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Bindemittel Ersatz
aus Flugasche, gebrauchte Speise- und Frittierölen

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Kies ist vor allem im Garten eine schöne Alternative zu Asphalt

Asphaltieren hat durchaus seine Vorteile. Ob es auch brauchbare Alternativen zum Asphaltieren gibt, und wo Vor- und Nachteile von alternativen Methoden im Einzelnen liegen, können Sie in unserem Beitrag nachlesen.

Wegebefestigung oder Einfahrt

Natürlich muss man zunächst einmal unterscheiden, ob es nur um eine kurze Einfahrt oder um eine eventuell längere Zufahrt geht. In beiden Fällen handelt es sich um eine unterschiedliche Situation, an die man höchstwahrscheinlich auch unterschiedliche Anforderungen hat.

Vorteile von Asphalt

Asphalt spielt in vielen Punkten seine Stärken aus:

gerade auf größeren Flächen ist er leicht und vor allem schnell einzubringen

wegen des schnellen Einbaus ist Asphalt durchaus kostengünstig, nur Kleinflächen lohnen oft nicht

lange Strecken zu pflastern kann enorm teuer werden

Ortbeton hat immer noch Fugen, die schwierig sauberzuhalten sind

Asphalt ist über 20 bis 30 Jahre hinweg fast pflegefrei wenn er richtig eingebaut wurde und braucht auch danach nur wenig Sanierung

Preise von Asphalt

Die Preise sind etwas komplizierter zu rechnen. In den meisten Fällen werden Sie eine Tragschicht und eine Deckschicht benötigen, wobei die Deckschicht doppelt so teuer ist wie die Tragschicht. Der Asphaltverbrauch beträgt rund 25 kg/m² für die meisten Anforderungen.

Rechnet man mit 30 EUR je Tonne für die Tragschicht und 60 EUR je Tonne für die Deckschicht kommt man auf Quadratmeterpreise von rund 15 EUR pro m². Die Kosten für den Einbau kommen dann noch dazu, ebenso die Transportkosten.

Gerade bei größeren Strecken kann sich das aber lohnen, weil die Kosten sich dann über die Größe der Fläche deutlich relativieren.

Alternativen

Kies- und Splittbeläge sind eine mögliche Alternative - allerdings sind das Sauberhalten und das Schneeräumen im Winter auf solchen Belägen eine Last. Dafür ist bei ausreichender Versickerung keine Ableitung des anfallenden Regenwassers nötig - was wiederum Aufwand erspart.

Betonbeläge sind recht widerstandsfähig, weisen aber auch Fugen auf, in denen sich Schmutz sammeln kann. Der Einbauaufwand kann bei Ortbeton durchwegs höher sein, nicht immer kann man das mit perfektem Ergebnis selber machen.

Das Gleiche gilt für Pflaster - auch zum Pflastern gehört etwas Geschick und Erfahrung, dazu sind auch die Materialkosten in einem ähnliche Niveau wie Asphalt bis deutlich höher - je nachdem welches Pflaster man wählt. Sauberhalten und Schneeräumen ist auch hier problematisch und meist mit großem Aufwand und viel Mühe verbunden.

Ökologischer Asphalt

Bitumen erscheint im Asphalt kaum ersetzbar - aber das täuscht. Die Nachteile des aus Erdöl gewonnenen Produkts lassen sich durchaus vermeiden. Die neueste wissenschaftliche Entwicklung ist dabei eine Kombination aus gebrauchten Speise- und Frittierölen und Flugasche (einem reichlich vorhandenem Abfallprodukt aus Kohlekraftwerken, die ja vielerorts immer noch laufen).

Wird das Altöl zusammen mit der Flugasche erhitzt, entsteht ein Bindemittel, das ganz ähnliche Eigenschaften aufweist wie Bitumen. Erste Tests waren vielversprechend, das Material ist tatsächlich so belastbar wie ein klassischer Asphaltbelag. Regulär eingesetzt wird es noch nicht, das könnte sich nach einer erfolgreichen Langzeiterprobung aber schnell ändern.

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Asphaltieren hat durchaus seine Vorteile. Ob es auch brauchbare Alternativen zum Asphaltieren gibt, und wo Vor- und Nachteile von alternativen Methoden im Einzelnen liegen, können Sie in unserem Beitrag nachlesen. Natürlich muss man zunächst einmal unterscheiden, ob es nur um eine kurze Einfahrt oder um eine eventuell längere Zufahrt geht.

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Gesteinskörnung
Faserstoffe
Bitumen: Wirkt wie Kleber (aus Erdöl)

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Asphalt kennen die meisten Kinder aus dem Straßenbau: Ein dunkle, rauchende Masse wird verteilt und mit großen Walzen festgedrückt. Asphalt kann wasserdurchlässig sein, oder wie bei Tankstellen, flüssigkeitsundurchlässg, damit versehentlich vergoßener Kraftstoff nicht in den darunter liegenden Boden eindringen kann. Die Asphaltbefestigungen sind in verschiedenartige Schichten unterteilt.

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Beschädigung der Straßen durch Busse: evtl. Busbahnhof Geseke
Siehe Seite 34 folgende

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80% recycelbar

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Beseitigung von kleinen Schlaglöchern mittels Induktion 

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Beseitigung von kleinen Schlaglöchern mittels Induktion 

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Kleine Risse können so mit Hilfe eines Magnet beseitigt werden. Die Lebenszeit des Asphalt kann so vervierfachtwerden.

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Asphalt als wichtiges Baumaterial im Verkehrsbereich wird durch die Einflüsse des Verkehrs, der Witterung und bspw. von Auftaumitteln stark beansprucht. Um die Kosten für die Erneuerung von Asphaltdeckschichten zu minimieren und deren Lebensdauer zu erhöhen, haben Wissenschaftler der Technische Universität Delft einen neuen mit Stahlwollefasern versetzten Asphalt entwickelt, bei dem kleine Schäden mittels Induktionsenergie behoben werden können.

Eine Mischung aus Bitumen und Gesteinskörnung ist für Verkehrsflächen von essenzieller Bedeutung: Asphalt. Asphalt wird nicht nur im Straßenbau eingesetzt, sondern findet auch bei Schienenwegen als Tragschicht oder als Abdichtung im Wasserbau Verwendung. Am häufigsten kommen wir jedoch mit Asphalt bei Straßen und Parkplätzen in Berührung

. In der Bundesrepublik Deutschland sind 95 % aller befestigten Straßen mit einer Asphaltdecke ausgestattet.

Die verschiedenen Asphaltarten

Je nach Beanspruchung und den verlangten Eigenschaften werden verschiedene Asphaltarten verwendet. Sie unterschieden sich vor allem durch die verwendete Gesteinskörnung.

Um bei stark belasteten Straßen wie beispielsweise Autobahnen einen Straßenbelag mit großer Dauerhaftigkeit zu haben, wird oft Gussasphalt verwendet. Diese Asphaltsorte ist besonders standfest und alterungsbeständig. Hinzu kommt, dass die Lebensdauer von Asphalt oftmals wegen mangelhafter Verdichtung leidet. Gussasphalt muss jedoch nicht mit Straßenwalzen verdichtet werden, sondern wird gegossen und dann glatt gestrichen.

Des Weiteren ist es möglich, Spannungen aus Temperaturschwankungen oder langsam ablaufenden Bauwerksbewegungen durch seine natürliche Elastizität rissfrei abzubauen. Wegen seiner Viskoselastizität ist er abriebsfest und verkraftet das Befahren mit schweren Fahrzeugen.

Eine weitere Asphaltsorte ist sogenannter offenporiger Asphalt, der wegen des hohen Anteils von groben Gesteinskörnungen einen hohen Gehalt an zusammenhängenden Hohlräumen aufweist. Durch diese Hohlräume kann Regenwasser besser abfließen (verminderte Aquaplaning-Gefahr) und der Schall der Fahrgeräusche wird besser absorbiert. Folge ist ein leiserer Straßenbelag (sog. "Flüsterasphalt").

Um Energie bei der Herstellung von Asphaltmischgut zu sparen, wird Niedrigtemperaturasphalt getestet, der bei geringeren Temperaturen gemischt und eingebaut wird. Kaltasphalt wird für kleinere Reparaturarbeiten wie das Verfüllen von Schlaglöchern genutzt und wird, wie der Name bereits sagt, in der Regel bei 80 °C - 100 °C gemischt (normal: 160 und 180 °C).

Das Entstehen von Schlaglöchern

Aufgrund seiner Struktur ist Asphalt aber auch häufig ein großes Ärgernis für Autofahrer. Nach einer bestimmten Zeit, insbesondere nach strengen Wintern und starker UV-Bestrahlung durch die Sonne, entstehen feine Mikrorisse im Bitumen. Durch diese Risse löst sich nach einiger Zeit die Asphaltstruktur an der Oberfläche auf und der Zersetzungsprozess beginnt. Folge ist Splittverlust an der Straßenoberfläche.

In die defekte Oberfläche können nun Wasser und Carbonate (insbesondere Streusalz) eindringen, welche die Struktur des Asphalts weiter angreifen. Bei niedrigen Temperaturen gefriert das Wasser und vergrößert dabei sein Volumen um etwa ein Zehntel. Dadurch vergrößern sich die Risse. Bei wiederholtem Tau- und Frostwetter werden schließlich Teile des Materials durch Frostsprengung abgetrennt. Durch diese Schäden kann noch mehr Wasser in die Straßenoberfläche eindringen, das Problem und die Ausbrüche werden größer.

Lebensdauer des Asphalts verlängern

Der Lehrstuhl für Materialforschung der Fakultät Bauingenieurwesen an der TU Delft unter Leitung von Prof. dr. ir. Erik Schlangen hat eine neue Asphaltart entwickelt, die das Verfüllen der kleinen Mikrorisse im Bitumen ermöglicht . Geheimnis sind kleine Stahlwolle-Fasern, die dem Bitumen beigemischt werden . Beim Auftreten von Schäden werden die Stahlwollefasern mittels Induktionsenergie erhitzt, das umliegende Bitumen schmilzt bei einer Temperatur von 60 bis 70° C und verfüllt die Risse .

Der Asphalt wird seit 2010 auf einem 400 Meter langen Teilstück der A 58 nahe Vlissingen in den Niederlanden erprobt. Der verwendete Asphalt ist ein spezieller offenporiger Asphalt, dem kleine Stahlwolle-Fasern beigemischt wurden. Über die Erfahrungen mit dem neuen Straßenbelag wird in einem speziellen Blog berichtet.

Erste Ergebnisse zeigen, dass die Lebendauer des Asphalts bei Anwendung aller vier Jahre etwa verdoppelt werden kann. Der mit Stahlwollefasern angereicherte Asphalt kostet etwa 25 % mehr als eine herkömmliche Asphaltdecke, erzielt jedoch in einer Gesamtkostenbetrachtung wirtschaftliche Vorteile.

Sollte sich die Dauerfestigkeit des Asphalts und die Funktion der neuen Asphaltsorte herausstellen, könnten Kommunen und Länder jedes Jahr Milliardenbeträge im Straßenunterhalt einsparen. Für die Niederlande gehen die Wissenschaftler bei flächendeckender Anwendung von jährlichen Einsparungen in Höhe von 90 Millionen Euro aus.

