VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON CHEMISCH MODIFIZIERTEN LIGNINABBAUPRODUKTEN PROCESS FOR PREPARING CHEMICALLY MODIFIED LIGNINA DERIVATIVES
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von chemisch modifizierten Ligninabbauprodukten, deren Verwendung als Dispergiermittel, sowie eine Zusammensetzung enthaltend ein chemisch modifiziertes Ligninabbauprodukt und ein hydraulisches Bindemittel.The invention relates to a process for the preparation of chemically modified lignin degradation products, their use as dispersants, and to a composition comprising a chemically modified lignin degradation product and a hydraulic binder.
Stand der Technik Lignin ist neben Cellulose der in der lebenden Natur am meisten vorkommende Stoff und ist ein Hauptbestandteil von Pflanzen mit der Funktion, dem Zellgerüst Steifigkeit zu verleihen. Der Ligninanteil kann dabei von Pflanze zu Pflanze variieren. Die chemische Struktur des Lignins weist ebenfalls pflanzenspezifische Unterschiede auf. So setzt sich das Makromolekül Lignin je nach Pflanzentyp aus verschiedenen Verhältnissen der Monomere Coniferylaklohol, Sinapylalkohol und Cumarylalkohol zusammen, wobei in vielen Fällen (insbesondere bei Weichhölzern) der Anteil an Coniferylalkohol dominiert. Ausserdem existieren zahlreiche Verfahren zur Abtrennung des Lignins von den anderen Zellwandbestandteilen, welche die chemische Struktur des natürlichen Lignins zum Teil erheblich modifizieren.Background Art Lignin, besides cellulose, is the most abundant material in living nature and is a major constituent of plants having the function of imparting rigidity to the cell scaffold. The lignin content can vary from plant to plant. The chemical structure of lignin also has plant-specific differences. Thus, depending on the type of plant, the macromolecule lignin is composed of different proportions of the monomers coniferyl alcohol, sinapyl alcohol and cumaryl alcohol, with the proportion of coniferyl alcohol dominating in many cases (especially in softwoods). In addition, there are numerous methods for separating the lignin from the other cell wall components, which in part considerably modify the chemical structure of the natural lignin.
Während verschiedene Verfahren zur Herstellung von Chemikalien aus Zellulose den grossindustriellen Massstab erreicht haben, gibt es zurzeit noch kaum wirtschaftliche Möglichkeiten, den Ligninanteil von Biomasse als Ausgangsstoff zur Herstellung von Chemikalien zu verwenden. Bei der Papierherstellung beispielsweise fallen grosse Mengen an Lignin als Nebenbzw. Abfallprodukt an. Von den ungefähr 50 Millionen Tonnen Lignin, die jährlich bei der Papierherstellung anfallen, werden lediglich 1-2% kommerziell weiter verarbeitet.
Die Verwendung des Lignins beschränkt sich dabei hauptsächlich auf relativ preiswerte Dispergier- und Bindemittel. Vanillin ist das einzige ligninbasierte phenolische Produkt, welches kommerziell hergestellt wird. EinWhile various processes for the production of chemicals from cellulose have reached the big-industrial scale, there are currently few economic opportunities to use the lignin content of biomass as a raw material for the production of chemicals. In papermaking, for example, large amounts of lignin fall as Nebenbzw. Waste product. Of the approximately 50 million tonnes of lignin produced each year in papermaking, only 1-2% are processed commercially. The use of lignin is limited mainly to relatively inexpensive dispersants and binders. Vanillin is the only lignin-based phenolic product that is commercially produced. One
Teil der weltweiten Vanillin-Produktion (12O00 Tonnen/Jahr) wird durch alkalischen oxidativen Abbau von Ligninsulfonsäuren realisiert.Part of the world's vanillin production (12O00 tons / year) is realized by alkaline oxidative degradation of lignosulfonic acids.
In der Literatur sind zahlreiche Methoden zur Verwendung von Lignin als Rohstoff beschrieben. Ein häufig verwendeter Ansatz ist die Vergasung von Biomasse bei hohen Temperaturen (800-1000 0C) mit Luft und/oder Wasserdampf zu Synthesegas (CO, H2, CO2 und CH4). Aus diesem Synthesegas können in weiteren Stufen verschiedene Grundchemikalien, wie Methanol, Ether, Ameisensäure und höhermolekulare Kohlenwasserstoffe (mittels Fischer-Tropsch-Synthese), dargestellt werden.Numerous methods of using lignin as a raw material are described in the literature. A frequently used approach is the gasification of biomass at high temperatures (800-1000 0 C) with air and / or water vapor to synthesis gas (CO, H 2, CO 2 and CH 4). From this synthesis gas various basic chemicals, such as methanol, ether, formic acid and higher molecular weight hydrocarbons (by Fischer-Tropsch synthesis), can be prepared in further stages.
Hierbei geht die ursprünglich vorhandene komplexe chemische Struktur komplett verloren. Diese Zersetzungs- und Rekombinationsstrategie benötigt sehr viel Energie und produziert unerwünschte Nebenprodukte. Zudem können mit diesem Verfahren nur relativ einfache, billige Moleküle produziert werden. Für wirtschaftliche Rentabilität sind daher grosse Umsätze nötig. Alternativ sind verschiedene Methoden (z. B. oxidative und nicht- oxidative Hydrolyse, Hydrogenolyse, Pyrolyse) zur direkten Herstellung monomerischer oder niedermolekularer Chemikalien bekannt. Während diese Methoden dazu geeignet sind, Lignin in kleinere Fraktionen zu zerlegen, ist keine Methode selektiv genug, ein einzelnes Produkt in hoher Ausbeute herzustellen.Here, the originally existing complex chemical structure is completely lost. This decomposition and recombination strategy requires a lot of energy and produces unwanted by-products. In addition, only relatively cheap, cheap molecules can be produced with this method. For economic profitability large sales are necessary. Alternatively, various methods (eg, oxidative and non-oxidative hydrolysis, hydrogenolysis, pyrolysis) for the direct production of monomeric or low molecular weight chemicals are known. While these methods are suitable for breaking lignin into smaller fractions, no method is selective enough to produce a single product in high yield.
In WO 2008/106811 ist ein Verfahren zur direkten Herstellung von Molekülen mit einem minimalen Molekulargewicht von 78 g/mol aus Lignin beschrieben. Dazu werden Lignin, Ligninderivate, Ligninbruchstücke und/oder ligninhaltige Stoffe oder Mischungen in Anwesenheit von wenigstens einemWO 2008/106811 describes a process for the direct production of molecules with a minimum molecular weight of 78 g / mol from lignin. For this purpose, lignin, lignin derivatives, lignin fragments and / or lignin-containing substances or mixtures in the presence of at least one
Polyoxometallat zu den gewünschten Produkten abgebaut. Die nicht zu denPolyoxometalat degraded to the desired products. Not to the
Zielprodukten umgesetzten Ligninfragmente bzw. Lignin werden mittels Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert oder zur EnergiegewinnungTarget products converted lignin fragments or lignin are oxidized by means of oxygen to carbon dioxide and water or for energy
(z. B. thermische Energie aus Oxidation) verwendet.
Lignine beziehungsweise Lignosulfonate lassen sich breit einsetzen. So offenbaren beispielsweise US 6,313,055 und DE 101 16 849 A1 Lignosulfonate als Dispergiermittel bzw. Verflüssiger für hydraulische Bindemittel.(eg thermal energy from oxidation) used. Lignins or lignosulfonates can be widely used. For example, US Pat. No. 6,313,055 and DE 101 16 849 A1 disclose lignosulfonates as dispersants or condenser for hydraulic binders.
In DE 100 57 910 A1 wird die Behandlung von Lignin mit einem reaktiven Spacer offenbart, um niedermolekulare Bestandteile derart umzusetzen, dass sie nicht mehr flüchtig sind. Hier wird also eine chemischeDE 100 57 910 A1 discloses the treatment of lignin with a reactive spacer in order to convert low molecular weight constituents such that they are no longer volatile. So here's a chemical
Umsetzung von niedermolekularen Molekülen offenbart. Dadurch verbleiben jedoch dieses niedermolekularen Moleküle bzw. deren Derivate im Lignin.Implementation of low molecular weight molecules revealed. As a result, however, these low molecular weight molecules or their derivatives remain in the lignin.
