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„Grünes“ Oxidationsmittel für den Abbau von Kraft-Lignin mit Erfolg eingesetzt
Der industrielle Bedarf an dem Aromastoff Vanillin übertrifft die natürlichen Quellen bei Weitem. Vanillin wird daher in großen Mengen chemisch aus Erdöl hergestellt – und ist dadurch auch wesentlich billiger als der Aromastoff aus den fermentierten Kapselfrüchten der Gewürzvanille. Eine Alternative bietet die Gewinnung von Vanillin aus Lignin, das als Abfall in der Zellstoffindustrie anfällt. Der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Siegfried Waldvogel an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist nun ein weiterer Fortschritt bei der elektrochemischen Herstellung von Vanillin aus Lignin gelungen. Dazu wurde ein „grünes“ Oxidationsmittel eingesetzt, das den oxidativen Abbau von Kraft-Lignin – das maßgebliche Abfallprodukt – zu Vanillin bewerkstelligt. „Wir sind überzeugt, dass wir mit unserem nachhaltigen, umweltschonenden Prozess dazu beitragen können, dass Vanillin auch in größerem Maßstab hergestellt wird“, sagt Siegfried Waldvogel. Die Forschungsarbeit wurde in dem renommierten Fachmagazin Angewandte Chemie veröffentlicht.
Aus dem Abfallstoff Lignin kann qualitativ hochwertiges Vanillin gewonnen werden
Vanillin wird in unzähligen Lebensmitteln und Getränken verwendet, aber auch die Parfüm- und die Pharmaindustrie benötigen den Aromastoff. Die chemische Herstellung beläuft sich daher auf mehrere zehntausend Tonnen jährlich. Allerdings werden hierfür meist fossile Rohstoffquellen genutzt und das Verfahren hinterlässt giftige Abfallprodukte. „Die Herstellung von Vanillin aus dem Holzbestandteil Lignin umgeht diese Nachteile“, so der Chemiker Siegfried Waldvogel. „Mit dem elektrochemischen Verfahren, an dem wir seit fast 15 Jahren arbeiten, können wir qualitativ hochwertiges Vanillin umweltschonend aus der erneuerbaren Ressource Holz gewinnen.“
Lignin wird schon seit Langem als Ausgangsmaterial für Vanillin verwendet. Ein aktuelles kommerzielles Verfahren beruht auf dem Einsatz von Kupfer als Katalysator, das jedoch ist mit kostspieligen Schritten zur Reinigung des Endprodukts verbunden. Im Gegensatz dazu sei die direkte Verwendung von elektrischem Strom als Oxidationsmittel inhärent sicher, kostengünstig und vermeidet die Entstehung von Abfall, heißt es in dem Fachbeitrag. Für die nachhaltige Produktion von Vanillin wird Kraft-Lignin, das als Abfallprodukt bei der Papierherstellung anfällt und dann zur Stromgewinnung dient, als Ausgangsmaterial verwendet. Als Lösungsmittel kommt Natronlauge zum Einsatz und als Oxidationsmittel wurde der Ligninlösung zu Beginn der Reaktion eine frisch elektrolysierte Peroxodikarbonatlösung zugesetzt. „Wir erreichen damit eine Ausbeute von bis zu 6,2 Gewichtsprozent, das ist ein hervorragendes Ergebnis“, sagt Waldvogel. Darüber hinaus ist das verwendete Karbonat der notwendige Zusatz für den industriellen Betrieb der Zellstoffanlage. Somit sind alle Wege offen, das Verfahren technisch mit einer Bioraffinerie zu kombinieren.
Vielfältige Projekte sollen umweltfreundliche chemische Verfahren fördern
Siegfried Waldvogel ist Professor am Department Chemie der JGU und Sprecher des Profilbereichs SusInnoScience, abgekürzt für Sustainable chemistry as the key to innovation in resource-efficient science in the Anthropocene, ein Spitzenforschungsbereich der JGU, der sich mit nachhaltigen chemischen Lösungen beschäftigt, die zu einer Kreislaufwirtschaft und Vermeidung fossiler Rohstoffe beitragen. Waldvogel ist mit seiner Arbeitsgruppe unter anderem auch an dem internationalen Konsortium LIBERATE beteiligt, das die kommerziellen Möglichkeiten zur Nutzung des kostengünstigen Pflanzenbestandteils Lignin ausloten will und von der EU mit 10 Millionen Euro gefördert wird.
Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_elektrochemie_lignin_vanillin_01....
Kapselfrüchte und Blüte von Vanille
Foto/©: Arbeitskreis Siegfried Waldvogel
https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_elektrochemie_lignin_vanillin_02....
Holz, das Ausgangsmaterial für die Zellstoffindustrie und für die Herstellung von Vanillin
Foto/©: Arbeitskreis Siegfried Waldvogel
https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_elektrochemie_lignin_vanillin_03....
Wälder und ihre Holzressourcen sind die Quelle für die nachhaltige Produktion von Vanillin
Foto/©: Arbeitskreis Siegfried Waldvogel
Weiterführende Links:
https://www.aksw.uni-mainz.de/ - Arbeitskreis Siegfried Waldvogel
https://susinnoscience.uni-mainz.de/ - Spitzenforschungsbereich SusInnoScience
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Prof. Dr. Siegfried R. Waldvogel
Department Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26069
E-Mail: waldvogel@uni-mainz.de
https://www.aksw.uni-mainz.de/prof-dr-s-r-waldvogel/
Michael Zirbes et al.
Peroxodicarbonate as a Green Oxidizer for the Selective Degradation of Kraft Lignin into Vanillin
Angewandte Chemie, 31. Januar 2023
DOI: 10.1002/ange.202219217
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202219217
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Chemistry, Energy, Environment / ecology, Nutrition / healthcare / nursing, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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