Deutsche Städte und Gemeinden wenden jedes Jahr etwa 3,5 Milliarden Euro für die Beseitigung von Schlaglöchern auf. Meistens sind diese Finanzmittel nicht vorhanden, Folge: Die Straßenqualität nimmt spürbar ab, Lärm und Partikelaufwirbelungen nehmen zu. Durch die Beimischung von Stahlwollefasern dürften die finanzielle Belastung gemindert werden.

Ebenfalls sehr interessant ist die Forschungsarbeit im Bereich Beton. In Zusammenarbeit mit Mikrobiologen wurden spezielle Bakterien entwickelt, die Risse in Beton mit Calciumlaktat verfüllen und zudem den Bewehrungsstahl vor Korrosion schützen.

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Selbstheilender Asphalt vervierfacht die Lebenszeit des Straßenbelags von zehn auf 40 Jahre " Zukunft Mobilität

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Asphalt als wichtiges Baumaterial im Verkehrsbereich wird durch die Einflüsse des Verkehrs, der Witterung und bspw. von Auftaumitteln stark beansprucht. Um die Kosten für die Erneuerung von Asphaltdeckschichten zu minimieren und deren Lebensdauer zu erhöhen, haben Wissenschaftler der Technische Universität Delft einen neuen mit Stahlwollefasern versetzten Asphalt entwickelt, bei dem kleine Schäden mittels Induktionsenergie behoben werden können.

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Seite des duraBASt „Bundesanstalt für Straßenwesen“

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Seite des duraBASt „Bundesanstalt für Straßenwesen“

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Testergebnisse der Asphalttests

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Nutzung elektromagnetischer Induktion im Asphalt zur Verlängerung der Nutzungsdauer und Verfügbarkeit sowie zur Reduzierung von Erhaltungskosten

Hintergrund

Die Verlängerung der Nutzungsdauer von Straßen ist für den freien Waren- und Personenverkehr von maßgebender Bedeutung. Die häufigsten Erhaltungsmaßnahmen finden an der Deckschicht statt. An den weiteren Schichten werden Erhaltungsmaßnahmen in größeren Abständen und im größeren Umfang durchgeführt. Im Rahmen einer konventionellen Erhaltung ist es erforderlich, umfangreiche Sicherungsmaßnahmen durchzuführen, die den Verkehrsfluss für mehrere Tage beeinträchtigen.

Konzept

Das HEALROAD (Induction heating asphalt mixes to increase road durability and reduce maintenance costs and disruptions) Projekt soll dazu beitragen, die Nutzungszeit der Deckschicht durch gezielte Maßnahmen zu verlängern. Die Maßnahmen werden dabei so eingesetzt, dass nur eine minimale Beeinträchtigung auf den Verkehrswegen erfolgt. Die selbstheilende Wirkung von Asphalt soll hierbei unterstützt werden. Neben den konventionellen Asphaltbestandteilen - Füller, Gesteine und Bitumen - beinhaltet die Rezeptur kleine magnetische Bestandteile. Mit Induktionsenergie werden die magnetischen Bestandteile schlagartig erwärmt und die Viskosität des umliegenden Bitumens reduziert. Hierdurch sollen sich kleinste Risse im Bitumenfilm zwischen den Gesteinskörnern verschließen und einen Kornausbruch verhindern.
Auf dem duraBASt erfolgt mit der Hilfe des MLS30 der BASt eine realitätsnahe Belastung und Bewertung dieser Deckschicht.

Ziele

In dem Projekt soll eine Asphaltrezeptur konzeptioniert werden, die mittels Induktionsenergie behandelt werden kann. Die Ergebnisse werden sowohl technisch als auch im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung analysiert.

Zwischenfazit

Innerhalb des Projektes wurden bisher umfangreiche Laboruntersuchungen durchgeführt, um die geeigneten Bestandteile und entsprechenden Mengen für die Rezeptur zu ermitteln. Im Anschluss an die Festlegung der Rezeptur erfolgten weitere Laborversuche, bei denen unter anderem ermittelt wurde, wie häufig die Heilung mittels Induktionsenergie angewendet und wie das Material einer Wiederverwendung zugeführt werden kann.

Die nächsten Schritte sind somit:

Validierung der Technologie im Praxiseinsatz und

großmaßstäbliche Einbau- und Belastungsversuche.

Untersuchungen

Für das EU-Projekt HEALROAD wurde Mitte 2017 eine Untersuchungsstrecke im Maßstab 1:1 auf dem duraBASt errichtet. Im Oktober und November 2017 wurden zeitraffende Belastungsversuche auf zwei Belastungsfelder mit jeweils 150.000 Überrollungen durchgeführt. Die Belastung mit dem Mobile Load Simulator MLS30 wurde mit einem Standard Lkw-Reifen, einer auf 75 Kilonewton erhöhten Radlast und mit seitlichem Spurversatz durchgeführt. Diese Kombination ermöglichte es höhere Kräfte als üblich einzuleiten und somit die zeitraffende Wirkung auf die Deckschicht zu verstärken.

Das erste Belastungsfeld diente bei der Aus- und Bewertung als Referenz und wurde lediglich durch den MLS30 belastet. Auf dem zweiten Belastungsfeld wurde zu verschiedenen Zeitpunkten die Induktionsmaschine zur zielgerichteten Selbstheilung der Deckschicht eingesetzt. Durch diese Erhaltungsmaßnahme sollen kleinste Risse im Bitumenfilm geschlossen und ein Kornausbruch verhindert werden.

Beide Belastungsfelder wurden durchgehend mit zerstörungsfreien Messverfahren untersucht und die Kornausbrüche für die weitere Bewertung dokumentiert.

Fazit

Das Hauptziel - eine qualitativ hochwertige Untersuchungsfläche mit einem selbstheilenden Asphalt zu errichten - wurde im Projekt umgesetzt. Qualitätsuntersuchungen während des Bauprozesses zeigten, dass einheitliche Bedingungen geschaffen wurden. Der Transport der in den Niederlanden gemischte HEALROAD Deckschicht erfolgte unter kontrollierten Bedingungen zum duraBASt. Dort konnte der Einbau in den geforderten Grenzwerten erfolgen.

Die zeitraffenden Belastungsversuche mit dem MLS30 führten nachweislich zu Veränderungen in der Deckschicht und Struktur des Aufbaus. Im Rahmen der verschiedenen Einsatzzeiten der Induktionsmaschine zeigte sich, dass die Deckschicht sehr homogen hergestellt wurde und eine einheitliche Erwärmung ermöglichte, was eine schädliche Clusterbildungen verhinderte.

Aufgrund von nur geringen Schäden in der Asphaltdeckschicht konnten bei diesem ersten APT-Versuch mit selbstheilenden Asphalt keine repräsentativen Auswertungen bezüglich des Einflusses der Induktionsenergie gewonnen werden. Es wurde deutlich, dass der seitliche Versatz während der laufenden Belastung des MLS30 (2.000 mm/s und 75 Kilonewton) mit 4 mm/s zu geringe Scherkräfte produziert und somit ein Herauslösen von Gesteinen nicht ausreichend provozierte. Auffällig ist, dass bei den Versuchen vor allem der initial Steinverlust detektiert wurde und nur wenige Steine bei den folgenden Überrollungen gelöst wurden.

Mittels RSAT (Rotating Surface Abrasion Test) wurden zunächst Probekörper aus einer Labormischung, dann Bohrkerne aus der fertigen duraBASt-Untersuchungsfläche und anschließend Bohrkerne aus der belasteten Fläche untersucht. Dabei wurde deutlich, dass die Induktionsenergie möglichst früh eingesetzt werden sollte, weil sonst der Steinverlust trotz Einsatzes der Induktionsenergie deutlich ansteigt.

Die Erkenntnisse der Versuche begründen längere Belastungszeiten und können für zukünftige APT Projekte gut verwendet werden. Zudem sollte eine Lösung gefunden werden, um größere Scherkräfte aufzubringen.

Weitere Informationen
Projekt HEALROAD

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Nutzung elektromagnetischer Induktion im Asphalt zur Verlängerung der Nutzungsdauer und Verfügbarkeit sowie zur Reduzierung von Erhaltungskosten Die Verlängerung der Nutzungsdauer von Straßen ist für den freien Waren- und Personenverkehr von maßgebender Bedeutung. Die häufigsten Erhaltungsmaßnahmen finden an der Deckschicht statt. An den weiteren Schichten werden Erhaltungsmaßnahmen in größeren Abständen und im größeren Umfang durchgeführt.

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pdf Dokument: interessant sind die Seiten 15 (Zusammensetzung der Asphaltschichten

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Evtl. offen-poriger Asphalt

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OPA: Hält nur ca. 8 statt bei normalem Asphalt 20 Jahre

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Mehr Luft im Straßenbelag, Geräusche werden geschluckt, Wasser Kann besser Ablaufen

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Straßenbelag auf Autobahnen : So funktioniert der Flüsterasphalt OPA

Immer häufiger wird auf deutschen Autobahnen der so genannte Flüsterasphalt eingesetzt. Der soll dafür sorgen, dass die Fahrgeräusche reduziert werden.

Laut dem Landesbetrieb Straßenbau in Nordrhein-Westfalen (Straßen.NRW) wird der Flüsterasphalt genutzt, um an "besonders kritischen Stellen die Fahrgeräusche zu reduzieren oder die Straßenentwässerung zu verbessern". Dabei wird offenporiger Asphalt, kurz: OPA, eingesetzt.

Wie das Wort offenporig bereits sagt, gibt es im Asphalt mehrere Hohlräume. Diese sollen den Schall, der durch die Rollgeräusche der Reifen auf der Straßenoberfläche erzeugt wird, schlucken. "Außerdem fließt durch die Hohlräume das Wasser besser ab", heißt es auf der Internetseite von Straßen.NRW zum Thema Straßenbelag. Der Flüsterasphalt wird auch Drainasphalt genannt.

Nachteil des OPA: "Während der normale Straßenbelag einer hoch belasteten Autobahn aus Asphalt oder Beton heute mindestens 20 Jahre lang hält, liegt die Haltbarkeit des OPA-Belages nur bei etwa acht bis zehn Jahren", heißt es vom Landesbetrieb.

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Straßenbelag auf Autobahnen: So funktioniert der Flüsterasphalt OPA

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Straßenbelag auf Autobahnen : So funktioniert der Flüsterasphalt OPA Immer häufiger wird auf deutschen Autobahnen der so genannte Flüsterasphalt eingesetzt. Der soll dafür sorgen, dass die Fahrgeräusche reduziert werden. Laut dem Landesbetrieb Straßenbau in Nordrhein-Westfalen (Straßen.NRW) wird der Flüsterasphalt genutzt, um an "besonders kritischen Stellen die Fahrgeräusche zu reduzieren oder die Straßenentwässerung zu verbessern".

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Bitumen bleibt zurück, wenn Benzin aus Erdöl destilliert wird.