Zudem werden die niedermolekularen Moleküle nicht einer anderweitigen Verwendung zugänglich gemacht.In addition, the low molecular weight molecules are not made available for any other use.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und sicheres Verfahren zur chemischen Verwertung von Lignin, Ligninderivaten, Ligninbruchstücken und/oder ligninhaltigen Stoffen oder Mischungen zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide a simple and safe method for the chemical utilization of lignin, lignin derivatives, lignin fragments and / or lignin-containing substances or mixtures.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 , die Verwendung gemäss Anspruch 15 und das Produkt gemäss Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 wiedergegeben.The object is achieved according to the invention by the process according to claim 1, the use according to claim 15 and the product according to claim 16. Preferred embodiments of the method are given in the dependent claims 2 to 14.
Gemäss dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden aus einem ligninhaltigen Ausgangsmaterial chemisch modifizierte Ligninabbauprodukte hergestellt. Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst die folgenden Schritte:According to the process of the present invention, chemically modified lignin degradation products are prepared from a lignin-containing starting material. The method according to the invention comprises the following steps:
(a) Abbau eines Ausgangsmaterials, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lignin, Ligninderivaten, Ligninbruchstücken, ligninhaltigen Stoffen und Mischungen davon, unter sauren Bedingungen in Gegenwart eines flüssigen Mediums zu niedermolekularen und hochmolekularen Ligninabbauprodukten, wobei die niedermolekularen Ligninabbauprodukte in ihrer che- mischen Strukturformel maximal drei Benzolringeinheiten aufweisen und die hochmolekularen Ligninabbauprodukte in ihrer
chemischen Strukturformel mehr als drei Benzolringeinheiten aufweisen,(A) degradation of a starting material which is selected from the group consisting of lignin, lignin derivatives, lignin fragments, lignin-containing substances and mixtures thereof under acidic conditions in the presence of a liquid medium to low molecular weight and high molecular lignin degradation products, wherein the low molecular weight Ligninabbauprodukte in their chemical Structural formula have a maximum of three benzene ring units and the high molecular lignin degradation in their chemical structural formula have more than three benzene ring units,
(b) mindestens weitgehende Abtrennung der niedermolekularen Ligninabbauprodukte zur Gewinnung einer hochmolekularen Fraktion und(B) at least substantial separation of the low molecular weight Ligninabbauprodukte to obtain a high molecular weight fraction and
(c) chemische Modifikation der in der hochmolekularen Fraktion enthaltenen hochmolekularen Ligninabbauprodukte zu chemisch modifizierten Ligninabbauprodukten.(C) chemical modification of the high molecular weight lignin degradation products contained in the high molecular weight fraction to chemically modified Ligninabbauprodukten.
Erfindungsgemäss erfolgt dabei die chemische Modifikation der hochmolekularen Ligninabbauprodukte gemäss Schritt (c) erst nach den Schritten (a) und (b).According to the invention, the chemical modification of the high-molecular-weight lignin degradation products according to step (c) takes place only after the steps (a) and (b).
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine chemische Verwertung von hochmolekularen Ligninabbauprodukten und bietet damit eine technologisch wertvollere und sinnvollere Alternative zu den bisher bekannten Verfahren zur Oxidation bzw. Energiegewinnung durch Verbrennen. Die chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte eignen sich beispielsweise äusserst gut als Dispergiermittel, beispielsweise für zementöse Systeme, als Komplexbildner für mehrwertige Metallkationen, als Phenol-Komponente in Bindemitteln oder Harzen, oder als Flockungsmittel, Verdicker, Komponente oder Hilfsmittel für Beschichtungen, Anstriche, Klebstoffe oder Harze. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird somit eine sehr nützliche und sinnvolle Verwertung des nachwachsenden Rohstoffs Lignin ermöglicht. Durch den Abbau des Lignins kann die Anzahl der chemisch modifizierbaren funktionellen Gruppen in den abgebauten hochmolekularen Ligninmolekülen erhöht werden. Zudem können zusätzliche, ohne Abbau nicht zugängliche, chemisch modifizierbare funktionelle Gruppen in die abgebauten hochmolekularen Ligninmoleküle eingeführt werden. Dies führt zu einer grosseren Flexibilität in Hinblick auf den Einsatz der chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte. Durch die chemische Modifizierung bieten sich zusätzliche Möglichkeiten der Funktionalisierung und damit die Möglichkeit, die Eigenschaften des Endproduktes weiter an die gewünschten Erfordernisse anzupassen. Durch den Abbau des Lignins bedingt, ist das Molekulargewicht der chemisch
modifizierten Ligninabbauprodukte nach Schritt c kleiner als das der in gleicher Weise chemisch modifizierten nicht abgebauten Ausgangslignine. Das kleinere Molekulargewicht erleichtert die Löslichkeit der Endprodukte, verbessert die Verträglichkeit mit anderen Komponenten, wie beispielsweise in Formulierungen von Zementverflüssigern mit anderen Polymeren, und verbessert die Dispergierwirkung.The inventive method allows a chemical recovery of high molecular lignin degradation products and thus offers a more technologically valuable and useful alternative to the previously known methods for oxidation or energy by burning. The chemically modified Ligninabbauprodukte are for example extremely well as dispersants, for example for cementitious systems, as complexing agents for polyvalent metal cations, as a phenol component in binders or resins, or as flocculants, thickeners, components or auxiliaries for coatings, paints, adhesives or resins. The method according to the invention thus makes possible a very useful and meaningful utilization of the renewable raw material lignin. The degradation of lignin can increase the number of chemically modifiable functional groups in the degraded high-molecular-weight lignin molecules. In addition, additional, chemically modifiable functional groups that are not accessible without degradation can be introduced into the degraded high-molecular-weight lignin molecules. This leads to greater flexibility with regard to the use of chemically modified lignin degradation products. The chemical modification offers additional possibilities of functionalization and thus the possibility of further adapting the properties of the end product to the desired requirements. Due to the degradation of lignin, the molecular weight of the chemical is modified Ligninabbauprodukte after step c smaller than that of the same chemically modified undegraded starting lignins. The smaller molecular weight facilitates the solubility of the final products, improves the compatibility with other components, such as in formulations of cement liquefiers with other polymers, and improves the dispersing effect.
Die gemäss Erfindung erhaltenen chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte weisen aufgrund des Schrittes b keine oder sehr geringe Anteile an niedermolekularen Ligninabbauprodukten oder chemisch modifizierten nieder- molekularen Ligninabbauprodukten auf. Die Anwesenheit von derartigen, insbesondere phenolischen, niedermolekularen Ligninabbauprodukten oder chemisch modifizierten niedermolekularen Ligninabbauprodukten ist insbesondere unerwünscht, weil sie einerseits toxikologisch unvorteilhaft sein können oder weil sie insbesondere bei der Verwendung in härtbaren Materialien, beispiels- weise Beton oder Mörtel, nach oder während der Aushärtung ausgewaschen oder herausgelöst werden können, wodurch die Eigenschaften, insbesondere die Umweltverträglichkeit, dieser ausgehärteten Materialien unvorteilhaft beeinflusst wird.The chemically modified lignin degradation products obtained according to the invention have no or very low levels of low molecular weight lignin degradation products or chemically modified low molecular weight lignin degradation products due to step b. The presence of such, in particular phenolic, low molecular weight lignin degradation products or chemically modified low molecular weight lignin degradation products is particularly undesirable because they may be toxicologically disadvantageous on the one hand or because, especially when used in curable materials, such as concrete or mortar, washed out after or during curing or can be dissolved out, whereby the properties, in particular the environmental compatibility, of these cured materials is unfavorably influenced.
Die in Schritt (b) abgetrennten niedermolekularen Ligninabbau- produkte, zum Beispiel Vanilin, sind anderweitig nutzbar.The low molecular weight lignin degradation products separated off in step (b), for example vanilin, can be used in other ways.
Es lassen sich somit mit dem vorliegenden Verfahren aus Lignin gleichzeitig sowohl kommerziell interessante niedermolekulare Lignin-Thus, with the present process of lignin, both commercially interesting low molecular weight lignin
Abbauprodukte, als auch höherwertige höhermolekulare Lignin-Abbauprodukte gewinnen, wodurch eine möglichst hohe Wertschöpfung aus dem Rohstoff Lignin ermöglicht wird.Mining products, as well as higher-value higher-molecular-weight lignin degradation products, thereby enabling the highest possible added value from the raw material lignin.
