Molmassenbestimmung von Lignin aus Weizenstroh mittels HP-SEC

Abstract

Ausgehend von Weizenstroh wird von der Firma ANNIKKI GmbH ein Bioraffinerieprozess entwickelt, der die Trennung der Biomasse in ihre Hauptkomponenten Zellulose, Hemizellulosen und Lignin vorsieht. Durch einen milden alkalischen Aufschluss wird dabei der Großteil des Lignins von den Pflanzenfasern gelöst und abgetrennt. Während der Polysaccharid-Anteil im Allgemeinen in Richtung Zellstoff- oder Bioethanolerzeugung weiterverwendet werden kann, findet der Lignin-Anteil bislang sein Schicksal meist in der thermischen Verwertung. In den letzten Jahren konnte Lignin jedoch einige Nischen in der Polymertechnik erfolgreich besiedeln und die technologische Entwicklung in diesem Anwendungsfeld lässt auf einen stark erhöhten Einsatz von Lignin hoffen. Notwendig dafür wird eine genaue Charakterisierung und auch Standardisierung von Lignin-Produkten sein, um mögliche neue Anwendungsgebiete erobern zu können. Ein im Hinblick auf das Anwendungsgebiet wichtiges Qualitätsmerkmal von Lignin ist seine Molmassenverteilung, die je nach Herkunft und Herstellungsverfahren stark variiert. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, Informationen über die unterschiedlichen Molmassen-Fraktionen des Lignins, das während des alkalischen Aufschlusses aus dem Weizenstroh herausgelöst wurde, zu gewinnen und diese Fraktionen hinsichtlich ihrer Molmassenverteilung mittels High Performance - Size Exclusion Chromatographie (HP-SEC) zu charakterisieren. Zunächst einmal war es erforderlich, die innerhalb der Arbeitsgruppe neue HP-SEC-Methodik zu etablieren. Dabei erwies sich die Kalibrierung der zur Ligninanalyse gewählten TSKGel-Säulen mit NaOH als Laufmittel als große Herausforderung, da die Aussagekraft der aus den Chromatogrammen berechneten mittleren Molmassen sehr stark von einer passenden Kalibrierung abhängt. Während sich Polytethylenglykol nicht eignete, um unter den verwendeten Bedingungen das Retentionsverhalten von gelöstem Lignin zu beschreiben, lieferten Na-Polystyrolsulfonate als Kalibrationsstandard zufriedenstellende Ergebnisse, wie der Vergleich mit fraktionierten industriellen Ligninen zeigte. Um einerseits die Charakterisierung der Aufschlusslösung selbst zu erleichtern und andererseits auch Lignin-Präparate mit unterschiedlichen Molmassen anbieten zu können, wurde die Ligninlösung aus dem Stroh-Aufschluss mit einfachen Methoden fraktioniert. Es wurden verschiedene Methoden wie Ultrafiltration und fraktioniertes Fällen getestet und die jeweils erhaltenen Lignine miteinander verglichen.<br />Mittels fraktionierten Fällens konnten abhängig vom pH-Wert Lignin-Fraktionen mit unterschiedlichen Molmassen (Mw: 1860-6500Da, Mn:<br />930-1280Da) und unterschiedlichen Reinheiten isoliert werden. Es konnte anhand der UV-Absorptivität der verschiedenen Fraktionen festgestellt werden, dass die im UV-Bereich inaktiven Verunreinigungen mit sinkendem pH-Wert der Isolierung abnehmen. Dasselbe Verhalten zeigt die Polydispersität der gefällten Lignine, sie nimmt von 5,08 für die Fraktion bei pH5 auf 2,00 bei pH 2 ab. Die Erkenntnisse aus dem Retentionsverhalten der Aufschlusslösung während der Ultrafiltration und ihrem Verhalten während der fraktionierten Fällung lieferten wichtige Information, um gezielt Lignin-Präparate mit gewünschten Molmassen bzw.<br />Polydispersitäten und von gewünschter Reinheit, je nach Anforderung der Anwendung, herstellen zu können. Beispielsweise konnte durch Ultrafiltration eines zuvor einstufig gefällten Lignins eine Fraktion mit Mw=4360Da und Mn=1150Da isoliert werden, deren Molmasse und Polydispersität zwischen den Werten liegt, die für die ersten beiden im Zuge der fraktionierten Fällung isolierten Lignine bei pH5 und pH4 berechnet wurden. Es konnte somit durch einfache Methoden eine breite Palette von verschiedenen Ligninen isoliert werden, die in weiterer Folge auf ihre Eignung für technische Anwendungen geprüft werden können.<br />

The Austrian company ANNIKKI GmbH is designing a biorefinery process for the separation of the main components of biomass cellulose, hemicelluloses and lignin. The major part of lignin is dissolved and separated from the plant material through a mild alkaline pretreatment.<br />While cell wall polysaccharides are being used for pulp or bioethanol production, the lignin part is mainly ending up in thermal usage via combustion. In the recent years lignin could find its way in some niches in polymer technique and technological progress in this field of application is promising an extended use of lignin in the future.<br />Regarding the field of application molar mass distribution of lignin is a major quality feature varying much depending on origin and isolation conditions.<br />Therefore the goal of this work was to find information about the different molar mass fractions isolated from wheat straw during the alkaline pretreatment and characterize these fractions´ molar mass distributions using High Performance Size Exclusion Chromatography (HP-SEC).<br />Firstly, the newly installed HP-SEC analysis system and methodology had to be established and calibration of the used TSKGel columns using NaOH as the mobile phase pointed out to be a major challenge, as validity of the calculated molar mass averages depends strongly on a proper calibration. While polyethylene glycol could not been used to describe the elution of lignin in solution at our analysis conditions, sodium polystyrene sulfonates afforded satisfying results, as it was seen by comparison to the elution of industrial lignin samples.<br />The pretreatment liquor was fractionated by common means in order to facilitate HP-SEC analysis of the liquor itself on the one hand and in order to be able to offer lignin products with different molar mass on the other hand. Methods like Ultrafiltration and fractionated precipitation were tested and the isolated lignin product were compared by their elution profiles and UV absorptivity. Using fractionated precipitation lignin fractions with different molar masses (Mw:<br />1860-6500Da, Mn: 930-1280Da) and different purities depending on the pH-stage were isolated. Using UV-absorptivity it was observed that the amount of UV-VIS inactive impurities is decreasing with decreasing pH.<br />The same behavior was found for the polydispersity of the different fractions, as Pd=5,08 for the fraction at pH5 and Pd=2,00 at pH2. The conclusions drawn out of the observed behavior of the pretreatment liquor in the Ultrafiltration and fractionated precipitation experiments afforded important information for gathering skills to produce lignin fractions of desired molar masse, polydispersities and purities, depending on the demands of the application. For example a lignin fraction was produced via Ultrafiltration of a before one-step-precipitated lignin with Mw=4360Da and Mn=1150Da, yielding a product with a molar mass between the values for the fractions obtained by fractionated precipitation. Hence, a broad lineup of lignin products could be prepared by common means and can be tested for possible technical applications.