methoden

An der JGU entwickelte Elektrolysezelle zur Gewinnung von Vanillin aus Lignin (Foto: © Michael Zirbes)

Vanillin ist weltweit der mengenmäßig bedeutendste Aromastoff. Mehrere zehntausend Tonnen davon werden pro Jahr für die Produktion von Lebensmitteln, Kosmetika und Medikamenten verwendet. Lignin wiederum fällt jährlich im Umfang von mehr als 100 Millionen Tonnen als Abfall bei der Zellstoffherstellung an und wird dann im Wesentlichen verbrannt. „Weil unsere Methode einen Vanillinertrag von rund vier Prozent des eingesetzten Lignins hat, könnte man damit theoretisch sehr leicht den weltweiten Vanillinbedarf decken“, ist Waldvogel davon überzeugt, dass das neue Verfahren „signifikant besser“ sei als die bisherigen Methoden zur Vanillingewinnung – nicht nur weil dabei kein giftiger Abfall entstehe, sondern auch weil es wirtschaftlich überlegen sei –, und führe bereits Gespräche mit entsprechenden Industriepartnern.

Im Rahmen des EU-Projekts „Liberate“ soll das bisher nur im Labor angewandte Verfahren bald in größerem Umfang getestet werden. Dazu wird derzeit beim norwegischen Forschungsinstitut Sintef, mit dem die JGU kooperiert, eine Pilotanlage gebaut. Außerdem will Waldvogel prüfen, ob sich die neue Methode noch verbessern lässt, indem das Vanillin nicht erst aus dem reinen Lignin, sondern direkt aus der sogenannten Schwarzlauge, einem bei der Holzverarbeitung in Zellstoffwerken anfallenden, das Lignin enthaltende Vorprodukt, gewonnen wird.

Veröffentlichung: M. Zirbes et al., High-Temperature Electrolysis of Kraft Lignin for Selective Vanillin Formation, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2020, 8, 19, 7300-7307, 21. April 2020, Download-Link

Quelle: Johannes Gutenberg Universität Mainz

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