Der Begriff Lignin umschreibt eine ganze Klasse von Substanzen. Dies ist dem Fachmann bekannt.The term lignin describes a whole class of substances. This is known to the person skilled in the art.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können im Prinzip aus allen Lignintypen, unabhängig von Herkunft und Vorbehandlung, chemisch modifizierte Ligninabbauprodukte gewonnen werden. Es ist auch möglich, eine ge-
zielte Vorbehandlung des verwendeten Lignins vorzunehmen, um beispielsweise die Löslichkeit in organischem bzw. anorganischem Lösungsmittel zu modifizieren. Weiter ist es auch möglich, ein bereits teilweise zersetztes Lignin zu verwenden.With the method according to the invention, in principle, chemically modified lignin degradation products can be obtained from all lignin types, regardless of origin and pretreatment. It is also possible to have a aimed at pretreatment of the lignin used, for example, to modify the solubility in organic or inorganic solvent. Furthermore, it is also possible to use an already partially decomposed lignin.
Der Abbau erfolgt durch Spaltung von Bindungen im Ligningerüst, wodurch das Molekulargewicht des Lignins reduziert wird und so zu Abbauprodukten führt, die je nach Molekulargewicht niedermolekulare oder hochmolekulare Ligninabbauprodukte im Sinne dieses Dokumentes darstellen.Degradation takes place by cleavage of bonds in the lignin backbone, which reduces the molecular weight of the lignin and thus leads to degradation products which, depending on the molecular weight, are low molecular weight or high molecular weight lignin degradation products within the meaning of this document.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abbau gemäss Schritt (a) des erfindungsgemässen Verfahrens in Gegenwart von wenigstens einem Polyoxometallat durchgeführt. Im Gegensatz zu den konventionellen Methoden für den Abbau von Ligninen, welche üblicherweise auf rein chemophysikalischen Methoden (hohe Temperatur und Druck), auf einfacher säure- oder basenkatalysierter Hydrolyse beruhen, ermöglichen hier Polyoxometallate die selektive Spaltung von Bindungen und damit den Abbau von Lignin bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Die Verwendung von Polyoxometallaten als Katalysatoren für den Abbau von Lignin, Ligninderivaten, Ligninbruchstücken, ligninhaltigen Stoffen und Mischungen ist in WO 2008/106811 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen wird.In a preferred embodiment, the degradation according to step (a) of the process according to the invention is carried out in the presence of at least one polyoxometalate. In contrast to the conventional methods for the degradation of lignins, which are usually based on purely chemophysical methods (high temperature and pressure), based on simple acid- or base-catalyzed hydrolysis, here Polyoxometallate allow the selective cleavage of bonds and thus the degradation of lignin already at comparatively low temperatures. The use of polyoxometalates as catalysts for the degradation of lignin, lignin derivatives, lignin fragments, lignin-containing substances and mixtures is described in WO 2008/106811, the disclosure of which is expressly incorporated herein by reference.
Bezüglich möglicher Polyoxometallate sei ebenfalls verwiesen auf die WO 2008/106811 , wo sie detailliert beschrieben sind, Okuhara et al. (2001 ) Applied Catalysis A: General 222 : 63-77, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen wird.With regard to possible polyoxometalates, reference is also made to WO 2008/106811, where they are described in detail, Okuhara et al. (2001) Applied Catalysis A: General 222: 63-77, the disclosure of which is expressly incorporated herein by reference.
Als besonders geeignet gezeigt haben sich Polyoxometallate des Molybdän und Phosphors. Als meist bevorzugt hat sich Phosphormolybdänsäure (H3PM012O40 auch als
darstellbar) gezeigt, welche vom Fachmann auch als 12-Phosphormolybdänsäure bezeichnet wird.
Vorzugsweise werden in Schritt (a) Polyoxometallate in einer Menge von 0.01 - 50 g, bevorzugt 0.1 - 10 g, pro 1 g Ausgangsmaterial eingesetzt.Polyoxometalates of molybdenum and phosphorus have been found to be particularly suitable. Most preferred phosphomolybdic acid (H3PM012O40 as representable), which is also referred to by the skilled person as 12-Phosphomolybdänsäure. Polyoxometalates are preferably used in step (a) in an amount of 0.01-50 g, preferably 0.1-10 g, per 1 g of starting material.
In einer weiteren, bevorzugten, Ausführungsform wird der Abbau gemäss Schritt (a) in Gegenwart von mindestens einer Säure, insbesondere in Gegenwart einer Säure mit einem pKai von weniger als 3, bevorzugt von weniger als 2.5, durchgeführt. Die Verwendung einer Säure stellt eine einfache und kostengünstige Alternative zu den Polyoxometallat-Katalysatoren dar. Vorteilhaft bei der Verwendung von derartigen Säuren ist, dass die Säuren einfach neutralisiert werden können und auch ohne Abtrennung die chemische Modifikation im Schritt (c) nicht nachteilig beeinflussen. Im Gegenteil, es kann durchaus auch vorteilhaft sein, dass diese Säuren die chemische Modifikation sogar unterstützen bzw. katalysieren. Die meisten Säuren sind auch kostengünstiger als die Polyoxometallate. Es können sowohl anorganische als auch organische Säuren eingesetzt werden, beispielsweise HCl, H2SO4, H2SO3, HNO3, HNO2, H3PO4, H3PO3, Sulfonsäuren, insbesondere Benzol- sulfonsäure, Methansulfonsäure oder Trifluoressigsäure, Trichloressigsäure.In a further preferred embodiment, the degradation according to step (a) is carried out in the presence of at least one acid, in particular in the presence of an acid having a pK a i of less than 3, preferably less than 2.5. The use of an acid provides a simple and cost effective alternative to the polyoxometalate catalysts. Advantageous in the use of such acids is that the acids can be readily neutralized and without adversely affecting the chemical modification in step (c) without separation. On the contrary, it can also be advantageous that these acids even support or catalyze the chemical modification. Most acids are also less expensive than the polyoxometalates. It is possible to use both inorganic and organic acids, for example HCl, H 2 SO 4 , H 2 SO 3 , HNO 3 , HNO 2 , H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , sulfonic acids, in particular benzenesulfonic acid, methanesulfonic acid or trifluoroacetic acid , Trichloroacetic acid.
In Schritt (a) können derartige Säure(n) auch in Kombination mit Polyoxometallat(en) eingesetzt werden.In step (a), such acid (s) may also be used in combination with polyoxometalate (s).
Eine Ausführungsform für Schritt (a) sieht vor, ein Ausgangsmaterial, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lignin, Ligninderivaten,An embodiment of step (a) provides a starting material selected from the group consisting of lignin, lignin derivatives,
Ligninbruchstücken, ligninhaltigen Stoffen und Mischungen davon, inLignin fragments, lignocellulosic substances and mixtures thereof, in
Gegenwart von wenigstens einem Polyoxometallat oder mindestens einerPresence of at least one polyoxometalate or at least one
Säure in einem geeigneten Reaktor umzusetzen. Hierzu werden dasReacting acid in a suitable reactor. This will be the
Ausgangsmaterial und das wenigstens eine Polyoxometallat respektive die mindestens eine Säure in einem geeigneten flüssigen Medium gelöst oder suspendiert. Die Mischung wird für eine ausreichend lange Zeit aufStarting material and the at least one polyoxometalate or the at least one acid dissolved or suspended in a suitable liquid medium. The mixture is left on for a sufficiently long time
Bedingungen gebracht, welche den Abbau von Lignin vorantreiben.Brought conditions that promote the degradation of lignin.
Hierbei kann der pH in einem Bereich von 0.5 bis 6 liegen bzw. eingestellt werden, vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 3. Unter diesen sauren Bedingungen erfolgt eine optimale Umsetzung des eingesetzten ligninhaltigen Ausgangsmaterials zu den nieder- und hochmolekularenIn this case, the pH can be in the range of 0.5 to 6 or be set, preferably in a range of 1 to 3. Under these acidic conditions, an optimal implementation of the lignin-containing starting material used to the low and high molecular weight
Ligninabbauprodukten.