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Pflanzenmolekül Lignin:
Bitumenanteil sinkt

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ingenieur.de - Jobbörse und Nachrichtenportal für Ingenieure

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Niederländische Forscher wollen Asphalt umweltfreundlicher herstellen. Vor allem das bislang eingesetzte Bindemittel Bitumen ist ihnen ein Dorn im Auge. Schließlich wird das Gemisch aus endlichem Erdöl gewonnen und ist wenig ökologisch verträglich. Ihre Alternative: das Pflanzenmolekül Lignin.

Als Bitumen oder auch Erdpech wird ein Gemisch aus organischen Stoffen bezeichnet, das im Straßenbau bislang unverzichtbar ist. Nicht zuletzt wegen seiner klebrigen und abdichtenden Eigenschaften findet Bitumen Anwendung in der Asphaltherstellung - als Bindemittel. Der Nachteil: Die Substanz wird aus dem fossilen und damit endlichen Rohstoff Erdöl gewonnen. Zudem ist Bitumen wenig umweltverträglich.

Die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung (TNO) hat deshalb untersucht, wie sich der Bitumen-Anteil im Asphalt zumindest reduzieren lässt. Eine mögliche Alternative ist die Verwendung des Pflanzenmoleküls Lignin: jene Substanz, die Holz seine Druck- und Bruchfestigkeit verleiht. Ingenieur.de berichtete bereits über Methoden zur Gewinnung von Lignin.

Eine Herausforderung: Der Schwefelanteil muss reduziert werden

Wie Bitumen verfügt auch das ökologisch verträglichere Lignin über eine hohe Klebewirkung und abdichtende Eigenschaften. Doch obwohl es unter anderem bei der Herstellung von Papier als Abfallprodukt entsteht, ist es bislang kompliziert, das Molekül auf wirtschaftliche Weise industriell nutzbar zu machen. Ein Problem: Da Lignin dem Bitumen beziehungsweise dem Öl bereits auf molekularer Ebene zugegeben werden muss, sind vorher umfangreiche Tests notwendig. Allein deshalb, um das am Ende effizienteste Mischungsverhältnis zu ermitteln.

Eine weitere Hürde: Beim bisherigen Ligninabbau entsteht ein schwefelhaltiges Endprodukt. Der hohe Schwefelanteil schränkt die Einsatzmöglichkeiten des Biomoleküls allerdings ein, das aufgrund seiner selten vorkommenden molekularen Ringstrukturen eigentlich eine Menge Potenzial bietet.

Superlignin eignet sich auch zum Abdichten von Hausdächern

TNO-Forschern gelang die Entschwefelung des Lignins eher durch Zufall. Team-Mitglied Ted Slaghek erläutert, dass im niederländischen Zeist Wissenschaftler zeit Jahrzehnten Trocknungsprozesse mit Heißdampf durchführen und untersuchen. Zum Beispiel wurden so bereits Pommes Frites gebacken, Mehlwürmer getrocknet oder auch Kakao geröstet. „Irgendwann haben wir dann Stroh mit diesem Heißdampf behandelt", erzählt Slaghek. Doch anstatt dafür pure Schwefelsäure zu nutzen, verdünnten die Wissenschaftler den Schwefelanteil auf magere 0,5 Prozent.

„Wir waren erstaunt, wie gut das funktioniert", berichtet Slaghek. Das so gewonnene Lignin bezeichnen die Forscher als Superlignin. Es ist hochmolekular, wurde nur sehr sanft behandelt und riecht nicht nach Schwefel. Ein solches schwefelbefreites Lignin lässt sich laut den Forschern nicht nur vorzüglich im Straßenasphalt einsetzen, sondern auch für Dachabdichtungen, die bislang mit Bitumen vorgenommen werden.

Noch bis in die 70er-Jahre hinein wurde bei der Asphaltherstellung für die Verklebung der Gesteinskörner nicht Bitumen verwendet, sondern Teer. Zumindest für öffentliche Auftraggeber ist dieser wegen seiner krebserregenden Wirkung aber mittlerweile verboten.

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Lignin statt Bitumen: Asphalt soll grüner werden - ingenieur.de

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Niederländische Forscher wollen Asphalt umweltfreundlicher herstellen. Vor allem das bislang eingesetzte Bindemittel Bitumen ist ihnen ein Dorn im Auge. Schließlich wird das Gemisch aus endlichem Erdöl gewonnen und ist wenig ökologisch verträglich. Ihre Alternative: das Pflanzenmolekül Lignin. Als Bitumen oder auch Erdpech wird ein Gemisch aus organischen Stoffen bezeichnet, das im Straßenbau bislang unverzichtbar ist.

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Aus Speiseresten wollen Ingenieure Bioasphalt herstellen. Erste Straßen damit gibt es schon. In Deutschland setzt man dagegen auf Recycling in anderer Form.

Der Bauingenieur Haifang Wen gießt gebrauchtes Öl nach dem Frittieren oder Braten vermutlich nicht in den Ausguss. Der Forscher der Washington State University sieht darin schließlich einen wertvollen Rohstoff, den er in umweltfreundlichen Straßenbelag verwandeln kann. Bisher hält Bitumen die Steinchen im Asphalt zusammen. Die schwarze, zähe Flüssigkeit bleibt zurück, wenn Benzin aus Erdöl destilliert wird. "Unser neues 'grünes' Bindemittel hat die gleichen Qualitäten wie petrochemisch hergestelltes Bitumen", behauptet Wen. An Nachschub fehle es auch nicht. Allein in den USA fallen der Umweltbehörde EPA zufolge jedes Jahr zwölf Milliarden Liter gebrauchtes Speiseöl an.

Um das Bindemittel herzustellen, erhitzen die Forscher Reste aus Restaurants mit ein wenig Flugasche, einem Abfallprodukt aus Kohlekraftwerken. Dabei verketten sich die ungesättigten Fettsäuren der Öle zu komplexen Molekülen, es entsteht eine klebrige, graue Masse. Auch der Asphalt, den Wen damit anmischt, ist eher grau als schwarz. In seinem Labor hat der Bioasphalt aus Bratöl erste Härtetests schon erfolgreich überstanden; im Sommer soll er auf die Straße gebracht werden. "Wir wollen eine mindestens 400 Meter lange Teststrecke damit asphaltieren", so Wen.

Tierisches Bindemittel im Teer

Altes Pflanzenöl ist nicht das erste Material, das die Petrochemie aus dem Straßenbau verdrängen soll. Vor vier Jahren meldeten Forscher der Iowa State University, sie hätten Asphaltkleber aus Holz- oder anderen festen Pflanzenabfällen entwickelt. Ein Radweg in der Hauptstadt Des Moines, der damals mit einem Belag aus etwa fünf Prozent Eichenholz-Bioasphalt versehen wurde, ist den Wissenschaftlern zufolge noch heute so gut in Schuss wie eine Fläche aus konventionellem Bitumenasphalt.

Auch Schweinemist wird als Rohstoff für Asphaltkleber genutzt. Im Frühjahr 2010 meldeten US-Medien, eine Straße in St. Louis sei mit einem Asphalt überzogen worden, in dem tierisches Bindemittel stecke. Entwickelt wurde es unter anderem von Forschern der University of Illinois. Auch Wissenschaftler der North Carolina A&T State University arbeiten an Asphaltklebern aus dem Schweinestall. Sie nutzen den Rückstand, der bei der Produktion von Bioöl aus Mist entsteht.

Michael Wistuba von der Technischen Universität Braunschweig, der mit einem Industriepartner an einem noch geheimen Rezept für Bioasphalt forscht, ist allerdings skeptisch. "Der wissenschaftliche Beweis, dass die Biobindemittel dem Bitumen gleichwertig sind, steht noch aus", sagt er. Bei den bisherigen Beispielen handele es sich in der Regel um Asphalt, in dem Bitumen mit biologischem Kleber gestreckt wurde. Und selbst das scheint auf Kosten der Haltbarkeit zu gehen. "Der Asphalt mit Pflanzenölanteil ist oft weniger stabil und hält nur halb so lange wie reiner Bitumenasphalt", sagt der Entwickler. Vier Jahre sind kein Alter für eine Straße.

Eine Alternative: Straßenrecycling

Auch deshalb wundert er sich, warum Presseerklärungen zu Bioasphalt, fast immer aus den USA, Wellen schlagen, während eine andere, schon heute praktizierte Lösung kaum Schlagzeilen erntet. "Deutschland zählt zu den weltweit führenden Ländern im Asphalt recycling, nur weiß das kaum jemand", sagt er. "Rund 80 Prozent des herausgerissenen Asphalts werden hierzulande zu neuen Straßendecken recycelt." Forscher arbeiteten schon an Rezepturen, um die Recyclingquote auf mehr als 90 Prozent zu treiben. Für das Recycling wird der alte Asphalt zerschreddert, erwärmt und mit ein wenig frischem Bitumen wieder auf die Straße gebracht - ohne Qualitätseinbußen.

Ob und wann Bioasphalt die Qualität fossilen oder recycelten Asphalts erreicht, hängt Wistuba zufolge nicht nur an der Qualität. "Wenn die Preise für den Bitumenrohstoff Erdöl deutlich steigen, wird es einen Entwicklungsschub geben", ist er überzeugt. "Doch wann das passiert, steht in den Sternen."

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Ingenieure entwickeln Bioasphalt für Straßenbau

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Aus Speiseresten wollen Ingenieure Bioasphalt herstellen. Erste Straßen damit gibt es schon. In Deutschland setzt man dagegen auf Recycling in anderer Form. Der Bauingenieur Haifang Wen gießt gebrauchtes Öl nach dem Frittieren oder Braten vermutlich nicht in den Ausguss. Der Forscher der Washington State University sieht darin schließlich einen wertvollen Rohstoff, den er in umweltfreundlichen Straßenbelag verwandeln kann.

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UBa+Audio

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Deutschland ist kreuz und quer überzogen von einem riesigen Straßennetz. Autobahnen, Bundes-, Kreis- und Gemeindestraßen zusammengenommen, kommt man auf rund 700.000 Kilometer Asphalt. Es ist das dichteste Straßennetz Europas. Und auch bei der Asphaltproduktion ist Deutschland vorne mit dabei: Von europaweit etwa 4.000 Asphaltmischanlagen stehen etwa 700 in Deutschland. Jedes Jahr produzieren sie rund 60 Millionen Tonnen Asphalt. Und dass das weniger wird, ist nicht zu erwarten.

Man sollte also meinen, dass die Arbeitsverfahren im Straßenbau mittlerweile ausgereift sind. Aber das stimmt nicht: Es wird noch immer viel geforscht. Straßen werden recycelt und Forscher suchen nach Wegen, in Zukunft Asphalt ohne Erdöl herzustellen - eine der wichtigsten Aufgaben der kommenden Jahrzehnte. Denn Erdöl wird eines Tages zur Neige gehen. Außerdem wäre es auch heute schon klimafreundlicher, auf Erdöl im Straßenbau zu verzichten. Wie unsere Straßen in Zukunft ökologischer werden sollen, erklärt Michael Wistuba, Leiter des Instituts für Straßenwesen an der TU Braunschweig.

