Aromaten sind ringförmige Moleküle, die in vielen Kunststoffen, Harzen, Lösemitteln und Wirkstoffen stecken. Heute stammen solche Bausteine überwiegend aus Erdöl. Holz enthält mit Lignin jedoch eine große natürliche Quelle aromatischer Strukturen. Das Problem: Lignin ist eng mit Cellulose und Hemicellulose verbunden und bildet ein sehr stabiles Netzwerk. Um daraus kleinere aromatische Moleküle zu gewinnen, wird in vielen Verfahren zusätzlicher Wasserstoff benötigt. Ein Forschungsteam der Universität Kyoto zeigt nun in RSC Advances, wie Holz im Labor ohne externe Wasserstoffzugabe in aromatische Monomere und Synthesegas umgewandelt werden kann.

Zuckerfraktion liefert Wasserstoff

Für die Studie nutzten Alex Ikeda-Francisco und sein Team fein gemahlenes Holz zweier Baumarten. Das Holzmehl wurde mit Wasser und einem Palladium-Kohlenstoff-Katalysator in einem geschlossenen Reaktor stark erhitzt. Dabei zeigte sich, dass die Bestandteile des Holzes auf besondere Weise zusammenwirken.

Die Zuckerbausteine aus Cellulose und Hemicellulose zerfallen im heißen Wasser zu kleineren Molekülen und gasförmigen Produkten. Daraus entsteht unter anderem Wasserstoff. Dieser Wasserstoff muss also nicht von außen zugeführt werden, sondern bildet sich direkt im Reaktor. Genau das ist für die Ligninspaltung wichtig, denn Lignin lässt sich oft nur schwer in einzelne aromatische Moleküle zerlegen. Ohne geeignete Reaktionsbedingungen verbinden sich Zwischenprodukte leicht wieder zu größeren, weniger nutzbaren Strukturen.

Mehr Aromaten, aber noch Laborphase

Der im Prozess gebildete Wasserstoff hilft, solche Rückreaktionen zu begrenzen. Je nach Temperatur entstanden unterschiedliche aromatische Bausteine, darunter Guajacole, Syringole, Brenzkatechine und Phenole. Damit zeigt die Studie, dass sich der Produktmix über die Reaktionsbedingungen beeinflussen lässt. Gleichzeitig wurde deutlich, dass der Prozess nicht ohne Nebenreaktionen verläuft. Bei sehr hohen Temperaturen nahm die Selektivität ab. Außerdem bremsten wasserlösliche Zwischenprodukte aus den Holzzuckern den Katalysator zunächst teilweise, bevor sie im Reaktor weiter zu Gas umgesetzt wurden.

Für die Bioökonomie ist der Ansatz interessant, weil er Holz nicht nur als Ligninquelle betrachtet. Auch die Zuckerfraktion übernimmt eine Funktion, indem sie Reaktionsbausteine für die Ligninumwandlung liefert. Zusätzlich entsteht Synthesegas, das als Ausgangspunkt für weitere chemische Prozesse dienen kann. Noch handelt es sich allerdings um eine Laborstudie in kleinen Hochdruckreaktoren. Für eine industrielle Nutzung müssten unter anderem Skalierung, Katalysatoraufwand, Produkttrennung und Gesamtbilanz des Verfahrens genauer geprüft werden.

ag