Oxidative pretreatment and biocatalytic valorization of lignocellulosic biomass

• Oxidative Vorbehandlung und biokatalytische Wertschöpfung von lignocellulosehaltiger Biomasse

Wiermans, Lotte; Leitner, Walter (Thesis advisor); Pohl, Martina (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2016)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

In dieser Dissertation sind verschiedene neue (katalytische) Vorgehensweisen für die Wertschöpfung von lignocellulosehalteriger Biomasse entwickelt worden. Dabei sind entweder lignocellulosehaltige Biomasse, Lignin, oder andere relevante, von Biomasse abgeleitete Plattformchemikalien genutzt worden. Im ersten Teil der Dissertation wurde die oxidative Delignifizierung von lignocellulosehaltiger Biomasse untersucht, wobei verschiedene natürliche Rohstoffquellen in Dimethylcarbonate (DMC) als Lösungsmittel genutzt wurden. Die Bildung eines gelblichen Ligninöls wurde beobachtet. Außerdem entstand eine delignifizierte, weiße Polysaccharid-Fraktion, die für Cellulasen zugänglich ist und fermentierbare Zucker liefert. Die Charakterisierung des Ligninöls hat gezeigt, dass das Lignin dearomatisiert worden ist.. Im folgenden Teil dieser Arbeit wurde statt der lignocellulosehaltigen Biomasse nur die Lignin-Fraktion des Buchenholzes verwendet. Das Lignin war in DMC löslich, wodurch es möglich war die folgenden Reaktionen in einem homogenen Reaktionssystem durchzuführen. Dies beschleunigte den oxidativen Prozess. Die Dearomatisierung von Lignin in diesem homogenen Reaktionssystem fand ohne Katalysator statt. Das Ausmaß an Dearomatisierung war stark abhängig von der Konzentration des Oxidierungsmittels und weniger stark abhängig von der Temperatur. Eine katalysatorfreie oxidative Lignin-Dearomatisierung konnte entwickelt werden, die verschiedene Lignin Produkte hervorbrachte. Die äußere Erscheinung reichte vom dunkelbraunen Feststoff bis zum gelblichen Ligninöl. Es wurde versucht den Mechanismus dieser Oxidation und wichtige, aktive Zwischenstufen dieser katalysatorfreien Dearomatisierung aufzuklären, leider ohne nennenswerten Erfolg. Im letzten Teil der Dissertation wurde die Dearomatisierung von Lignin mit einem Enzym von Mycobacterium smegmatis (MsAcT) ausgeführt. Dieses Enzym kann Umesterungen und Veresterungen in Puffer unter Bedingungen katalysieren, die normalerweise bei anderen Hydrolasen nur zur Hydrolyse führen. Einer der Reaktionen die MsAcT ausführen kann, ist die Perhydrolyse, wobei eine organische Persäure in einem wässerigen System gebildert wird. Diese Persäure kann genutzt werden, um Lignin zu dearomatisieren. Im wässrigen System war diese Dearomatisierung jedoch erfolglos. Andere synthetische Reaktionen, wie die Umesterung von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) und Furfural, konnten erfolgreich durchgeführt worden.