Audio

Quelle:
Green Radio / Detektor.fm

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Straße ohne Öl - Ökologischer Straßenbau

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Deutschland ist kreuz und quer überzogen von einem riesigen Straßennetz. Autobahnen, Bundes-, Kreis- und Gemeindestraßen zusammengenommen, kommt man auf rund 700.000 Kilometer Asphalt. Es ist das dichteste Straßennetz Europas. Und auch bei der Asphaltproduktion ist Deutschland vorne mit dabei: Von europaweit etwa 4.000 Asphaltmischanlagen stehen etwa 700 in Deutschland.

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Straßen ohne Öl

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ingenieur.de - Jobbörse und Nachrichtenportal für Ingenieure

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Ein Stoff im Holz könnte bei der Herstellung von Klebstoffen und Lacken den Einsatz von Erdölprodukten überflüssig machen. Lignin, ein Bestandteil des Holzes, eignet sich gut als Ersatzstoff. Jetzt arbeiten Fraunhofer-Forscher an einem Verfahren, Lignin wirtschaftlich gewinnen zu können.

Lignin ist die Substanz, die jedem Holz seine Druck- und Bruchfestigkeit verleiht. Die darin enthaltenen aromatischen Verbindungen eignen sich sehr gut als Zwischenprodukt, um unterschiedlichste Produkte wie Klebstoffe oder Lacke herzustellen. Doch sie lassen sich nur sehr schwer aus dem Lignin herauslösen - das macht seinen Einsatz unwirtschaftlich, und die Industrie nutzt deshalb bisher fossile Rohstoffe, die aber bekanntermaßen knapper und teurer werden und wenig umweltfreundlich sind.

Um ein einfaches, wirtschaftliches Verfahren zu entwickeln, arbeiten Forscher von drei Fraunhofer-Instituten mit mehreren Universitäten und Unternehmen zusammen. „Indem man Lignin für die chemische Industrie nutzbar macht, würde man eine viel höhere Wertschöpfung für die Ressource Holz erreichen. Außerdem ist es wesentlich nachhaltiger, die aromatischen Grundsubstanzen aus einem nachwachsenden Rohstoff zu gewinnen", sagt Gerd Unkelbach vom Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna.

Lignin-Moleküle werden gespalten

Das Fraunhofer-Team hat nun einen Weg gefunden, die äußerst robusten und widerstandsfähigen Lignin-Moleküle in kleinere Einheiten zu spalten. Diese Bruchstücke enthalten zwar immer noch ein Aromaten-Gemisch, das aber schon für Klebstoffe, Lacke und auch Harze nutzbar ist. Die Forschungspartner aus der Industrie arbeiten derzeit vor allem daran, dieses Gemisch noch chemisch zu modifizieren und an die jeweilige Anwendung anzupassen.

Ressourcen gibt es reichlich, vor allem in der Papierindustrie. Allein ein Zellstoffwerk produziere pro Jahr mehrere hunderttausend Tonnen Lignin, sagen die Wissenschaftler. Es wird verbrannt, um Energie zu erzeugen, wobei die Produktion oft sogar den Bedarf übersteige.

Nutzung auch als Biokraftstoff

Parallel zu diesen Forschungen betreibt das Fraunhofer CBP eine Pilotanlage, um Lignozellulose zu raffinieren. Auch international wird seit Jahren an ähnlichen Projekten gearbeitet. Wissenschaftler versuchen, Lignin auch aus Getreide und Stroh zu gewinnen. Auch als Rohstoff für Biokraftstoffe wird die Substanz bereits erprobt. Die Fraunhofer-Forscher wollen ihr Konzept und verschiedene Zwischenprodukte auf der Grünen Woche in Berlin vom 17. bis 26. Januar vorstellen.

Die mit solchen Verfahren mögliche bessere Ausnutzung des Rohstoffes Holz könnte für die deutsche Wirtschaft große Bedeutung haben, weil das Material wertvoller wird und die Preise weniger Schwankungen unterliegen als in der modeabhängigen Möbelindustrie, die der größte Abnehmer heimischer Hölzer ist ist. Selten erwähnt, ist die Forstwirtschaft eine bedeutsame Branche: Rund 28.000 private und öffentliche Forstbetriebe existieren in Deutschland.

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Holz als Basis für Lack und Klebstoff aus der Natur - ingenieur.de

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Ein Stoff im Holz könnte bei der Herstellung von Klebstoffen und Lacken den Einsatz von Erdölprodukten überflüssig machen. Lignin, ein Bestandteil des Holzes, eignet sich gut als Ersatzstoff. Jetzt arbeiten Fraunhofer-Forscher an einem Verfahren, Lignin wirtschaftlich gewinnen zu können. Lignin ist die Substanz, die jedem Holz seine Druck- und Bruchfestigkeit verleiht.

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verleiht Holz festigkeit und Stabilität

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Strukturformel

Beispiel einer Ligninstruktur

Allgemeines

Name

Lignin

CAS-Nummer

9005-53-2

Art des Polymers

Biopolymer, Copolymer

Kurzbeschreibung

cremefarbener Feststoff[1]

Monomer

Monomer

Cumarylalkohol, Coniferylalkohol, Sinapylalkohol

Summenformel

C ₉H ₁₀O ₂, C ₁₀H ₁₂O ₃, C ₁₁H ₁₄O ₄

Molare Masse

150,18 g·mol −1, 180,20 g·mol −1, 210,12 g·mol −1

Eigenschaften

Aggregatzustand

fest

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Lignine ( lat. „Holz") bilden eine Gruppe von phenolischen Makromolekülen, die sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammensetzen. Es handelt sich um feste Biopolymere, die in die pflanzliche Zellwand eingelagert werden und dadurch die Verholzung der Zelle bewirken (Lignifizierung). Etwa 20 % bis 30 % der Trockenmasse verholzter Pflanzen bestehen aus Ligninen, damit sind sie neben der Cellulose und dem Chitin die häufigsten organischen Verbindungen der Erde. Die Gesamtproduktion der Lignine wird auf etwa 20 Milliarden Tonnen pro Jahr geschätzt.

Da Lignine wesentlich für die Festigkeit von pflanzlichen Geweben sind, ist die Evolution der landlebenden Pflanzen und vor allem der Bäume sehr eng mit der Bildung von Lignin verknüpft. Nur mit Lignin können Pflanzen Festigungselemente ausbilden, welche die Stabilität größerer Pflanzenkörper außerhalb des Wassers gewährleisten - im Wasser sorgt der Auftrieb für die nötige Stabilität.

Lignin hat als Stützmaterial und verhärtetes Polymer eine Reihe von wichtigen Aufgaben für die Pflanze. Lignine sind wesentlich für die Festigkeit von pflanzlichen Geweben, wobei sie vor allem für die Druckfestigkeit von zentraler Bedeutung sind, während die eingelagerten Cellulosefasern die Zugfestigkeit gewährleisten. Es handelt sich also um eine Durchdringung von reißfesten, biegsamen Fasern (Cellulose) mit einem dichten und starren Polymer als Füllmaterial (Lignin). Als Analogien sind auch technische Materialien wie Stahlbeton oder naturfaserverstärkter Kunststoff entsprechend aufgebaut.

Pflanzen ohne Lignin können durch die Cellulose zwar beträchtlichen Zugkräften standhalten, gegenüber Druck sind sie dagegen empfindlich. Ohne Lignin können keine Festigungselemente ausgebildet werden, die bei fehlendem Auftrieb durch das Wasser die Stabilität größerer Pflanzenkörper gewährleisten und entsprechende Tragestrukturen entgegen der Druckwirkung durch die Gravitationskraft aufbauen. Auch die Ausbildung von Verzweigungen und Astsystemen zur Schaffung großer photosynthetisch wirksamer Flächen kann nur durch eine Stabilisierung der Äste erfolgen.

Außerdem dient Lignin als Kittmaterial für den Zellverbund über die Mittellamelle. Es bietet Schutz gegen Eindringen von Wasser in das Zellwandmaterial und hält dieses somit in den Leitgefäßen ( Xylem und Phloem) sowie im Innern der Zellen. Weitere Schutzwirkung besteht gegenüber UV-Licht sowie mechanischer Beschädigung und dem Eindringen von Schädlingen. Schließlich kann Lignin nur schwer von Bakterien bzw. Pilzen abgebaut werden und hemmt infolgedessen das Wachstum pathogener Mikroorganismen passiv sowie aktiv durch den Aufbau von Wundlignin in Bereichen mit mechanischer Beschädigung. Eine ähnliche Struktur mit einem analogen Aufbau stellt das Suberin dar, das vor allem in den Zellwänden des Phellems (Kork) vorkommt.

Die Evolution der landlebenden Pflanzen und vor allem der Bäume ist sehr eng mit der Ligninbiosynthese verknüpft. Das Lignin ist entsprechend erst mit dem Auftreten dieser Pflanzen als echtes Lignin anzutreffen, während in ursprünglicheren Pflanzen wie Grünalgen nur die Bausteine oder lignin-ähnliche Polymere vorhanden sind. Die aktuelle Annahme ist, dass Lignin eine Neuentwicklung und damit ein gruppenbegründendes Merkmal ( Autapomorphie) der Gefäßpflanzen darstellt. Wahrscheinlich konnte es sich zuerst als Abwehrstoff gegenüber Pilzinfektionen in Form von Wundlignin etablieren und nahm darauf aufbauend die zentrale Funktion als Stabilisationsmaterial ein. 2009 konnte allerdings auch in Rotalgen der Art Calliarthron cheilosporioides Lignin nachgewiesen werden. Dies wirft die Frage auf, ob es entweder konvergent sowohl bei den höheren Pflanzen als auch bei den Rotalgen entstanden ist, oder vielleicht bereits früh in der Entwicklung der Eukaryoten auftauchte und bei anderen Organismen wieder verschwunden ist.

Eigenschaften

Lignin ist sehr fest bis spröde und hell- bis dunkelbraun gefärbt. Es ist optisch isotrop, UV-Licht wird von dem Material fast vollständig absorbiert, sichtbares Licht zum Teil.

Lignin stellt allerdings keine einheitliche Substanz dar, sondern eine Gruppe von phenolischen Makromolekülen, die sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammensetzen. Dabei wird durch die Kombination ähnlicher Grundmoleküle eine dicht vernetzte, amorphe Masse aufgebaut. Die Struktur besitzt im Vergleich zu Polysacchariden wesentlich weniger polare Gruppen, wodurch Lignine hydrophob und damit in Wasser und vielen anderen Lösungsmitteln nicht löslich sind. Aus diesem Grund sind sie biologisch wie chemisch schwerer abbaubar als andere natürliche Stoffe.

Struktur und Zusammensetzung des Lignins

Lignine sind dreidimensionale und amorphe Netzwerke (Polymere) aus aromatischen Grundbausteinen, die in vielfältiger Form miteinander verknüpft sind. Neben aromatischen Bindungen enthalten sie viele weitere Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfach- und Doppelbindungen, zudem kommen viele phenolische Gruppen vor.