Vorzugsweise wird der Abbau des ligninhaltigen Ausgangsmaterials bei einer Temperatur von 20 bis 300 0C durchgeführt, insbesondere bei einer Temperatur von 100 bis 200 0C.Ligninabbauprodukten. Preferably, the degradation of the lignin-containing starting material is carried out at a temperature of 20 to 300 0 C, in particular at a temperature of 100 to 200 0 C.
Der Abbau von Lignin kann hierbei bei einem Überdruck von 0 bis 200 bar durchgeführt werden, vorzugsweise bei einem Überdruck von 0 bis 50 bar. Vorzugsweise erfolgt der Abbau in Gegenwart von N2, Luft oder O2, bevorzugt O2.The degradation of lignin can be carried out at an overpressure of 0 to 200 bar, preferably at an overpressure of 0 to 50 bar. Preferably, the degradation takes place in the presence of N 2 , air or O 2 , preferably O 2 .
Besonders gute Resultate des Abbaus, d.h. besonders hohe Ausbeuten an niedermolekularen Ligninabbauprodukten, wurden erreicht, wenn der Abbau in einem Reaktor bei einem Überdruck von Sauerstoff und einer Temperatur von 100 bis 2000C und unter Anwesenheit einer Säure mit einem pKai von weniger als 3 und/oder einem Polyoxometallat erfolgt.Particularly good results of the degradation, ie particularly high yields of low molecular weight Ligninabbauprodukten were achieved when the degradation in a reactor at an excess pressure of oxygen and a temperature of 100 to 200 0 C and in the presence of an acid having a pK a i of less than 3 and / or a polyoxometalate.
Der Abbau von Lignin in Schritt (a) kann anstatt in einem batchweisen, diskontinuierlichen, Prozess auch in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen. Dies hat insbesondere den Vorteil von geringerem Arbeits- und Reinigungsaufwand und stellt demzufolge eine Kostenverringerung des Abbauprozesses dar und ist vorwiegend für den industriellen, grossvolumigen Ligninabbau bzw. chemische Modifikation der Ligninabbauprodukte besonders zu bevorzugen. Vorteilhaft werden in einem solchen kontinuierlichen Prozess die vorteilhaft verwendeten Polyoxometallate kontinuierlich vom Reaktionsgemisch abgetrennt und dem Prozess wieder zugeführt.The degradation of lignin in step (a) can also take place in a continuous process instead of in a batchwise, batchwise process. This has the particular advantage of lower labor and cleaning costs and therefore represents a cost reduction of the degradation process and is particularly preferred for industrial, large-volume lignin degradation or chemical modification of Ligninabbauprodukte particularly. Advantageously, in such a continuous process, the advantageously used polyoxometalates are continuously separated from the reaction mixture and recycled to the process.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abbau gemäss Schritt (a) in Gegenwart von mindestens einer Verbindung, welche eine Rekombination von Abbauprodukten verhindert, durchgeführt. Insbesondere sind derartige Verbindungen Radikalfänger.According to a preferred embodiment, the degradation according to step (a) is carried out in the presence of at least one compound which prevents recombination of degradation products. In particular, such compounds are radical scavengers.
Im Folgenden wird definiert, wie der Begriff „Radikalfänger" im Zusammenhang mit diesem Dokument verstanden wird.The following defines how the term "radical scavenger" is understood in the context of this document.
Radikalfänger dienen im Rahmen dieser Erfindung dazu, die während des Abbaus von Lignin gebildeten Radikale abzufangen und damit Repolymerisierungsreaktionen zu verhindern. Insbesondere soll damit die
Ausbeute an den gewünschten chemisch zu modifizierenden Ligninabbau- produkten erhöht werden.Radical scavengers serve in the context of this invention to scavenge the radicals formed during the degradation of lignin and thus to prevent repolymerization reactions. In particular, so should the Yield of the desired chemically modified lignin degradation products can be increased.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abbau in Gegenwart eines Radikalfängers durchgeführt, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkoholen, bevorzugt Methanol oder Ethanol; organischenIn a preferred embodiment, the degradation is carried out in the presence of a radical scavenger which is selected from the group consisting of alcohols, preferably methanol or ethanol; organic
Säuren, bevorzugt Ascorbinsäure; Phenolen, bevorzugt Butylhydroxytoluol; und stabilisierten freien Radikalen, bevorzugt Nitroxylradikalen.Acids, preferably ascorbic acid; Phenols, preferably butylhydroxytoluene; and stabilized free radicals, preferably nitroxyl radicals.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, ligninhaltiges Ausgangsmaterial in Anwesenheit zweier flüssiger Phasen umzusetzen. Im Unterschied zum Abbau in nur einer flüssigen Phase stehen hierbei zwei nur teilweise bzw. nicht mischbare flüssige Phasen miteinander in Kontakt. Vorzugsweise weisen die beiden flüssigen Phasen eine wesentlich unterschiedliche Polarität auf. Aufgrund unterschiedlicher Löslichkeiten von Polyoxometallat(en) oder Säure, von Lignin und von Ligninabbauprodukten in den ausgewählten flüssigen Phasen kann eine teilweise bzw. vollständige Trennung der Komponenten erfolgen. Es ist beispielsweise möglich, ein System mit zwei flüssigen Phasen zu wählen, wobei Lignin, die hochmolekularen Ligninabbauprodukte und Polyoxometallat(e) hauptsächlich in der ersten flüssigen Phase (z. B. Wasser) gelöst bzw. suspendiert sind und die zweite flüssige Phase eine höhere Löslichkeit für die niedermolekularen Ligninabbauprodukte bietet (z. B. Chloroform). Somit können die niedermolekularen Ligninabbauprodukte vom Reaktionsmedium abgetrennt werden, bevor diese in Folgereaktionen weiter reagieren. Vorzugsweise wird der Abbau des Lignins in Anwesenheit zweier flüssiger Phasen ebenfalls in Gegenwart eines Radikalfängers durchgeführt. Es ist vorteilhaft, wenn es sich beim in Schritt (a) eingesetzten flüssigen Medium um Wasser, gegebenenfalls in Kombination mit einem Alkohol, handelt. Vorzugsweise wird beim Abbau ein alkoholischer Radikalfänger eingesetzt, insbesondere Methanol und/oder Ethanol, wobei insbesondere bevorzugt das Volumenverhältnis von Wasser zu alkoholischem Radikalfänger im Bereich von 1 :10 bis 10:1 ist.Another embodiment provides to convert lignin-containing starting material in the presence of two liquid phases. In contrast to degradation in only one liquid phase, two liquid phases, which are only partly or immiscible, are in contact with each other. Preferably, the two liquid phases have a substantially different polarity. Due to different solubilities of polyoxometalate (s) or acid, of lignin and of lignin degradation products in the selected liquid phases, a partial or complete separation of the components can take place. For example, it is possible to choose a two liquid phase system wherein lignin, the high molecular weight lignin degradation products and polyoxometalate (s) are dissolved or suspended primarily in the first liquid phase (eg water) and the second liquid phase is higher Solubility for the low molecular weight Ligninabbauprodukte offers (eg chloroform). Thus, the low molecular weight Ligninabbauprodukte can be separated from the reaction medium before they react further in subsequent reactions. Preferably, the degradation of the lignin in the presence of two liquid phases is also carried out in the presence of a radical scavenger. It is advantageous if the liquid medium used in step (a) is water, optionally in combination with an alcohol. Preferably, an alcoholic radical scavenger is used in the degradation, in particular methanol and / or ethanol, wherein the volume ratio of water to alcoholic radical scavenger is particularly preferably in the range from 1:10 to 10: 1.
