Holzfasern gesprengt: So lassen sich hochwertige Biopolymere herstellen
Mithilfe ionischer Flüssigkeiten wollen Forscher hochwertige Biopolymere aus Holz herstellen. Der erste Schritt zum Aufschluss von Holzfasern gelingt bereits im Labormaßstab. Noch aber sind die Flüssigsalze zu teuer.
Henrich Frielinghaus in der Detektorröhre der Jülicher Kleinwinkelstreuanlage KWS-1.
Foto: Andreas Heddergott / TUM
Holz besteht aus Zellulose und Lignin. Aus beiden organischen Komponenten lassen sich Grundchemikalien wie Zucker oder aromatische Verbindungen herstellen, die als Basis für die Produktion von biologisch abbaubaren Kunststoffen, Aromaverbindungen oder Klebstoffen und Harzen dienen. Allerdings ist es schwierig, Lignin und Zellulose aus dem Holz zu isolieren. Denn die Moleküle bestehen aus langen, teilweise verzweigten Molekülketten, die von Lösemitteln kaum aufgeschlossen werden können.
Nun aber haben Wissenschaftler des Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen ein neues Verfahren überprüft, das wesentlich nachhaltiger sein könnte. Eine wichtige Rolle spielen dabei ionische Flüssigkeiten. Dies sind Salze, die bei Temperaturen unter 100 °C flüssig sind und sowohl polare als auch unpolare Eigenschaften haben. Sie bewirken, dass Holz aufquillt und sich teilweise sogar auflösen kann. Die Forscher konnten mit einem Lichtmikroskop beobachten, dass sich ein winziges Stückchen Buchenholz innerhalb weniger Minuten in der Flüssigkeit EMIMAc löst.
Noch ist das Verfahren zu teuer
Auch wenn sich ionische Flüssigkeiten wiederverwenden lassen, sind sie doch immer noch zu teuer für einen Einsatz in der Industrie. Dieser könnte aber interessant werden, wenn die Einweichzeit und die Temperatur weiter optimiert werden. Das haben die Forscher am Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum in Garching untersucht. An der dortigen Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1 konnten sie den Prozess genauer beobachten.
Anfangs quillt das molekulare Flechtwerk aus Lignin und Zellulose, dann wird es regelrecht gesprengt. Die Flüssigkeit dringt weiter ein, Enzyme können die nun zerkleinerten Moleküle weiter zerlegen.
Der Prozess lässt sich noch beschleunigen
„Die Effizienz des Prozesses erwies sich bereits als gut“, sagt Henrich Frielinghaus, Instrumentwissenschaftler an der KWS-1. „Aber da wir nun genau wissen, wie lange die einzelnen Stadien dauern, lässt sich der Prozess beschleunigen und dadurch günstiger machen. Auch hinsichtlich der Temperatur zeigte sich noch Optimierungspotenzial.“
Die Forscher wollen nun auch die chemischen Veränderungen während des Prozesses weiter untersuchen. Dazu kombinieren sie Neutronenstreuung mit einer spektroskopischen Methode.
Im Zeitraffer ist zu sehen, wie ein Stück Buchenholz innerhalb von 6,7 Minuten durch die ionische Flüssigkeit EMIMAc aufgesprengt wird. Die Aufnahmen entstanden nach fünf bzw. 50 Sekunden. Earlywood (deutsch: Frühholz) und Latewood (deutsch: Spätholz) markieren Bereiche im Holz, die früh bzw. spät im Jahresverlauf entstanden sind. Die Jahresringe entstehen durch unterschiedlich dichte Bereiche im Holz. Die dunklen horizontalen Linien bestehen aus Zellen, die senkrecht zur überwiegenden Wachstumsrichtung des Baumstamms wachsen und das lebendige Gewebe am Stammäußeren mit den Leitungsbahnen im Stamminneren verbindet.
