Enzymatische und biomimetische Depolymerisation von Lignin

Abstract

Der enzymatische Abbau von Lignin führt in vitro aufgrund der Repolymerisation radikalischer Abbauprodukte üblicherweise zu einer Erhöhung des Molekulargewichts der Ligninfraktion. In der vorliegenden Arbeit wurden ausgewählte, aus Weizenstroh mittels eines neu entwickelten Organosolv-Verfahrens hergestellte Ligninfraktionen während der enzymatischen Behandlung in einem Säulenreaktor einer räumlichen Trennung unterzogen, um die Repolymerisation zu verhindern. Dies scheint auch gelungen zu sein, jedoch bildeten sich temporär relativ stabile Abbauprodukte, die vermutlich außerhalb des Säulenreaktors wieder repolymerisierten. In der Folge wurden andere experimentelle Ansätze zur Depolymerisation von Lignin getestet. Eine davon war die Behandlung mit Proteasen auf Basis der Arbeitshypothese, dass Ligninmoleküle durch Proteine zu größeren Aggregaten vernetzt sein könnten. Es zeigte sich, dass die Proteasebehandlung nur bei bestimmten, sehr hochmolekularen Ligninfraktionen aus dem Organosolv-Verfahren einen signifkanten Einfluss auf das Molekulargewicht hat. Die drastische Abnahme des Molekulargewichts dieser Fraktion zeigt, dass hier Lignin stark mit Proteinen vergesellschaftet ist. Die Abbauprodukte haben unterschiedliche Molekulargewichte, die Polydispersität der Abbauprodukte nimmt stark zu. Ob tatsächlich eine Ligninvernetzung vorliegt, müsste allerdings durch Vergleich der absoluten Molekulargewichtsverteilungen auf Basis einer geeigneten Kalibration bestätigt werden. Die Anwendung des H2O2 -abhängigen Mn-PSP-Cl)-Katalysators auf Lignin führte zu einer Erhöhung des Molekulargewichts Mw auf 150 % des Ausgangswerts. Die Erhöhung kann auf eine Repolymerisation von Spaltprodukten zurückgeführt werden. Bei Verwendung eines Vanadium-Katalysators in Dioxan war das Molekulargewicht der Ligninfraktion ebenfalls erhöht, jedoch entstand auch eine Abbaufraktion, wobei die geringe Peakbreite hier auf ein monomeres Produkt schließen ließ, das aber nicht weiter identifiziert wurde. Das vermeintliche Abbauprodukt blieb ohne räumliche Trennung stabil und repolymerisierte nicht mit dem verbleibenden Teil der behandelten Ligninfraktion. Weitere Versuche zeigten, dass sich der Einfluss des Vanadium-Katalysators auf das Abbauverhalten von Lignin durch Verwendung unterschiedlicher Lösungsmittel steuern lässt. Die Anwendung von Dioxan resultierte in einer Erhöhung des Molekulargewichts, wogegen die Verwendung von DMF als Lösungsmittel das Molekulargewicht des Ligninpolymers deutlich verringerte und die Ausbeute und Anzahl niedermolekularer Abbauprodukte erhöhte.

In vitro the enzymatic degradation of lignin usually leads to an increase of the molecular weight of the lignin fraction due to the re-polymerization free-radical degradation products. In the present diploma thesis selected lignin fractions, derived from wheat straw by a newly developed organosolv process, were spatially separated during the enzymatic treatment in a column reactor to prevent degradation products from re-polymerization. This seems to be well managed, however, relatively stable temporarily degradation products re-polymerized again outside of the column reactor. In the following other experimental approaches for the depolymerization of lignin were tested. The treatment with proteases, which was based on the working hypothesis that lignin molecules could be crosslinked by proteins to form larger aggregates. It was found that the protease treatment has a significant influence on the molecular weight on a certain, very high molecular weight lignin fractions from the organosolv method only. The drastic decrease of the molecular weight of this fraction shows a strong assiciation of lignin and proteins. The degradation products have different molecular weights, polydispersity of degradation products increases significantly. However, the presence of a crosslinked lignin structure, should be confirmed by comparison of the absolute molecular weight distributions based on an appropriate calibration. The use of H2O2 -dependent (Mn-PSP-Cl) catalyst on lignin led to an increase of the molecular weight Mw at 150% of the initial value. The increase can be attributed to a repolymerization of depolymerisation products. The use of a vanadium catalyst in dioxane leads to an increase in the molecular weight of the lignin fraction. However a degradation prodcut detected with a small peak width refers to a monomeric product, which was not further identified. That presumed degradation product remained stable without spatial separation and did not repolymerizewith the remaining part of the treated lignin fraction. Further experiments showed that the influence of the vanadium catalyst on the degradation behavior of lignin can be controlled by the use of different solvents. The use of dioxane resulted in an increase of the molecular weight, whereas the use of DMF as solvent, leads to a significant decrease of the molecular weight of lignin polymers, whereas the yield and the number of low molecular weight degradation products increased.