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Paulownia 03

Paulownia: leicht und stabil; das „Aluminium“ unter den Hölzern als Beispiel für schnell nachwachsende Rohstoffe

Aktuell

31. August 2020

Interview von Prof. Pude zur Bioökonomie, Nachhaltigkeit und Nachwachsenden Rohstoffen für 96bonnFM im Rahmen der Serie "Wissensbissen" (Folge 13: Bioökonomie).


13. August 2020

Eröffnung des Papiertechnikums durch NRW. Minsterin Ursula Heinen-Esser und den Kanzler der Univerität Bonn Holger Gotschalk
Einweihung Papiertechnikum 2020
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Dipl.-Chem. Michel Bergs

 Promotion: 20.12.2018

 

Kooperation mit der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (Standort Rheinbach)

Das Promotionsprojekt wurde gemeinsam betreut durch die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Margit Schulze

(Industrielle Organische Chemie und Polymerchemie) der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (Standort Rheinbach) und Prof. Dr. Ralf Pude.

 


Einfluss von Miscanthus-Genotyp und Erntezeit auf Gehalt und Struktur von Lignin aus Organosolv-Verfahren

 Dissertation online / PhD Thesis online

 

Zusammenfassung

Miscanthus bietet als nachwachsende Industrie- und Energiepflanze zahlreiche Vorteile, die neben den direkten landwirtschaftlichen Anwendungen wie Verbrennung und Tiereinstreu auch eine stoffliche Nutzung im chemischen Bereich zulassen. Als C4-Pflanze mit gesteigerter Photosynthese-Aktivität weist Miscanthus zudem eine hohe CO2-Fixierrate auf. Aufgrund des geringen Kultivierungsaufwandes sowie der hohen Erträge bietet sich Miscanthus als ausgesprochen attraktiver Rohstoff für die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe und Chemikalien an, welche mittels thermo-chemischer Umwandlung gewonnen werden. Miscanthus gehört zur Gruppe der lignocellulosereichen Biomasse. Ein Hauptbestandteil der Lignocellulose ist das Lignin. Dabei handelt es sich um polyphenolisches Makromolekül, welches für eine strukturelle Verstärkung der Pflanze sorgt. Es fällt in der Zellstoff- und Papierindustrie in großen Mengen als Nebenprodukt an, welches bislang nahezu ausschließlich der Energiegewinnung zugeführt wird. Lignin besteht aus drei aromatischen Monolignolen: p-Cumaryl-, Coniferyl- und Sinapylalkohol bzw. den daraus abgeleiteten, statistisch verknüpften Bausteinen p-Hydroxyphenyl (H), Guaiacyl (G) und Syringyl (S). Dabei variieren Gehalt und Verknüpfung dieser drei Bausteine u.a. mit der pflanzlichen Quelle. Lignin besitzt ein großes Potential für die Nutzung als industrieller Rohstoff für die Produktion von hochwertigen Flüssigbrennstoffen, neuen biobasierten Kunststoffen sowie für pharmakologische Anwendungen. In Abhängigkeit von Miscanthus-Genotyp, Ernte(jahres)zeitpunkt und Pflanzenbestandteil (Blatt vs. Stängel) wurden Korrelationen zwischen Struktur und Eigenschaften der Lignine untersucht. Die Isolation der Lignine aus der Biomasse erfolgte über den Organosolv-Aufschluss, die anschließende Strukturaufklärung mittels chromatographischer (GPC) und spektroskopischer Methoden (FTIR, UV-Vis, NMR) und thermischer Analysen (TGA). Ein Vergleich der Lignine aus unterschiedlichen Pflanzenbestandteilen zeigte große Unterschiede. Der Genotyp als Kriterium dagegen bietet qualitativ die geringsten Abweichungen. Strukturunterschiede lassen sich auch zwischen Ligninen verschiedener Erntezeitpunkte feststellen. Bereits anhand der relativ groben Analyseverfahren wie FTIR-Spektroskopie und GPC konnten Differenzen detektiert werden. Besonders aussagekräftig ist der Vergleich der aus NMR- und Pyrolyse-GC/MS-Analysen erhaltenen HGS-Verhältnisse im Lignin. Hier zeigen sich frühe Ernten und gerade die Blattlignine H-reich. Der H-Anteil sinkt zum Ende des Erntezyklus, G und S dagegen steigen an. H-arm und S-reich sind die späten Ernten und Stängellignine.

 

Abstract

As a renewable industrial and energy plant Miscanthus offers numerous advantages that, in addition to agricultural applications, also permit material use in the chemical sector. Miscanthus is a C4 plant with increased photosynthetic activity and high CO2 fixation rate. Due to the low cultivation effort and the high yields Miscanthus proves to be a very attractive raw material for the production of renewable fuels and chemicals which are obtained by means of thermo-chemical conversion.

Miscanthus is rich in lignocellulose. Lignin is a main component of lignocellulose found in plants. It is a polyphenolic macromolecule which provides a structural reinforcement of the plant. In pulp and paper industry it is produced in large quantities as a by-product, which until now has been almost exclusively used for energy production. Lignin consists of three aromatic monolignols: p-cumaryl, coniferyl and sinapylalcohol or the derived, statistically linked building blocks p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G) and syringyl (S). The contents and linkage of these three building blocks vary, i.a. concerning the vegetable source.

Depending on the Miscanthus genotype, (seasonal) harvest time and plant component (leaf vs. stem), correlations between structure and properties of the lignins were investigated. Lignin isolation from biomass was carried out by Organosolv pulping, the subsequent structure determination by chromatographic (GPC) and spectroscopic methods (FTIR, UV-Vis, NMR) and thermal analysis (TGA).

A comparison of the lignins from different plant constituents showed significant differences. In contrast, the genotype as a criterion shows the smallest deviations concerning quality. Structural differences can also be detected among lignins of different harvest times.

Already on the basis of relatively coarse analysis methods such as FTIR spectroscopy and GPC differences could be seen. Particularly significant is the comparison of the HGS ratios in the lignins obtained from NMR and pyrolysis GC / MS analyzes. Here are early crops and especially the leaf lignin H-rich. The H-share decreases at the end of the harvest cycle while G and S increase. H-poor and S-rich are the late harvests and stem lignins.

 

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