Es handelt sich um höhermolekulare (relative Molekülmasse etwa 5000-10000) Abkömmlinge der Phenylpropanoide, die als Substituenten des Benzolrings neben einer Propankette eine OH- bzw. Hydroxygruppe, ein oder zwei OCH ₃- bzw. Methoxy- sowie diverse Restketten (Alkoxy- oder Aryloxy-Gruppen) enthalten. Da die Makromoleküle allerdings in alle Raumrichtungen wachsen, wobei besonders die Mittellamellen eine starke Ausdehnung ermöglichen, und auch sekundär miteinander verkettet sind, entspricht die Ligninmasse bei einem ausgewachsenen Baum zuletzt wahrscheinlich einem einzigen Lignin-Polymermolekül, dessen Masse dann mehrere Tonnen beträgt.

Abhängig von der Holzart setzt es sich aus Strukturen zusammen, welche auf die Basisbausteine p-Cumarylalkohol, Coniferylalkohol und Sinapylalkohol (Monolignole) zurückzuführen sind (siehe Biosynthese). Da das Lignin in einem radikalischen Prozess entsteht, bei dem die Radikalbildung enzymatisch erfolgt, aber nicht deren Weiterreaktion, sind die Zusammensetzung und die Anteile der einzelnen Bausteine stark variabel; eine gerichtete Verknüpfung nach einem immer gleichen Schema existiert nicht. Neben der Variabilität jedes einzelnen Ligninmoleküls unterscheidet sich zudem das Lignin verschiedener Holz- bzw. Pflanzenarten durch die prozentualen Anteile der Alkohole bzw. den davon abgeleitetetn Phenylresten: Nadelholz-Lignin enthält überwiegend Coniferyl-Einheiten (etwa 90 %), die einen Guajacylrest (3-Methoxy-4-hydroxy-phenylrest) besitzen und daher als G-Lignin bezeichnet wird. Laubholzlignin enthält wechselnde Anteile von Guajacylresten und Sinapyl-Elemente, die einen Syringylrest (3,5-Methoxy-4-hydroxy-phenylrest) enthalten. Der Syringylanteil kann zwischen 5 und 65 % betragen, die resultierenden Lignine werden als GS-Lignin bezeichnet. Das Lignin der teilweise verholzten Gräser und anderer Einkeimblättriger zeichnet sich durch einen hohen Anteil von etwa 15 bis 35 % Cumaryl-Elementen aus, die das para-Hydroxy-Phenylpropan bilden und gemeinsam mit einem Syringylanteil in gleicher Höhe und einem Guajacylanteil von 50 bis 70 % die HGS-Lignine bilden. In geringen Mengen werden zudem Zimtsäuren und Zimtaldehyde (die Ausgangsstoffe der Basis-Alkohole) in die Matrix integriert.

In der Analytik sind verschiedene Nachweisreaktionen für Lignin bekannt, die auf dem Aufbau des Stoffes beruhen. Zur Feststellung der Anwesenheit von Lignin kommt es zu einer Rotfärbung durch salzsaure Phloroglucinlösung. Diese Reaktion geht auf die in die Ligninmatrix eingebetteten Zimtaldehyde zurück. Durch die unterschiedliche Zusammensetzung der Lignine in Nadelhölzern und Laubhölzern kann durch die unterschiedliche Färbung, die mit diesem Nachweis erreicht wird, zwischen den beiden Holztypen unterschieden werden. Nadelhölzer färben sich hierbei kirschrot, Laubhölzer rotviolett. Außerdem ist eine Gelbfärbung mit Anilin/Schwefelsäure und eine Violettfärbung mit Schiffschem Reagenz möglich. Zur qualitativen Analyse wird vor allem die Gaschromatographie eingesetzt. Zur Bestimmung des Lignin-Anteils kommt das Klason-Verfahren zur Anwendung, bei dem die Polysaccharide durch eine zweistufiges Säurehydrolyse abgebaut und der verbleibende Ligninrest anschließend gewogen wird (Klasen-Lignin). Bei GS-Ligninen ist anschließend eine UV-Spektroskopie der Säurelösung notwendig, da diese säurelösliche Anteile des Lignin enthält.

Ligninanteile

Die nebenstehende Tabelle stellt die Anteile von Lignin, Cellulose und Hemicellulosen bei verschiedenen Biomasserohstoffen dar. Dabei handelt es sich vor allem um kommerziell relevante Hölzer und lignocellulosehaltige Reststoffe.

Lignin als Zellwandverstärkung

Pflanzliche Zellwände bestehen aus Cellulosefibrillen, die in eine Matrix aus Pektinen, Hemicellulosen, Proteinen und Lignin eingebunden sind. Dabei lagern sich die Cellulosemoleküle aus jeweils etwa 100 Einzelmolekülen parallel zu so genannten Elementarfibrillen bzw. Micellarsträngen zusammen, die durch Wasserstoffbrücken stabilisiert werden. Jeweils 20 dieser Micellarstränge bilden gemeinsam eine Mikrofibrille mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 30 nm. Die Mikrofibrillen wiederum können sich zu Makrofibrillen mit einem Durchmesser von etwa 400 nm zusammenlegen, dabei entstehen Zwischenräume von etwa 10 nm, die als interfibrilläre Räume bestehen bleiben. Die interfibrillären Räume dienen unter anderem dem Wassertransport in der Zellwand, außerdem werden in diese Zwischenräume größere Moleküle wie Hemicellulosen, Pektine und Lignin zur Festigung der Cellulosestruktur eingelagert (Inkrustierung).

Bei einer Verholzung wird die ursprüngliche Zellwandmatrix durch das Ligninpolymer mit den eingelagerten Cellulosefasern ersetzt. Die Cellulosefasern sind dabei so dicht in das Polymer eingepackt, dass sie sich nicht mehr gegeneinander verschieben können und auch ihre Quellfähigkeit verlieren. Eine besondere Form der Verholzung findet im sogenannten Reaktionsholz statt: Holzbereiche, die besonders starken Belastungen ausgesetzt sind, verstärken sich kontinuierlich. Diese Reaktion fällt allerdings unterschiedlich aus, bei waagerecht wachsenden Ästen der Nadelbäume kommt es beispielsweise aufgrund der Druckbelastung verstärkt zu einer Verholzung der Astunterseite durch ligninreiches Druckholz. Laubbäume hingegen verstärken bei der gleichen Beanspruchung vor allem die Astoberseite mit cellulosereichem Zugholz ohne Liginanteile.

Xylemverholzung

Druckbeanpruchung entsteht nicht nur bei Konstruktionselementen, sondern auch in den Bereichen der Pflanze, die einem hohen Innendruck standhalten müssen. Dies ist vor allem in den Leitbahnen für den Wassertransport im Stamm und in den Wurzeln gegeben, da hier das Wasser entgegen der Schwerkraft transportiert wird und Druck auf die umliegenden Gewebe ausübt. Entsprechend bilden sich auch hier Verholzungen, die zu Zellwandröhren mit hohem Ligninanteil führen. Der wasserabweisende (hydrophobe) Charakter ist bei dieser Funktion eine wesentliche Eigenschaft, da er ein Austreten des Wassers aus den Leitbahnen in das umgebende Zellgewebe verhindert und somit den Wassertransport über weite Strecken zulässt.

Biosynthese

Biosynthese der Ligninvorstufen

Das Lignin ist ein Abkömmling der Phenylpropanoide, die sich selbst wiederum vom L- Phenylalanin ableiten. Durch Abspaltung von Ammoniak durch eine Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL) ( EC 4.3.1.5) entsteht aus dem Phenylalanin eine Zimtsäure. Diese wird durch weitere Enzyme zu p-Coumaryl- Coenzym A umgesetzt. Diese Verbindung ist das Ausgangsprodukt für weitere Modifikationen, beispielsweise Hydroxylierungen am Aromatenring und nachfolgenden Methylierungen. Im letzten Schritt werden die an Coenzym A gebundenen Zwischenprodukte durch eine zinkhaltige Cinnamalkohol-Dehydrogenase (CAD) ( EC 1.1.1.195) zu den Monolignolen reduziert, wobei immer NADPH als Reduktionsmittel verwendet wird. Diese zur Biosynthese von Lignin führenden Alkohole sind p-Cumarylalkohol (H-Einheit), Coniferylalkohol (G-Einheit) und Sinapylalkohol (S-Einheit).

Die Zusammensetzung der Lignine hängt vor allem vom Mengenverhältnis der einzelnen Monolignole und den Reaktionsbedingungen ab. In Bedecktsamigen Pflanzen ist das Lignin insbesondere aus Sinapyl- und Coniferylalkohol aufgebaut, in Nacktsamigen Pflanzen dominiert Coniferylalkohol und Gräser verwenden alle drei Monolignole. Eine Schlüsselfunktion kommt dabei der CAD zu, die durch ihre unterschiedliche Substratspezifität wahrscheinlich für die unterschiedlichen Anteile der Alkohole in den verschiedenen Pflanzengruppen verantwortlich ist: CAD aus Bedecktsamigen Pflanzen und Gräsern reduziert alle drei Zimtaldehyde während für das CAD aus Nacktsamigen Pflanzen Sinapylaldehyd nur ein schlechtes Substrat darstellt und entsprechend weniger stark umgesetzt wird.

Ligninsynthese

1848 konnten Karl Freudenberg und Mitarbeiter ein künstliches Lignin (Dehydrisierungspolymerisat) aus Coniferylalkohol und einem Extrakt aus Agaricus Campester (Feldchampignon) herstellen. Ein später aus Fichtenholz isoliertes Lignin zeigte ähnliche chemische und physikalische Eigenschaften wie das künstliche Lignin. Insofern wurde damit indirekt nachgewiesen, dass Coniferylalkohol ein wesentlicher Baustein bei der Fichtenligninbildung spielt. Weitere in vivo-Untersuchungen mit radioaktiv markiertem Coniferylakolohol bzw. Coniferin bestätigten, dass bei der Biogenese des Lignins diese Bausteine eine wesentliche Rolle spielen. Mit diesen Untersuchungen wurde ein Durchbruch in der Ligninforschung erzielt.

Aufgrund der Zusammensetzung aus den einzelnen Bausteinen und den vielfältigen Polymerisierungsmöglichkeiten können Lignine unterschiedlichste Aufbauten besitzen und bilden entsprechend eine ganze Klasse von Verbindungen. Sie werden erst in den interfibrillären Räumen aus den als Vorstufen dienenden Alkoholen aufgebaut. Wie aber die Monolignole aus der Zelle exportiert werden, ist noch nicht ganz geklärt. Wahrscheinlich werden diese als Glucoside - Glucocumarylalkohol, Coniferin und Syringin - nach außen transportiert. Hierbei werden die Alkohole über ihre phenolische OH-Gruppe β-glycosidisch an Zucker (Glucose) gebunden und sind in dieser Form in Wasser besser löslich. So können die Moleküle durch das Plasmalemma und den Apoplast der Zelle transportiert werden und in die Cellulose-Zwischenräume infiltrieren. Schließlich werden durch β-Glycosidasen der Zellwand die Zuckermoleküle abgespalten. Solche β-Glycosidasen wurden bereits in manchen Pflanzen identifiziert. Ob die Monolignole passiv durch die Zellwand diffundieren oder durch Transportsystem nach außen gelangen, ist noch Gegenstand der Forschung.

