Einfluss von <em>Miscanthus</em>-Genotyp und Erntezeit auf Gehalt und Struktur von Lignin aus Organosolv-Verfahren

Abstract

<em>Miscanthus</em> 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 <em>Miscanthus</em> zudem eine hohe CO₂-Fixierrate auf. Aufgrund des geringen Kultivierungsaufwandes sowie der hohen Erträge bietet sich <em>Miscanthus</em> als ausgesprochen attraktiver Rohstoff für die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe und Chemikalien an, welche mittels thermo-chemischer Umwandlung gewonnen werden.<br /><em>Miscanthus</em> 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: <em>p</em>-Cumaryl-, Coniferyl- und Sinapylalkohol bzw. den daraus abgeleiteten, statistisch verknüpften Bausteinen <em>p</em>-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.<br /> In Abhängigkeit von <em>Miscanthus</em>-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).<br /> 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.<br /> 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.