Nieuws
Gedetailleerde analyse op moleculair niveau: Groen oplosmiddel gaat lignine-toepassingen boost geven
Lignine, de lijm die de vezels in bomen en planten bij elkaar houdt, is tegelijk een van de meest voorkomende en een van de meest complexe biogrondstoffen. Complex, omdat er zo veel varianten en kwaliteiten zijn. De heterogene chemische structuur maakt het moeilijk om de exacte samenstelling te onderzoeken. Met geavanceerde technieken is dit onderzoekers van Wageningen Universiteit & Research (WUR) toch gelukt.
Met behulp van NMR-spectroscopie karakteriseerden zij voor het eerst op moleculair niveau lignine dat met een groen oplosmiddel uit Miscanthus (Olifantsgras) is gewonnen. Hiermee zijn toepassingen aan te wijzen waarvoor het materiaal geschikt is, waardoor de totale verwaarding van de grondstof in een bioraffinageproces dichterbij komt. Hierover publiceerden de onderzoekers in het wetenschappelijke tijdschrift Green Chemistry.
Reststroom
In de industrie wordt lignine meestal als reststroom beschouwd die vooral voor energie(terug)winning kan worden gebruikt. Dat gebeurt bijvoorbeeld via het Kraft-pulpproces in de papierindustrie. Daarbij worden houtsnippers traditioneel gekookt in een drukvat en behandeld met agressieve chemicaliën om er cellulose uit te winnen: de vezels voor het papier. “De kwaliteit van de lignine is door zo’n intensief proces zodanig aangetast dat er moeilijk een waardevolle toepassing voor te verzinnen is”, zegt Gijs van Erven, onderzoeker Bioraffinage en Duurzame Waardeketens bij Wageningen Food & Biobased Research. “Zodoende komt er steeds meer interesse in het ontwikkelen van mildere scheidingsprocessen die de ligninestructuur minder aantasten, zodat het geschikt is voor hoogwaardige toepassingen.”
Een van die milde processen is het gebruik van zogeheten Deep Eutectic Solvents (DES). Deze oplosmiddelen zijn niet giftig en relatief eenvoudig te produceren uit (deels) biobased chemicaliën. Het proces vindt plaats onder mildere omstandigheden, vooral qua temperatuur, wat veel energie bespaart. Als klap op de vuurpijl is de lignine die in dit proces overblijft reactief, dus van hogere kwaliteit en bruikbaar voor meer hoogwaardige toepassingen.
Balans
Van Erven: “Wij hebben gekeken naar een mengsel van melkzuur en cholinechloride om Miscanthus te scheiden. Dit Noord-Europese gewas staat model voor andere grasachtige gewassen, zoals maïs, stro en suikerriet. DES op basis van melkzuur en cholinechloride is ook toepasbaar voor hard- en zachthout, maar daarbij is een hogere temperatuur of een langere ontsluitingstijd nodig. Dat heeft impact op de ligninestructuur die je uiteindelijk overhoudt. We zoeken naar een balans tussen de hoeveelheid lignine die we uit de grondstof halen, de zuiverheid daarvan en de intactheid van de structuur.”
Uitgangspunt is zo veel mogelijk waarde uit de grondstoffen halen. In dit geval is dat gelukt: uit analyses met behulp van de NMR bleek dat een deel van de melkzuur en choline uit het oplosmiddel zich covalent aan de lignine bindt. Het was een uitdaging om deze chemische verbindingen op moleculair niveau aan te tonen, vanwege de heterogene structuur van lignine: het is feitelijk een complexe mix van uiteenlopende polymeren.
Nieuwe toepassingen
“Wageningen University & Research heeft de analytische toolkit in huis om zo'n vraagstuk aan te pakken. Daarmee hebben we bewezen dat de structuur in DES-ligninesamples uniek is: melkzuur en choline zijn als het ware ingebouwd. De eigenschappen van dit materiaal zijn dan ook daadwerkelijk anders dan die van traditionele lignines. Dat biedt nieuwe mogelijkheden. Zo kunnen we betere biocomposieten en coatings maken van PLA (biobased kunststof) gemengd met DES lignine, omdat ze beide melkzuur bevatten. De positieve lading van choline maakt onze lignine ook meer geschikt voor waterige toepassingen, bijvoorbeeld als flocculant of oppervlakte-actieve stof voor de waterbehandeling. We zien allerlei richtingen waar deze lignine nieuwe toepassingsmogelijkheden heeft.”
Vervolgproject
Verder kijken naar dergelijke ligninetoepassingen is het onderwerp van een vervolgproject, met de exotisch klinkende naam AmphiphiLig. Daarbij wordt samen met de industrie gekeken naar modificaties die lignine beter toepasbaar kunnen maken in zowel olieachtige als waterige milieus. Ook wordt onderzocht hoe de oplosmiddelen kunnen worden teruggewonnen in het proces. “Het is absoluut de moeite waard om hier verder onderzoek naar te doen en ook het terugwinningsproces te verbeteren. Ik denk dat ons vervolgonderzoek echt een boost gaat geven aan het realiseren van toepassingen met lignine!”