Die exportierten Monolignole werden dann über eine enzymatische Oxidations-Polymerisations-Reaktion spontan zu einer amorphen dreidimensionalen Struktur verknüpft. Hierbei beginnt die Lignifikation an Ecken und der Mittellamelle von Xylemzellen. Den Polymerisationsprozess katalysieren extrazelluläre Peroxidasen aus Wasserstoffperoxid bzw. Laccasen aus Sauerstoff, dabei werden Phenoxyradikale gebildet. Woher indessen das Wasserstoffperoxid stammt, ist noch unklar. Das einzelne Elektron ist über das gesamte Molekül delokalisiert und stabilisiert. Dies ermöglicht verschiedene Knüpfungspunkte für die Bildung des netzartigen Lignins. Lignin enthält chirale Zentren, mit herkömmlichen Methoden kann jedoch keine optische Aktivität nachgewiesen werden.

Ob die Vernetzung gesteuert werden kann, ist noch Gegenstand der Forschung. Möglicherweise können extrazelluläre Glykoproteine, die Dirigenten-Proteine, eine gewisse Spezifität bei der Vernetzung bewirken.

Die Lignineinlagerung verläuft in drei Phasen. In der ersten Phase lagert sich das Makromolekül in die Zellecken und die Mittellamelle, nachdem die Pektineinlagerung in die Primärwand abgeschlossen ist. Anschließend erfolgt eine fortschreitende Verholzung der S2-Schicht der Sekundärzellwand. Die Hauptlignifizierung erfolgt nach der Ausbildung der Cellulose-Mikrofibrillen in der S3-Schicht. Innerhalb der drei Phasen und damit auch in den unterschiedlichen Schichten variiert die Zusammensetzung der Lignine.

Gentechnische Veränderung der Lignin-Biosynthese

Da die Entfernung des Lignins aus dem Holz für die Zellstoffproduktion und perspektivisch vor allem für die Herstellung von Biokraftstoffen ( Cellulose-Ethanol) zu den aufwändigsten Produktionsschritten gehört, gibt es verschiedene Bemühungen, die Ligninmenge bereits im Holz durch grüne Gentechnik zu reduzieren. Dies geschieht vor allem durch Eingriffe in die für die Synthese der Monomere notwendigen Gene, unter anderem durch „Ausschalten" der Cinnamalkohol-Dehydrogenase (CAD) und der Kaffeesäure-O-Methyltransferase (COMT) durch Antisense-RNA.

Die entsprechenden Techniken befinden sich aktuell vor allem an Pappeln und Weiden noch in der Erforschung für den Anbau in Kurzumtriebsplantagen und wurden für die technische Umsetzung noch nicht realisiert, eine effektivere Delignifizierung im Zellstoffprozess konnte jedoch bereits nachgewiesen werden. Allerdings wurde auch festgestellt, dass der Effekt der Ligninreduktion nicht gleichmäßig ist, und Umwelteinflüsse wahrscheinlich einen größeren Einfluss auf die Ligninproduktion haben als die Genveränderung.

Ligninabbau

Lignin kann sowohl biologisch als auch durch verschiedene chemisch-technische Verfahren abgebaut werden. Der biologische Ligninabbau stellt dabei einen Prozess der Zersetzung von Holz durch Bakterien und vor allem Pilze ( Destruenten) dar. Höher organisierte Lebewesen sind nicht zum Ligninabbau fähig. Der technische Lignin-Aufschluss ist dagegen Teil von Prozessen mit dem Ziel, Lignin und Cellulose im Holz zu trennen und unterschiedlichen Verwertungen zukommen zu lassen. Er spielt entsprechend vor allem bei der Zellstoffherstellung, der Holzverzuckerung und perspektivisch bei der Nutzung von Lignocellulose in der Bioraffinerie eine große Rolle. Die gängigen thermochemischen Methoden des technischen Ligninabbaus sind sehr energieaufwändig, belasten die Umwelt und erzeugen Toxine.

Ist verarbeitetes und unbeschichtetes Holz über einen langen Zeitraum Ultraviolettstrahlung ausgesetzt, so wird es oberflächlich geschädigt, wobei vor allem das Lignin denaturiert wird. Im Falle direkter Bewitterung wird es nachfolgend vom Regenwasser ausgewaschen. Die Oberfläche wirkt dann schmutzig grau. Unterbleibt die Einwirkung von Regenwasser, erhält das Holz infolge der UV-Wirkung eine silbrig-weiße Farbe.

Biologischer Abbau

Lignin ist durch seine komplexe Vernetzung ein persistenter Naturstoff und kann von Destruenten nur sehr langsam zersetzt werden. Die Humusbildung des Bodens wird dabei größtenteils durch den Ligninabbau gefördert. Der Holzabbau erfolgt dabei in zwei teilweise parallel ablaufenden Fraktionen: Der Abbau der Cellulose erfolgt in Form der Braunfäule, bei der sich das Holz infolge des zurückbleibenden Lignins braun verfärbt, während der Abbau des Lignin in Form der Weißfäule stattfindet, bei der sich das Holz entsprechend hell verfärbt.

Beim biologischen Ligninabbau unterscheidet man zwischen dem Verwerten bereits gelöster Ligninfragmente und dem eigentlichen Abbau des Naturstoffes. Erstere können bereits von vielen Bakterien verwertet werden, insbesondere Actinomyceten und Streptomyceten. Weißfäulepilze wie etwa der Zunderschwamm ( Fomes fomentarius), der Graue Feuerschwamm ( Phellinus igniarius), die Schmetterlingstramete ( Trametes versicolor) und Phanerochaete chrysosporium zerstören hingegen enzymatisch den Ligninanteil des Holzes, um ihr eigentliches Substrat, Cellulose bzw. Hemicellulosen, zu verwerten. Entsprechend verfärbt sich bei der Weißfäule das Holz weiß und wird faserig. Die meisten dieser Pilze bauen gleichzeitig das Lignin und die Kohlenhydrate ab (Simultanfäule), die Abbauraten sind ebenfalls ähnlich hoch. Andere Pilze bauen den Ligninanteil anfänglich schneller ab, und es kommt zu einer Celluloseanreicherung (Sukzessive Weißfäule). Dies findet man beispielsweise beim Mosaik-Schichtpilz ( Xylobolus frustulatus) oder beim Wurzelschwamm ( Heterobasidion annosum), der die Rotfäule bei Fichten bedingt.

Der Ligninabbau findet dabei immer unter aeroben Bedingungen statt und ist sehr energieintensiv. Er kann entsprechend nicht als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle dienen. Daher handelt es sich bei Weißfäulepilzen immer um einen Cometabolismus in Verbindung mit anderen Kohlenstoffquellen. Für den Abbau bilden die Pilze fadenförmige Hyphen aus, die das Lignin durchdringen. Für den Ligninabbau werden verschiedene Enzyme eingesetzt, die vom Pilz durch Exozytose in das Medium abgegeben werden und in das Lignin diffundieren. Der Abbau des Lignins ist de facto eine Depolymerisierung und erfordert Peroxidasen und Laccasen, die sich in ihrer Wirkung synergetisch verhalten. Darüber hinaus werden Sauerstoff, Coenzyme, Metalle und Komplexbildner benötigt.

Die Pilze setzen zunächst Glyoxal frei, das durch Sauerstoff durch eine Glyoxaloxidase zu Oxalsäure und Wasserstoffperoxid (H ₂O ₂) oxidiert wird. H ₂O ₂ wird dann von einer Mangan-Peroxidase (MnP) ( EC 1.11.1.13) zu Wasser reduziert, während Mangan(II) (Mn ²⁺) zu Mn ³⁺ oxidiert wird. Mn ³⁺ wird chelatisiert und dringt als kleines aktives Oxidans leicht in das Lignin ein. Mn ³⁺ kann dort den phenolischen Bestandteilen des Lignins einzelne Elektronen entreißen, so dass ein Radikalkation gebildet wird. Dieses wird in mehrere Bruchstücke gespalten, häufig in Benzaldehydderivate.

Mittlerweile hat man auch sogenannte Hybridenzyme in Pleurotus, Bjerkandera und anderen Pilzen entdeckt, die man als „versatile peroxidases" (VP) ( EC 1.11.1.16) bezeichnet. Diese verfügen sowohl über eine Mangan-Peroxidase- als auch über eine Lignin-Peroxidase-Aktivität.

Laccasen ( EC 1.10.3.2) schließlich oxidieren hauptsächlich niedermolekulare Bruchstücke des Lignins. Sie können zwar generell phenolische Komponenten des Lignins enzymatisch angreifen. Da aber jene Komponenten nur 10 % des Lignins ausmachen, wird das Makromolekül primär von den oben genannten Peroxidasen verwertet.

Beim Ligninabbau sind darüber hinaus noch viele weitere Enzyme (Oxidoreduktasen, Dehydrogenasen) beteiligt.

Technischer Abbau

Zellstoffherstellung im Sulfat- und Sulfitprozess

Der technische Ligninabbau spielt vor allem bei der Zellstoffherstellung eine wichtige Rolle. Zur Produktion von Zellstoff muss das Lignin aus der Lignocellulose gelöst und aus dem Prozess entfernt werden. Dabei existieren unterschiedliche Verfahren für den Celluloseaufschluss sowie für die nachfolgende Zellstoffbleiche.

In etwa 80 Prozent aller Zellstoffanlagen erfolgt der Aufschluss über das so genannte Sulfatverfahren, auch bekannt als Kraft-Prozess. Dabei erfolgt der Ligninabbau durch Hydrogensulfidionen (HS −) in basischem Milieu bei etwa pH 13 durch den Einsatz von Natriumsulfid (Na ₂S) und Natriumhydroxid (NaOH) bzw. Natronlauge. Der Prozess dauert etwa zwei Stunden bei Temperaturen von etwa 170 °C, allerdings greifen die Ionen auch die Cellulose und die Hemicellulosen an, wodurch nur ein Teilaufschluss möglich ist. Die Ablauge dieses Verfahrens enthält in ihrer Festsubstanz bei der Verwendung von Nadelhölzern etwa 45 % und bei Laubhölzern etwa 38 % des so genannten Kraft-Lignins.

Eine Alternative stellt der Celluloseaufschluss im Sulfitverfahren dar, bei dem der Ligninabbau durch eine Sulfonierung erfolgt. Als chemisch nicht exakt definiertes Umsetzungsprodukt des Lignins mit Schwefliger Säure entstehen Ligninsulfonate, die Salze der Ligninsulfonsäure. Calciumsalze der Ligninsulfonsäure entstehen beim Aufschluss des Holzes mit Calciumhydrogensulfit-Lösungen. Hier enthält die Ablauge in ihrer Festsubstanz bei der Verwendung von Nadelhölzern etwa 55 % und bei Laubhölzern etwa 42 % in Form von Ligninsulfonat.