Die mindestens weitgehende Abtrennung der niedermolekularen Ligninabbauprodukte kann beispielsweise mittels Destillation oder Extraktion
oder Ausfällung oder Filtration oder Ultrafiltration erfolgen. Als besonders geeignet gezeigt haben sich Extraktion und Ultrafiltration mittels Membran, welche typischerweise eine Ausschlussgrenze (Cut-off) von 100 Dalton bzw. 1000 Dalton aufweist. Ausserdem ist es auch möglich, nebst den niedermolekularen Ligninabbauprodukten auch allfällige weitere Komponenten abzutrennen, z. B. Lösungsmittel oder überschüssige Reagenzien.The at least substantial separation of the low molecular weight Ligninabbauprodukte can, for example, by distillation or extraction or precipitation or filtration or ultrafiltration. Extraction and ultrafiltration by means of membrane, which typically has a cut-off of 100 daltons or 1000 daltons, have proven particularly suitable. In addition, it is also possible, in addition to the low molecular weight lignin degradation products also separate any other components, eg. As solvents or excess reagents.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer möglichst vollständigen Abtrennung der niedermolekularen Ligninabbauprodukte die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefundenen Vorteile möglichst stark zu Tage treten.It has been found that, with as complete a separation as possible of the low molecular weight lignin degradation products, the advantages found in the context of the present invention are as strong as possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abtrennung der niedermolekularen Ligninabbauprodukte in Schritt (b) derart, dass im chemisch modifizierten Ligninabbauprodukt nach Schritt (c) der Anteil der Summe von niedermolekularen Ligninabbauprodukten und chemisch modifizierten niedermole- kularen Ligninabbauprodukten geringer als 20 Gew.-%, insbesondere geringer als 10 Gew.-%, bevorzugt geringer als 5 Gew.-%, am meisten bevorzugt geringer als 1 Gew.-%, beträgt.In a preferred embodiment, the separation of the low molecular weight lignin degradation products in step (b) is such that the proportion of the sum of low molecular weight lignin degradation products and chemically modified low molecular lignin degradation products less than 20 wt .-%, in particular in the chemically modified Ligninabbauprodukt after step (c) less than 10 wt%, preferably less than 5 wt%, most preferably less than 1 wt%.
Es hat sich gezeigt, dass besonders die Abtrennung der niedermolekularen Bestandteile, welche lediglich einen Benzolring (in diesem Kontext als „Monomere" bezeichnet) aufweisen, entsprechend einem Molekulargewicht Mw der niedermolekularen Abbauprodukte von unter 200 g/mol aufweisen, vorteilhaft möglichst vollständig erfolgt. Bevorzugt wird die nach Schritt (a) im Reaktionsgemisch vorhandene Menge an Monomeren mittels Schritt (b) zu mehr als 90 Gew.-%, insbesondere zu mehr als 95 Gew.- %, bevorzugt zu mehr als 97 Gew.-% abgetrennt. Vorteilhaft weist die hochmolekulare Fraktion nach Schritt (b) weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 2 Gew.-%, bevorzugt weniger als 1 Gew.-% an Monomeren auf.It has been shown that particularly the separation of the low molecular weight constituents, which have only one benzene ring (referred to in this context as "monomers") corresponding to a molecular weight Mw of the low molecular weight degradation products of less than 200 g / mol, advantageously takes place as completely as possible the amount of monomers present in the reaction mixture after step (a) is separated off by means of step (b) to more than 90% by weight, in particular more than 95% by weight, preferably more than 97% by weight the high molecular weight fraction after step (b) less than 5 wt .-%, in particular less than 2 wt .-%, preferably less than 1 wt .-% of monomers.
Es ist grundsätzlich möglich, Schritt (b) während dem Schritt (a) durchzuführen, d.h. dass die Abtrennung der niedermolekularenIt is basically possible to carry out step (b) during step (a), i. that the separation of the low-molecular
Ligninabbauprodukte zumindest teilweise während des Abbaus des
Ausgangsmaterials erfolgen kann, beispielsweise durch Extraktion in einer Operation (Reaktivextraktion) oder durch Abtrennung (Filtration) über eine Membran in einem Membranreaktor.Lignin degradation products at least partially during the degradation of the Starting material can be carried out, for example by extraction in one operation (reactive extraction) or by separation (filtration) via a membrane in a membrane reactor.
Die als niedermolekulare Ligninabbauprodukte abgetrennten phenolischen Produkte können einer anderen Verwendung zugeführt werden, beispielsweise als Edukte für die Herstellung von organischen Verbindungen.The phenolic products separated as low-molecular-weight lignin degradation products can be used for a different purpose, for example as starting materials for the preparation of organic compounds.
Durch die chemische Modifikation in Schritt (c) können die chemischen Eigenschaften der hochmolekularen Ligninabbauprodukte derart bestimmt werden, dass sich die modifizierten Produkte für die gewünschte Verwendung eignen. Je nach gewünschtem Verwendungszweck können die hochmolekularen Ligninabbauprodukte zum Beispiel durch Veretherung, Veresterung, Alkoxylierung, Sulfonierung oder Pfropfpolymerisation chemisch modifiziert werden. Vorzugsweise umfasst die chemische Modifikation der hochmolekularen Ligninabbauprodukte eine Reaktion, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Addition, Kondensation und Pfropfpolymerisation.By the chemical modification in step (c), the chemical properties of the high molecular weight lignin degradation products can be determined such that the modified products are suitable for the desired use. Depending on the intended use, the high-molecular lignin degradation products can be chemically modified, for example, by etherification, esterification, alkoxylation, sulfonation or graft polymerization. Preferably, the chemical modification of the high molecular weight lignin degradation products comprises a reaction selected from the group consisting of addition, condensation and graft polymerization.
Die hochmolekularen Ligninabbauprodukte enthalten nach Schritt (b) insbesondere chemisch modifizierbare Gruppen, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen Alkoholgruppen, aromatischen Alkoholgruppen (phenolische Gruppen), Carbonsäuregruppen und Carbonylgruppen. Zudem können sie unter Umständen als Radikale aus Schritt (b) hervorgehen. Insbesondere derartige Gruppen sind der chemischen Modifikation in Schritt (c) zugänglich.The high molecular weight lignin degradation products contain after step (b) in particular chemically modifiable groups which are selected from the group consisting of aliphatic alcohol groups, aromatic alcohol groups (phenolic groups), carboxylic acid groups and carbonyl groups. In addition, they may possibly emerge as radicals from step (b). In particular, such groups are the chemical modification in step (c) accessible.
Weiterhin können typische Reaktionen an aromatischen Kernen, wie elektrophile Substitutionen, als chemische Modifikation im Schritt (c) erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die chemischeFurthermore, typical reactions on aromatic nuclei, such as electrophilic substitutions, can be carried out as a chemical modification in step (c). In a preferred embodiment, the chemical
Modifikation der hochmolekularen Ligninabbauprodukte durch Umsetzung mit mindestens einem Reaktanden, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkoholen, Carbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren, Aminosäuren, Säurechloriden, Säureanhydriden, Sulfonsäuren, Hydroxysulfonsäuren, Aminosulfonsäuren, Sulfaminsäure, Estern, Lactonen, Lactamen, Alkylhalo- geniden, Epoxiden, Aminen, Hydroxylaminen, Schwefelsäure, Oleum,
Chlorsulfonsäure, Addukte von SO3 wie z.B. an DMF oder Pyridin, und olefinisch ungesättigten Verbindungen.Modification of the high-molecular lignin degradation products by reaction with at least one reactant which is selected from the group consisting of alcohols, carboxylic acids, hydroxycarboxylic acids, amino acids, acid chlorides, acid anhydrides, sulfonic acids, hydroxysulfonic acids, aminosulfonic acids, sulfamic acid, esters, lactones, lactams, alkyl halides, epoxides , Amines, hydroxylamines, sulfuric acid, oleum, Chlorosulfonic acid, adducts of SO3 such as DMF or pyridine, and olefinically unsaturated compounds.
Als Beispiele für derartige besonders bevorzugte Additions- oder Kondensations-Reaktionen sind hier im Folgenden -schematisch dargestellt- einige typische chemische Modifikationsreaktionen aufgezeigt:As examples of such particularly preferred addition or condensation reactions, some typical chemical modification reactions are shown below schematically:
- Chemische Modifikationen von Alkoholgruppen von hochmolekularen Lignin- abbauprodukten: Alkoxylierung:- Chemical modifications of alcohol groups of high-molecular-weight lignin degradation products: alkoxylation:
Phenolische und die nicht-phenolischen Alkoholgruppen in den hochmolekularen Ligninabbauprodukten lassen sich beispielsweise unter für Alkoxylie- rungen üblichen Bedingungen mit Ethylenoxid, Propylenoxid oder Butylen- oxid oder Mischungen davon umsetzen. Je nach Reaktionssteuerung und eingesetzter Menge an Alkylenoxid können so Polyalkylenoxid-Ketten unterschiedlicher Längen und Zusammensetzungen auf das abgebaute Lignin- molekül angebracht werden. Als typisches Beispiel hierfür können mittels Alkoxylierung die folgenden chemischen Gruppen eingeführt werden:Phenolic and non-phenolic alcohol groups in the high-molecular-weight lignin decomposition products can be reacted with ethylene oxide, propylene oxide or butylene oxide or mixtures thereof, for example, under conditions customary for alkoxylations. Depending on the reaction control and the amount of alkylene oxide used, polyalkylene oxide chains of different lengths and compositions can be applied to the degraded lignin molecule. As a typical example of this, the following chemical groups can be introduced by means of alkoxylation:
Der über eine gestrichelte Bindung verbundene Rest L soll in der obigen und den folgenden Formeln jeweils das Polymergrundgerüst eines hochmolekularen Ligninabbauproduktes vor und nach der chemischen Modifikation darstellen. Es versteht sich von selbst, dass an ein derartiges Polymergrundgerüst durchaus auch mehrere - auch verschiedene - der gezeigten Funktionalitäten angehängt werden können.
