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18.03.2020

Molekulare Struktur von Lignin geklärt

Lignin ist ein attraktiver Rohstoff für Biokunststoffe. Röntgenanalysen haben gezeigt, wie die unterschiedlichen Molekülstrukturen die Eigenschaften des Biopolymers beeinflussen.

So sieht Lignin als Rohstoff aus (links) und so daraus erzeugtes Hartplastik (rechts).
So sieht Lignin als Rohstoff aus (links) und so daraus erzeugtes Hartplastik (rechts).
Quelle: 
KTH Stockholm, Marcus Jawerth

Ein wertvoller Rohstoff, der bislang vor allem verbrannt wird: das Biopolymer Lignin. Es ist einer der Hauptbestandteile von Pflanzen und eine vielversprechende Alternative zu Erdöl, um daraus Kunststoffe zu gewinnen. „Lignin ist die größte Quelle natürlich vorkommender aromatischer Verbindungen, wird bislang aber vor allem als Nebenprodukt oder Brennstoff in der Papierindustrie angesehen”, bedauert Mats Johansson von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm. „Jedes Jahr werden Millionen Tonnen davon produziert, die als kontinuierlicher Rohstoffstrom für neue Produkte zur Verfügung stehen könnten.“

Uneinheitlicher Molekülaufbau

Es gibt jedoch einen guten Grund, weshalb sich die Industrie schwer damit tut, Lignin stofflich zu nutzen: Wie die meisten Naturstoffe gibt es eine gewisse Variabilität im Aufbau der Ligninmoleküle. Das führt zu unterschiedlichen Materialeigenschaften, die sich bislang schlecht steuern lassen. Röntgenanalysen am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY könnten das jetzt ändern. Im Fachjournal Applied Polymer Materials berichten die Wissenschaftler über Unterschiede in der Nanostruktur kommerziell erhältlicher Lignine und wie diese sich auf die Materialeigenschaften auswirken.

Größe und Anordnung der Bausteine entscheidend

So habe sich gezeigt, dass das Lignin mal aus größeren und mal aus kleineren Bausteinen zusammengesetzt ist, erläutert Hauptautor Marcus Jawerth von der KTH Stockholm. „Das hat je nach Anwendung Vorteile: Es macht das Lignin härter oder weicher, indem sich die sogenannte Glasübergangstemperatur ändert, bei der das Biopolymer einen zähflüssigen Zustand annimmt.“ Auch die Anordnung bestimmter molekularer Strukturen zueinander beeinflusst, wie sich das Lignin verhält.

Systematischer Überblick geplant

Die Forscher wollen nun durch weitere Untersuchungen einen systematischen Überblick erstellen, wie verschiedene Parameter die Lignin-Eigenschaften beeinflussen. „Das ist enorm wichtig, um die Materialien reproduzierbar herzustellen und vor allem die Materialeigenschaften vorherzusagen“, betont DESY-Forscher Stephan Roth. „Wenn man das Material industriell einsetzen möchte, muss man die molekulare Struktur verstehen und mit den mechanischen Eigenschaften korrelieren.“

Enormes Potenzial für Biokunststoffherstellung

Etwa zwei Drittel des heute meist verbrannten Lignins aus der Papierherstellung könnten künftig als Rohstoff für die Kunststoffherstellung genutzt werden, schätzt Roth. „Lignin gehört mit Zellulose und Chitin zu den häufigsten organischen Verbindungen der Erde und hat enormes Potenzial, erdölbasierte Plastik-Rohstoffe zu ersetzen“, resümiert der Forscher. Zum Verbrennen sei es viel zu wertvoll.

bl

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