Lignin ist auch für das Vergilben von Papier verantwortlich, das daher auch mit ligninabbauenden Enzymen wie der Laccase gebleicht werden kann. Die Bleiche erfolgt technisch allerdings vor allem über eine Chlorbleiche bzw. heutzutage meistens „chlorfrei" mit einer Bleiche mit Sauerstoff, Chlordioxid, oder, seltener, Wasserstoffperoxid oder Ozon. In beiden Fällen werden das Restlignin sowie vorhandene Farbstoffe im Zellstoff oxidativ abgebaut. Dies ist vor allem bei so genanntem „holzhaltigem" Papier relevant, weniger bei „holzfreiem" Papier. Die Begriffe holzhaltig und holzfrei sind zwar im Handel und umgangssprachlich üblich, technisch jedoch unsinnig, da Papier aus dem Rohstoff Holz in jedem Fall Holzbestandteile enthält. Bei holzfreiem Papier sind dies eben nur die Cellulose und die Hemicellulosen, bei holzhaltigem Papier der ligninhaltige Holzstoff. Korrekt wären daher die Begriffe ligninhaltig und ligninfrei.

Holzverzuckerung

Zur Transformation von Holz zu verwertbaren Zuckern (Holzverzuckerung) werden eine Reihe von unterschiedlichen Prozessen angewandt, die das Lignin aus dem Holz entfernen und dadurch die Cellulose verfügbar machen. Dabei handelt es sich um eine Reihe von chemischen, hydrothermischen und enzymatischen Prozessen.

Historisch bedeutsam sind vor allem technische Anwendungen unter Einsatz von Säuren, vor allem von Salzsäure (HCl) oder verdünnter Schwefelsäure (H ₂SO ₄), in denen das zerfaserte Holz gekocht wird. Bei dem Prozess lagern sich Wassermoleküle an die Cellulose und bilden Oligosaccharide, vor allem Di- oder Trisaccharide, unter anderem mit Glucoseanteil. Aufgrund der im Holz neben der Cellulose vorhandenen Hemicellulose und des Lignins entstehen Nebenprodukte bzw. Verunreinigungen, die das Ergebnis fast ausschließlich zur Vergärung zu Alkohol oder als Nährsubstrat für die Fermentation von Hefe verwendbar machen. Zeitweise wurde so der Holzbranntwein erzeugt. Für die Verwendung in der Chemischen Industrie muss die Lösung aufwendig gereinigt und entsalzt werden.

Ligninlösung für die Bioraffinerie

Im Kontext der Diskussion um die Entwicklung der Bioraffinerie soll die Verzuckerung über spezielle Enzyme, die Cellulasen, auf biotechnologischem Weg stattfinden. Als Ergebnis erhofft man sich möglichst reine Fraktionen der Cellulose zur weiteren Verzuckerung, der Hemicellulosen und des Lignins, um alle drei Bestandteile des Holzes einer weiteren Verwertung zuführen zu können.

Um die einzelnen Fraktionen möglichst rein und unbeschadet aus dem Holz zu bekommen, bedarf es einer speziellen Vorbehandlung. Diese erfolgt je nach technischem Weg unterschiedlich und kann beispielsweise auf der Behandlung mit Lösemitteln wie Ethanol (Organosolv-Verfahren) oder Ionischen Flüssigkeiten, der Nutzung von Enzymen oder der Dampfbehandlung (Aquasolv-Verfahren) basieren.

Verwendung

Lignin wird - sieht man von der Verwendung in Form von Holz ab - vor allem als Nebenprodukt der Papier- und Zellstoffindustrie genutzt. Weltweit werden jährlich aktuell etwa 50 Millionen Tonnen Lignin auf diese Weise produziert. Die anfallenden Mengen an Kraft-Lignin und Ligninsulfonaten liegen dabei in gelöster Form in den jeweiligen Ablaugen vor und können aus diesen extrahiert werden. Die Hauptverwendung für beide Lignintypen besteht derzeit aus der energetischen Nutzung, weitere Verwendungen liegen vor allem für Lignosulfonate aus dem Sulfitverfahren vor.

Grundsätzlich unterscheiden sich die verschiedenen technischen Lignine in mehreren Eigenschaften, die ihre Nutzung beeinflussen können. Der wesentliche Unterschied liegt in der Molekülgröße: Kraft-Lignin hat eine molare Masse von 2000 bis 3000 g/mol, während Lignosulfonate molare Massen von 20.000 bis 50.000 g/mol erreichen. Organosolv-Lignin liegt bei 1000 bis 2000 g/mol. Lignosulfonate enthalten zudem einen Schwefelanteil von 4 % bis 8 % und wenige phenolische Hydroxygruppen (-OH) gegenüber 1 % bis 1,5 % Schwefelanteil und vielen phenolischen Hydroxygruppen beim Kraft-Lignin und vielen phenolischen Hydroxidionen (OH −) ohne Schwefelanteil beim Organosolv-Lignin.

Intensiv werden die Eigenschaften des durch oxidative Ammonolyse modifizierten Lignins als Humusersatzstoff untersucht. Die stickstoffhaltigen Lignine ähneln in ihrer Struktur den Huminstoffen und eignen sich als Depotdünger. Die N-Lignine eignen sich auch für die Rekultivierung von Bergbaufolgelandschaften.

Die direkte Verwendung von technischen Ligninen als Rohprodukte ist sehr eingeschränkt, da es eine Reihe von Nachteilen gibt, die dieser entgegenstehen. So ist Lignin aufgrund seiner sehr komplexen Struktur und der damit verbundenen Inhomogenität nur sehr begrenzt für Anwendungen einsetzbar, da in der Regel genauer definiertere Eigenschaften des Rohmaterials erforderlich sind. Hinzu kommt der hohe Grad an Verunreinigungen in den Ablaugen sowie der hohe Schwefelanteil in den Lignintypen, die komplexe Reinigungsschritte erforderlich machen. Die dadurch sehr aufwändige Gewinnung aus den Ablaugen führt dazu, dass ungereinigtes technisches Lignin bis jetzt im Wesentlichen nur für geringerwertige Anwendungen wie die energetische Nutzung oder als unspezifische Klebstoffkomponente und Dispergiermittel verwendet wird. Stoffliche Verwendungen, die darüber hinausgehen, liegen entweder in der direkten Verwendung von Ligninsulfonaten oder in der chemischen Modifikation durch die Anwendung von Pyrolyse, Hydrolyse oder Hydrogenolyse zur Herstellung verschiedener Chemikalien. Diese Wege sind ebenfalls aufwändig und kommen entsprechend nur vergleichsweise selten zum Einsatz.

Lignin in der energetischen Nutzung

Das bei der Papierherstellung vor allem im Sulfatverfahren in großen Mengen als Reststoff anfallende Lignin wird als Schwarzlauge vor allem als Brennstoff direkt in den Zellstofffabriken genutzt. Es hat einen Heizwert von 23,4 MJ/kg und dient neben der Energiegewinnung für die Fabriken selbst mit einer Deckung von 80 % bis 100 % des Energiebedarfs auch zur Gewinnoptimierung durch den Verkauf von Wärme und Elektrizität.

In der Herstellung von Holzpellets als Energieträger bildet das holzeigene Lignin das Bindemittel. Fein gemahlenes Holz wird beim Pressvorgang erhitzt, das Lignin verflüssigt sich und bindet die Holzpartikel beim Abkühlen zusammen. Frische Pellets riechen deshalb noch stark nach Lignin.

Einsatz von Ligninsulfonaten

Große Mengen an Ligninsulfonaten werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, in denen man vor allem ihre Eigenschaften als Polyelektrolyt, ihre Adsorptionswirkung, die geringe Viskosität und die dunkle Farbe nutzt. Sie sind physiologisch und für die Umwelt relativ unbedenklich, wodurch sie auch in sensiblen Bereichen Verwendung finden. Der Hauptanteil der Produktion von etwa 1.000.000 Tonnen pro Jahr ( jato) findet Verwendung als Dispergiermittel in Beton und Zement (ca. 100.000 jato), als Zusatz zu Bohrflüssigkeiten (ca. 100.000 jato) sowie als Bindemittel in Pellets für Tiernahrung, in Düngemitteln und anderen Agrochemikalien, Spanplatten, Briketts sowie in Drucktinte und Gießsandkernen. Außerdem werden Lignosulfonate als Papieradditiv, als Dispergier- und Emulgiermittel in Lacken und Farben sowie als Zuschlagstoff in Gips und Gerbstoffen eingesetzt.

Neuere Entwicklungen in der Lignosulfonat-Chemie nutzen die polyelektrolytischen Eigenschaften des Lignins und zielen auf einen Einsatz in der Medizin, der Feinchemie und der Verbesserung der Bodenwasserspeicherung.

Lignin als Biowerkstoff

Lignin stellt als Naturstoff ein hochkomplexes Makromolekül (Polymer) dar, eine Nutzung dieser Struktur als Biowerkstoff bietet sich entsprechend an. Das Kraft-Lignin aus dem Sulfatprozess der Papierherstellung muss aber zunächst gereinigt werden, daher gibt es bis heute erst wenige Ansätze, auf Lignin basierende Polymere herzustellen.

Im Jahr 1998 wurde von der Firma Tecnaro ein natürlicher Biowerkstoff entwickelt, der den Namen Arboform erhielt und allgemein als „Flüssigholz" bezeichnet wird. Er basiert auf Lignin, dem Naturfasern wie Flachs oder Hanf beigemischt werden, und kann mit etablierten Kunststoffverarbeitungsformen verarbeitet werden, insbesondere im Spritzguss, der Extrusion, in Pressverfahren sowie durch Tiefziehen und Blasformen.

Sowohl das Lignin als auch verschiedene Ligninderivate können als Bausteine in Duroplasten oder in Kunststoffen als Füllstoffe eingesetzt werden. Sie wirken hierbei als Phenolharzkomponente. Durch die Reaktion mit Epichlorhydrin können Epoxidharze hergestellt werden, die bei einer Kondensierung mit Alkalilignin in Polyalkoholen resultieren. Mit Isocyanaten lassen sich diese zu Polyurethanen umsetzen. Bei der Reaktion des Lignins mit Formaldehyd entstehen Phenoplaste, und bei der Vernetzung mit Copolymeren wie Harnstoff, Melamin und Furanen über Formaldehyd entstehen verschiedene Harze (Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Melaminharze, und Furanharze bzw. Syntactics). Insbesondere ligninbasierte Phenoplaste stellen eine potenzielle Alternative zu gesundheitlich bedenklichen Phenolen und Formaldehyd als Bindemittel in Spanplatten und anderen Holzwerkstoffen dar; durch ihre hochmolekulare Struktur sind sie weniger flüchtig und löslich, zudem werden sie als physiologisch unbedenklich eingestuft.

Lignin in der chemischen Industrie und Bioraffinerie

Obwohl Lignin heute keine große Rolle zur Herstellung von Chemikalien spielt, wird dem Rohstoff für die Zukunft ein großes Potenzial prognostiziert. Insbesondere in den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung auf Nutzungspotenziale des Lignins der Zellstoffindustrie und der (noch hypothetischen) Bioraffinerie. Ziel der Forschung ist es, möglichst hochwertige Produkte aus dem Lignin zu gewinnen.

Zitierte Belege

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6. Die verholzte Pflanzenzelle. In: Schopfer & Brennicke 1999; S. 33.

7. Hans Günther Hirschberg: Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau. Springer Verlag 1999, S. 436.

8. Jaakko Pöyry Consulting Oy: Non-wood Fibre. Helsinki 1998.

9. nach Lüttge, Kluge, Bauer 1994; S. 153.