- Chemische Modifikationen von Alkoholgruppen von hochmolekularen Lignin- abbauprodukten: Addition von Epoxiden:In the above and the following formulas, the radical L linked via a dashed bond is intended in each case to represent the polymer backbone of a high-molecular-weight lignin degradation product before and after the chemical modification. It goes without saying that it is certainly also possible to append a number of - even different - of the functionalities shown to such a polymer backbone. - Chemical modifications of alcohol groups of high-molecular-weight lignin degradation products: addition of epoxides:
Phenolische und die nicht-phenolischen Alkoholgruppen in den hochmolekularen Ligninabbauprodukten lassen sich weiterhin an Epoxide, wie beispielsweise epoxidierte Fettsäuren, Glycidylmethacrylat oder epoxidierte Maleinsäure, addieren. Als typisches Beispiel hierfür können mittels Addition an Epoxiden folgende chemische modifizierte Gruppen erzielt werden:Phenolic and non-phenolic alcohol groups in the high molecular weight lignin degradation products can be further added to epoxides such as epoxidized fatty acids, glycidyl methacrylate or epoxidized maleic acid. As a typical example, the following chemical modified groups can be obtained by addition to epoxides:
- Chemische Modifikationen von Alkoholgruppen von hochmolekularen Ligninabbauprodukten: Hetero-Michael-Addition: Mögliche im abgebauten Lignin vorhandene Alkoholgruppen können mit- Chemical modifications of alcohol groups of high-molecular lignin decomposition products: Hetero-Michael addition: Possible alcohol groups present in the degraded lignin can with
Verbindungen, die aktivierte C=C-Doppelbindungen enthalten, in einer Hetero-Michael-Addition verethert werden. Geeignete Verbindungen sind beispielsweise (Meth)acrylsäure, (Meth)acrylsäureester, (Meth)acrylamide, (Meth)acrylnitril, Vinylsulfonsäure oder Vinylphosphonsäure. Weitere mögliche Verbindungen sind Maleinsäure, Crotonsäure oder Itaconsäure oder deren Mono- oder Diester und -amide sowie das Monoamid von Maleinsäure mit Sulfanilsäure. Als typisches Beispiel hierfür können mittels Addition an aktivierte C=C-Doppelbindungen folgende chemisch modifizierte Gruppen erzielt werden:Compounds containing activated C = C double bonds are etherified in a hetero-Michael addition. Examples of suitable compounds are (meth) acrylic acid, (meth) acrylates, (meth) acrylamides, (meth) acrylonitrile, vinylsulfonic acid or vinylphosphonic acid. Further possible compounds are maleic acid, crotonic acid or itaconic acid or their mono- or diesters and -amides and also the monoamide of maleic acid with sulphanilic acid. As a typical example, the following chemically modified groups can be obtained by addition to activated C =C double bonds:
- Chemische Modifikationen von Alkoholgruppen von hochmolekularen Ligninabbauprodukten: Veresterung:- Chemical Modifications of Alcohol Groups of High Molecular Lignin Degradation Products: Esterification:
Phenolische und die nicht-phenolischen Alkoholgruppen in den hochmolekularen Ligninabbauprodukten können mit Mono- oder Dicarbonsäuren oder deren Anhydriden oder Säurechloriden verestert werden oder mit einfachen Carbonsäureestern umgeestert werden. Beispiele dafür sind Essigsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Phthalsäure oder
Fettsäuren wie Laurinsäure oder Ölsäure, deren Anhydride, Säurechloride oder einfache Ester. Als typisches Beispiel hierfür können mittels Veresterung folgende chemische modifizierte Gruppen erzielt werden:Phenolic and non-phenolic alcohol groups in the high molecular weight lignin degradation products can be esterified with mono- or dicarboxylic acids or their anhydrides or acid chlorides, or transesterified with simple carboxylic acid esters. Examples of these are acetic acid, maleic acid, fumaric acid, phthalic acid or Fatty acids such as lauric acid or oleic acid, their anhydrides, acid chlorides or simple esters. As a typical example of this, the following chemical modified groups can be obtained by esterification:
Chemische Modifikationen von phenolischen Gruppen von hochmolekularen Ligninabbauprodukten: Methylolierung & Mannichbasenherstellung: Aromatische Kerne mit aromatischen Alkoholgruppen, d.h., phenolische Ringe, können mit Formaldehyd zu Methylolverbindungen reagieren, die weiter umgesetzt werden können. Umsetzung der aromatischen Kerne, insbesondere der phenolischen Ringe, mit Formaldehyd oder anderen Aldehyden und Aminen oder Polyaminen führen zu Mannich-Basen. Als hierfür besonders geeignetes Amin hat sich Alanin gezeigt. Diese können bei Bedarf weiter funktionalisiert werden. Als typischee Beispiele hierfür können folgende chemische modifizierte Gruppen erzielt werden:Chemical Modifications of Phenolic Groups of High Molecular Lignin Degradation Products: Methylolation & Mannich Base Preparation: Aromatic nuclei with aromatic alcohol groups, i.e., phenolic rings, can react with formaldehyde to form methylol compounds which can be further reacted. Reaction of the aromatic nuclei, in particular the phenolic rings, with formaldehyde or other aldehydes and amines or polyamines leads to Mannich bases. Alanine has been shown to be particularly suitable amine. These can be further functionalized as needed. As typical examples, the following chemical modified groups can be obtained:
- Chemische Modifikationen von Carbonsäure - oder Carbonsäureestergruppen von hochmolekularen Ligninabbauprodukten: Veresterung, Amidierung: Carbonsäure- oder Carbonsäureestergruppen in den hochmolekularen Ligninabbauprodukten können mit Alkoholen oder Aminen oder auch mit Epoxiden in die entsprechenden Ester oder Amide übergeführt werden. - Chemical Modifications of Carboxylic or Carboxylic Ester Groups of High Molecular Lignin Degradation Products: Esterification, Amidation: Carboxylic acid or carboxylic ester groups in the high molecular lignin degradation products can be converted into the corresponding esters or amides with alcohols or amines or with epoxides.
Beispiele für solche Reaktionen sind die Veresterung bzw. Amidierung mit α-Alkoxy-ω-hydroxy-polyalkylenglykolen oder α-Alkoxy-ω-amino-poly- alkylenglykolen, bevorzugt α-Methoxy-ω-hydroxy-polyethylenglykolen, α- Alkoxy-ω-amino-polyethylenglykolen oder α-Alkoxy-ω-amino- poly(ethylen/propylen-glykolen), oder die Veresterung mit Fettalkoholen wie beispielsweise Laurylalkohol oder Oleylalkohol.Examples of such reactions are the esterification or amidation with α-alkoxy-ω-hydroxy-polyalkylene glycols or α-alkoxy-ω-amino-polyalkylene glycols, preferably α-methoxy-ω-hydroxy-polyethylene glycols, α-alkoxy-ω- amino-polyethylene glycols or α-alkoxy-ω-amino-poly (ethylene / propylene glycols), or the esterification with fatty alcohols such as lauryl alcohol or oleyl alcohol.
- Chemische Modifikationen von Aldehyd- oder Ketongruppen von hochmolekularen Ligninabbauprodukten:- Chemical modifications of aldehyde or ketone groups of high molecular weight lignin degradation products:
Aldehyd- oder Ketogruppen in den hochmolekularen Ligninabbauprodukten können mit Sulfit in die entsprechenden Hydroxy-Sulfonsäuren umgewandelt werden. Als typisches Beispiel hierfür können aus Aldehydgruppen folgende chemische modifizierte Gruppen erzielt werden:Aldehyde or keto groups in the high molecular weight lignin degradation products can be converted with sulfite to the corresponding hydroxy sulfonic acids. As a typical example of this, the following chemical modified groups can be obtained from aldehyde groups:
Weiterhin können die hochmolekularen Ligninabbauprodukte in einer radikalischen Pfropfpolymerisation mit mindestens einer olefinisch ungesättigten Verbindung umgesetzt werden. Vorzugsweise ist die mindestens eine olefinisch ungesättigte Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkenen, Dienen, olefinisch ungesättigten Säuren, olefinisch ungesättigten Estern, olefinisch ungesättigten Säureanhydriden, olefinisch ungesättigten Amiden, olefinisch ungesättigten Ethern und olefinisch ungesättigten Alkoholen, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Säuren oder Anhydriden oder Estern oder Amiden der Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure oder Itaconsäure, Vinylethern, Vinylsulfonsäuren, Vinylestern, Allylalhohol und Allylether.
Insbesondere sind derartige olefinisch ungesättigten Verbindungen (Meth)acrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Crotonsäure oder Itaconsäure, deren Ester, Hydroxyethyl(meth)acrylat, Hydroxypropyl(meth)acrylat, (Meth)acrylamid, 2-Acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure, das Halbamid aus Maleinsäure und Sulfanilsäure, Polyalkylenglykol-(meth)acrylate oder Maleinsäure-Polyalkylenglycol-Mono- oder Maleinsäure-Polyalkylenglycol-Di- ester oder -Amide, Styrol, Styrolsulfonsäure, Vinylacetat, N-Vinylpyrrolidon, Vinyl-polyalkylenglycole, Vinylsulfonsäure, Vinylphosphonsäure oder AIIyI- polyalkylenglycole.Furthermore, the high molecular weight lignin degradation products can be reacted in a radical graft polymerization with at least one olefinically unsaturated compound. The at least one olefinically unsaturated compound is preferably selected from the group consisting of alkenes, dienes, olefinically unsaturated acids, olefinically unsaturated esters, olefinically unsaturated acid anhydrides, olefinically unsaturated amides, olefinically unsaturated ethers and olefinically unsaturated alcohols, preferably selected from the group consisting of acids or anhydrides or esters or amides of acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid or itaconic acid, vinyl ethers, vinylsulfonic acids, vinyl esters, allyl alcohol and allyl ether. In particular, such olefinically unsaturated compounds are (meth) acrylic acid, maleic acid, fumaric acid, crotonic acid or itaconic acid, their esters, hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, (meth) acrylamide, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid , the half-amide of maleic acid and sulphanilic acid, polyalkylene glycol (meth) acrylates or maleic acid-polyalkylene glycol mono- or maleic acid polyalkylene glycol diesters or amides, styrene, styrenesulfonic acid, vinyl acetate, N-vinylpyrrolidone, vinylpolyalkylene glycols, vinylsulfonic acid, vinylphosphonic acid or allyl polyalkylene glycols.
Diese Pfropf-(Co)polymerisationen erfolgen in der Regel mit einem geeigneten Initiator und bei Bedarf Molekulargewichtsreglern und/oder Reduktionsmitteln. Beispiele für Initiatoren sind Peroxide wie Wasserstoffperoxid oder Dibenzoylperoxid (DBPO), Persulfate wie Natrium-, Kalium- oder Ammonium-Persulfat, Hydroperoxide wie Cumolhydroperoxid oder Azo-Verbindungen wie Aziosobutyronitril (AiBN). Bevorzugt sind Wasserstoffperoxid und Persulfate. Geeignete Regler sind beispielsweise Allylverbindungen, Alkohole, Aldehyde, Schwefelverbindungen wie z.B. Mercaptane, wie Thioapfelsäure, Mercaptopropionsäure, Dodecylmercaptan, geeignete Reduktionsmittel sind beispielsweise Alkalisulfite oder Alkalihydrogensulfite, Alkaliphosphite, Ascorbinsäure, Thiosulfate oder Rongalit oder auch Übergangsmetalle z.B. Fe(ll)salze.These graft (co) polymerizations are generally carried out with a suitable initiator and, if necessary, molecular weight regulators and / or reducing agents. Examples of initiators are peroxides such as hydrogen peroxide or dibenzoyl peroxide (DBPO), persulfates such as sodium, potassium or ammonium persulfate, hydroperoxides such as cumene hydroperoxide or azo compounds such as aziosobutyronitrile (AiBN). Preference is given to hydrogen peroxide and persulfates. Suitable regulators are, for example, allyl compounds, alcohols, aldehydes, sulfur compounds, e.g. Mercaptans, such as thioacetic acid, mercaptopropionic acid, dodecyl mercaptan, suitable reducing agents are, for example, alkali metal sulfites or alkali hydrogen sulfites, alkali phosphites, ascorbic acid, thiosulfates or Rongalit or transition metals, for example. Fe (II) salts.
Bevorzugt wird die Pfropfpolymerisation mit H2O2 zusammen mit Fe(ll)sulfat und Rongalit oder mit Alkalipersulfat und Alkalisulfit durchgeführt. Werden allerdings wasserunlösliche Monomere eingesetzt, so wird die Polymerisation bevorzugt in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt. In diesem Fall empfiehlt es sich, Initiator-Systeme einzusetzen, die in organischen Lösungsmitteln löslich sind wie beispielsweise AiBN oder DBPO.The graft polymerization is preferably carried out with H 2 O 2 together with Fe (II) sulfate and Rongalit or with alkali persulfate and alkali metal sulfite. However, if water-insoluble monomers are used, the polymerization is preferably carried out in an organic solvent. In this case, it is advisable to use initiator systems that are soluble in organic solvents such as AiBN or DBPO.
Weiterhin können typische Reaktionen an aromatischen Kernen, wie elektrophile Substitutionen, als chemische Modifikation im Schritt (c) erfolgen. Aromatische Kerne, insbesondere phenolische Ringe, in den hochmolekularenFurthermore, typical reactions on aromatic nuclei, such as electrophilic substitutions, can be carried out as a chemical modification in step (c). Aromatic nuclei, especially phenolic rings, in the high molecular weight
Ligninabbauprodukten können beispielsweise mit Oleum oder Schwefelsäure
sulfoniert werden oder mit Formaldehyd und Sulfit sulfomethyliert werden. Als typisches Beispiel hierfür können folgende chemische modifizierte Gruppen erzielt werden:Lignin degradation products can be used, for example, with oleum or sulfuric acid be sulfonated or sulfomethylated with formaldehyde and sulfite. As a typical example, the following chemical modified groups can be obtained:
Dem Fachmann ist klar, dass im Rahmen der Erfindung auch mehrere Reaktionsschritte zur Modifizierung hintereinander oder auch gleichzeitig durchgeführt werden können. So kann ein hochmolekulares Ligninabbau- produkt beispielsweise in einem ersten Schritt alkoxyliert werden und in einem zweiten Schritt die entstandenen und die noch vorhandenen Alkoholgruppen verestert werden. Oder es werden in einem ersten Schritt Aminogruppen eingeführt, die in einem zweiten Schritt mit Epoxiden umgesetzt werden. Oder es wird in einem ersten Schritt am Aromaten sulfoniert und in einem zweiten Schritt die Alkoholgruppen mit Alkylenoxid umgesetzt. Auch können mehr als eine Funktionsgruppe gleichzeitig umgesetzt werden, z.B. kann die Alkoxylierung gleichzeitig an der aromatischen wie an der aliphatischen Alkoholgruppe erfolgen.It is clear to the person skilled in the art that within the scope of the invention it is also possible to carry out a plurality of reaction steps for the modification in succession or else simultaneously. Thus, for example, a high-molecular-weight lignin degradation product can be alkoxylated in a first step and, in a second step, the resulting and the remaining alcohol groups can be esterified. Or, in a first step, amino groups are introduced, which are reacted with epoxides in a second step. Or it is sulfonated in a first step on the aromatic and in a second step, the alcohol groups reacted with alkylene oxide. Also, more than one functional group can be implemented simultaneously, e.g. the alkoxylation can be carried out simultaneously on the aromatic and on the aliphatic alcohol group.