10. G. Pilate, E. Guiney, K. Holt, M. Petit-Conil, C. Lapierre, J.C. Leplé, B. Pollet, I. Mila, E.A. Webster, H.G. Marstorp , D,W, Hopkins, L. Jouanin, W. Boerjan, W. Schuch, D. Cornu, C. Halpin: Field and pulping performances of transgenic trees with altered lignification. Nature Biotechnology 20. Juni, 2002; S. 607-612. PMID 12042866.

11. Singh, D. und Chen S. (2008): The white-rot fungus Phanerochaete chrysosporium: conditions for the production of lignin-degrading enzymes. In: Appl Microbiol Biotechnol. 81(3); S. 399-417; PMID 18810426; doi:10.1007/s00253-008-1706-9.

12. David N.-S. Hon, Nobuo Shiraishi: Wood and cellulosic chemistry (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).

13. Hammel, KE. und Cullen, D. (2008): Role of fungal peroxidases in biological ligninolysis. In: Curr Opin Plant Biol. 11(3); S. 349-355; PMID 18359268; doi:10.1016/j.pbi.2008.02.003.

14. Birgit Kamm, Michael Kamm, Matthias Schmidt, Thomas Hirth, Margit Schulze: Lignocellulose-based Chemical Products and Product Family Trees. In: Birgit Kamm, Patrick R. Gruber, Michael Kamm (Hrsg.): Biorefineries - industrial processes and products. Status quo and future directions. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-31027-4, S. 67-84.

15. Erich Gruber: Makromolekulare Chemie, Ökologie und Ökonomie der Nachwachsenden Rohstoffe: Nutzung von Lignin. Unterlagen zur Vorlesung Wintersemester 1999/2000.

16. Modifizierte Lignosulfonsäuren (LSS) als Bindemittel für die Herstellung von witterungsbeständigen Holzwerkstoffen, Ralph Lehnen und Okko Ringena, Arbeitsbericht des Instituts für Holzchemie und chemische Technologie des Holzes

17. nova-Institut GmbH, Hochschule Bremen (Hrsg.): BIB'09 - Branchenführer Innovative Biowerkstoffe 2009. Hürth 2009; S. 62-63.

Eduard Strasburger (Begr.), Peter Sitte, Elmar Weiler, Joachim W. Kadereit, Andreas Bresinsky, Christian Körner: Lehrbuch der Botanik für Hochschulen. 35. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-8274-1010-X.

Ulrich Lüttge, Manfred Kluge, Gabriela Bauer: Botanik. 2 Auflage. VCH, Weinheim 1994, ISBN 3-527-30031-7.

Peter Schopfer, Axel Brennicke: Pflanzenphysiologie. 4 Auflage. Springer, Heidelberg, Berlin 1999, ISBN 3-540-64231-5.

Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Plant physiology. Das Original mit Übersetzungshilfen. 4 Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin 2007, ISBN 978-3-8274-1865-4.

Peter Nuhn: Naturstoffchemie. Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. 4. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2006, ISBN 3-7776-1363-0, S. 320-322.

W. Boerjan, J. Ralph, M. Baucher (2003): Lignin biosynthesis. In: Annu Rev Plant Biol. 54; S. 519-546; PMID 14503002; doi:10.1146/annurev.arplant.54.031902.134938

Gerhard Krüger: Lignin − seine Bedeutung und Biogenese, Chemie in unserer Zeit, 10. Jahrg. 1976, Nr. 1, S. 21−29, ISSN 0009−2851

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Strukturformel Beispiel einer Ligninstruktur Allgemeines Name Lignin CAS-Nummer 9005-53-2 Art des Polymers Biopolymer, Copolymer Kurzbeschreibung cremefarbener Feststoff[1] Monomer Monomer Cumarylalkohol, Coniferylalkohol, Sinapylalkohol Summenformel C 9H 10O 2, C 10H 12O 3, C 11H 14O 4 Molare Masse 150,18 g·mol −1, 180,20 g·mol −1, 210,12 g·mol −1 Eigenschaften Aggregatzustand fest Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.

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Forscher von drei Fraunhofer-Instituten mit mehreren Universitäten und Unternehmen

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teuer

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Bauchemie

Bitumen sind schwarz bis dunkelbraun gefärbte, feste bis flüssige Substanzen, die überwiegend aus hochsiedenen Kohlenwasserstoffen bestehen. Handelsüblich sind feste (erhitzbare) Bitumenmassen, in Lösemitteln gelöste Bitumenmassen und Bitumenemulsionen.
Verwendung: für bituminöse Dichtungsbahnen (z.B. Schweißbahnen), als Abdichtungs- und Klebemittel in Klebe- und Spachtelmassen und Sperranstrichen (Heiß- oder Kaltbitumen), als Bindemittel für Gussasphalt-Estriche und Fahrbahndecken, als Binde- oder Hydrophobierungsmittel ( Holzweichfaserplatten, Perlite)

Herstellung

Schadstoffe

vorwiegend aus Energieprozessen der Erdölfraktionierung

Zusammensetzung nach Elementen (in M.-%)

83% Kohlenstoff, 10% Wasserstoff, 1,1% Sauerstoff, 0,4% Stickstoff, 4,8% Schwefel u.a.

Primärenergie

Verfügbarkeit der Rohstoffe

ausreichend ( Bitumen ist ein Nebenprodukt der Erdölproduktion)
begrenzt (Rohstoffquelle Erdöl)

Nutzung

Schadstoffe bei der Verarbeitung am Bau

vorläufiger Grenzwert für Aerosole und Dämpfe aus Bitumen bei der Heißverarbeitung: 10 mg/m³

Schadstoffbelastung im eingebauten Zustand

Rückbau

Entsorgung

deponierbar
thermische Verwertung in zugelassenen Verbrennungsanlagen

Verwertung

aufgrund fester Verbindungen mit sortenfremden Bauteilen nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich

Rückbauaufwand

keine Angaben

Zusammenfassung

Bitumen fällt bei der Mineralölverarbeitung als Fraktion des Erdöls an, die nach dem Abdestillieren der verdampfbaren Anteile zurückbleibt. Je nach Herstellungsverfahren unterscheidet man Destillationsbitumen, Hochvakuumbitumen, Oxidationsbitumen oder Polymerbitumen. Bitumen ist nicht mit Teer zu verwechseln, der als Pyrolyseprodukt (Verkokungsprodukt) bei der thermischen Behandlung von Stein- oder Braunkohle bei 700 bis 1200 °C entsteht und mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen hoch belastet ist (Tab. 1).
Etwa 75 % des Bitumens werden in Deutschland für Walzasphalt als Straßenbelag verbraucht, etwa 20 % (= ca. 700000 t/a) für die Herstellung von Bitumenbahnen, der Rest für Kalt- und Heißbitumen sowie Gussasphalt.

Bitumen wird in Deutschland in ca. 15 Raffinerien hergestellt. Die Herstellung erfolgt in geschlossenen Anlagen. Nach einer Vorbehandlung werden die Öle durch verschiedene Destillationsvorgänge herausgezogen, als Nebenprodukt zurück bleibt Bitumen. Der Primärenergieaufwand für Bitumen ist mit ca. 50 MJ/kg gering (zum Vergleich: Die Primärenergie für Polyethylen liegt bei ca. 85 MJ/kg).
Die Einsatzbereiche von Bitumen können grundsätzlich unterschieden werden in Heiß- und Kaltverarbeitung. Bei der Kaltverarbeitung z.B. von Bitumenklebern oder Bitumendickbeschichtungen wird Bitumen in Lösemitteln gelöst oder - ökologisch und aus Sicht des Arbeitsschutzes günstiger - als wässrige Dispersion verarbeitet. Im Jahr 1997 wurden bereits etwa 85 % der kaltverarbeitbaren Bitumenprodukte als lösemittelfreie Bitumenemulsionen verwendet (Tab. 4).
Bei der Heißverarbeitung werden z.B. Bitumenbahnen ( Polymerbitumen-Dichtungsbahnen) oder Schaumglasplatten in Heißbitumen eingelegt oder Gussasphalt als Estrich eingebaut. Bei Temperaturen unter 80 °C treten keine messbaren Emissionen aus Bitumen auf, auch bei 150 °C liegen die Emissionen nur bei ca. 1 mg/h. Bei 180 °C entstehen jedoch merkliche Emissionen, noch höhere bei 250 °C (Einbautemperatur von Gussasphalt) (Tab. 3). Untersuchungen zur Exposition gegenüber polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) ergaben Werte von maximal 0,5 µg/m³ der Leitsubstanz Benzo[a]pyren (Tab. 2). Seit einigen Jahren werden von der Asphaltindustrie Möglichkeiten gesucht, die Misch- und Einbautemperatur von Asphalt zu verringern. Dies würde einen geringeren Energieverbrauch und eine geringere CO2-Entwicklung sowie eine niedrigere Emissionsrate zur Folge haben.
Bitumenhaltige Produkte sind vorwiegend als Verbundbaustoffe eingebaut, eine sortenreine Trennung der Einzelfraktionen lässt sich deshalb meist nur mit hohem Aufwand durchführen. Für eine Wiederverwendung besteht zudem derzeit kein ökonomischer Anreiz, da Bitumen als Grundstoff in hohem Maße verfügbar ist.

Bitumen fällt als Nebenprodukt der Erdölfraktionierung an und wird mit einer vergleichsweise geringen Grauen Energie und geringen Emissionen hergestellt. Beim Verarbeiten von Bitumen bzw. bei hohen Einbautemperaturen können jedoch Grenzwerte für Luftemissionen überschritten werden. Von seiten der Industrie wird deshalb versucht, die Misch- und Einbautemperatur von Asphalt zu senken.
Um Lösemittelemissionen zu vermeiden, sind lösemittelfreie Bitumenemulsionen zu bevorzugen.
Das Recycling von bitumenhaltigen Produkten ist derzeit ökonomisch nicht rentabel und deshalb (mit Ausnahme von Straßenasphalt) nicht ausreichend organisiert.
Aufgrund der geringen Grauen Energie und des neutralen Verhaltens in der Nutzungsphase gegenüber Umweltmedien bestehen aus ökologischer Sicht keine wesentlichen Einwände gegen den Einsatz von Bitumen.

Quellen

Gesprächskreis Bitumen: Sachstandsbericht Bitumen, Flörsheim am Main, 2001
ECOBIS 2000 (Ökologisches Baustoffinformationssystem des Bundesministeriums für Verkehr, Bauund Wohnungswesen (BMVBW) und der Bayerischen Architektenkammer)

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baustoffe ökobilanz bitumen nachhaltiges bauen forum

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Bauchemie Bitumen sind schwarz bis dunkelbraun gefärbte, feste bis flüssige Substanzen, die überwiegend aus hochsiedenen Kohlenwasserstoffen bestehen. Handelsüblich sind feste (erhitzbare) Bitumenmassen, in Lösemitteln gelöste Bitumenmassen und Bitumenemulsionen. Verwendung: für bituminöse Dichtungsbahnen (z.B.

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5% endhalten

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Ist  das wirklich ein Problem in der Stadt?

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