Der Abbau des Ausgangsmaterials ist vorteilhaft von sehr markantemThe degradation of the starting material is advantageous from very distinctive
Ausmass. Dadurch wird das Molekulargewicht stark abgesenkt. Unter „Molekulargewicht" wird in dem vorliegenden Dokument stets das massengemittelte Molekulargewicht Mw verstanden, welches über SEC (SizeExtent. This greatly reduces the molecular weight. By "molecular weight" in the present document is always understood the weight average molecular weight M w , which via SEC (Size
Exclusion Chromatography) bestimmt.Exclusion Chromatography).
Die SEC Analyse wurde auf einem HPLC System (Alliance 2695,The SEC analysis was performed on an HPLC system (Alliance 2695,
Waters) ausgerüstet mit einer Säulenkaskade der Firma Polymer Standards Service GmbH (MCX 10μm 1000Ä, MCX 10μm 100000Ä + Vorsäule) und einem UV-Detektor (320nm) durchgeführt. Als Laufmittel und Lösungsmittel für
Lignin und die Ligninabbauprodukte wurde 0.01 molare wässrige Natronlauge verwendet. Die Kalibration erfolgte mittels 9 engen Polymerstandards aus sulfoniertem Polystyrol im Molgewichtsbereich 1O20O00 Da bis 3'420 Da. Das massengemittelte Molekulargewicht wurde also relativ zu sulfoniertem Polystyrol bestimmt.Waters) equipped with a column cascade from the company Polymer Standards Service GmbH (MCX 10μm 1000Ä, MCX 10μm 100000Ä + precolumn) and a UV detector (320nm) carried out. As eluent and solvent for Lignin and the lignin degradation products were used 0.01 molar aqueous sodium hydroxide solution. The calibration was carried out by means of 9 narrow polymer standards of sulfonated polystyrene in the molecular weight range 1O20O00 Da to 3'420 Da. The weight average molecular weight was thus determined relative to sulfonated polystyrene.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das massengemittelte Molekulargewicht Mw der hochmolekularen Ligninabbauprodukte nach Schritt (a) weniger als 80% des Molekulargewichts des in Schritt (a) eingesetzten Ausgangmaterials, vorzugsweise weniger als 60%. Somit führt der Abbau, welcher in Schritt (a) erfolgt, vorteilhaft zu einer sehr markanten Verminderung des Molekulargewichtes und damit zu einem starken Abbau des Lignins.In a preferred embodiment, the weight average molecular weight M w of the high molecular lignin degradation products after step (a) is less than 80% of the molecular weight of the starting material used in step (a), preferably less than 60%. Thus, the degradation which takes place in step (a) advantageously leads to a very marked reduction in the molecular weight and thus to a strong degradation of the lignin.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Weiteren die Verwendung eines durch ein erfindungsgemässes Verfahren hergestellten chemisch modifizierten Ligninabbauprodukts als Dispergiermittel. Alternativ können die chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte auch als Komplexbildner für mehrwertige Metallkationen, als Phenol-Komponente in Bindemitteln oder Harzen, oder als Flockungsmittel, Verdicker, Komponente oder Hilfsmittel für Beschichtungen, Anstriche, Klebstoffe oder Harzen verwendet werden.The present invention further relates to the use of a chemically modified lignin degradation product prepared by a process according to the invention as a dispersant. Alternatively, the chemically modified lignin degradation products may also be used as complexing agents for polyvalent metal cations, as a phenolic component in binders or resins, or as flocculants, thickeners, component or auxiliaries for coatings, paints, adhesives or resins.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Weiteren eine Zusammensetzung enthaltend mindestens ein durch ein erfindungsgemässes Verfahren hergestelltes chemisch modifiziertes Ligninabbauprodukt und mindestens ein hydraulisches Bindemittel.The present invention further relates to a composition comprising at least one chemically modified lignin degradation product prepared by a process according to the invention and at least one hydraulic binder.
Als „hydraulisches Bindemittel" werden im vorliegenden Dokument grundsätzlich alle dem Beton-Fachmann bekannten hydraulisch abbindenden Substanzen verstanden. Insbesondere handelt es sich bei den hydraulischen Bindemittel um Zemente, wie beispielsweise Portlandzemente oder Tonerdeschmelzzemente und respektive deren Mischungen mit Flugaschen, Silica fume, Schlacken, Hüttensande und Kalksteinfiller. Weiterhin werden jedoch als hydraulische Bindemittel auch die hydraulisch abbindenden Substanzen Gips, in Form von Anhydrit oder Halbhydrat, oder gebrannter Kalk verstanden. Als hydraulisch abbindendes Bindemittel wird Zement bevorzugt.
Die Zusammensetzung kann neben hydraulischem Bindemittel und chemisch modifiziertem Ligninabbauprodukt weitere Bestandteile aufweisen. Derartig weitere Bestandteile sind Zuschlagstoffe wie Sand, Kies, Steine, Quarzmehl, Kreiden, Kalksteinfiller sowie als Additive übliche Bestandteile wie Betonverfüssiger, beispielsweise Lignosulfonate, sulfonierte Naphthalin- Formaldehyd Kondensate, sulfonierte Melamin-Formaldehyd-Kondensate oder Polycarboxylatether, Beschleuniger, Korrosionsinhibitoren, Verzögerer, Schwindreduzierer, Entschäumer oder Porenbildner.As a "hydraulic binder", this document basically refers to all hydraulically setting substances known to the skilled worker, in particular the hydraulic binders are cements, such as Portland cements or high-alumina cements and their mixtures with fly ash, silica fume, slags, slag sands However, hydraulic binders are also understood as meaning the hydraulically setting substances gypsum, in the form of anhydrite or hemihydrate, or calcined lime. Cement is preferred as the hydraulically setting binder. The composition may have other ingredients in addition to hydraulic binder and chemically modified Ligninabbauprodukt. Such other ingredients include additives such as sand, gravel, stones, quartz, chalk, Kalksteinfiller and customary additives such as Betonverfüssiger, such as lignosulfonates, sulfonated naphthalene-formaldehyde condensates, sulfonated melamine-formaldehyde condensates or polycarboxylate, accelerators, corrosion inhibitors, retarders, Schwindreduzierer Defoamer or pore-forming agent.
Derartige Zusammensetzungen härten, infolge der Reaktion des hydraulischen Bindemittels mit Wasser, unter dem Einfluss von Wasser aus. Insbesondere können derartige Zusammensetzungen als Mörtel- oder Beton- Zusammensetzungen verwendet werden.Such compositions cure as a result of the reaction of the hydraulic binder with water under the influence of water. In particular, such compositions may be used as mortar or concrete compositions.
Es zeigte sich, dass die chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte sich bestes als Dispergiermittel, insbesondere als Dispergiermittel für hydraulische Bindemittel, besonders für Zement und Gips, eignen.It was found that the chemically modified lignin degradation products are best suited as dispersants, in particular as dispersants for hydraulic binders, in particular for cement and gypsum.
Die chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte haben zudem eine verflüssigende Wirkung auf hydraulische Bindemittel, bzw. auf Zusammensetzungen, welche hydraulische Bindemittel enthalten. Das heisst, unter Verwendung eines vorgängig beschriebenen chemisch modifizierten Ligninabbauproduktes weist ein hydraulisches Bindemittel, bzw. eine ein hydraulisches Bindemittel aufweisende Zusammensetzung, eine flüssigere Konsistenz, bzw. vergrössertes Fliessverhalten auf, als das entsprechende hydraulische Bindemittel, bzw. die das hydraulische Bindemittel aufweisende Zusammensetzung, ohne chemisch modifizierte Ligninabbauprodukte bei gleichem Wasseranteil. Anderes formuliert, reduzieren die chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte den Wasserbedarf eines hydraulischen Bindemittels, bzw. einer das hydraulische Bindemittel aufweisenden Zusammensetzung, um ein bestimmtes Fliessverhalten zu erreichen. Das Fliessen, bzw. das Fliessverhalten, wird typischerweise durch das sogenannte Ausbreitmass, nach EN 1015-3 gemessen, bestimmt.The chemically modified Ligninabbauprodukte also have a liquefying effect on hydraulic binders, or on compositions containing hydraulic binders. This means that, using a chemically modified lignin degradation product described above, a hydraulic binder or a composition comprising a hydraulic binder has a more fluid consistency or increased flow behavior than the corresponding hydraulic binder or the composition comprising the hydraulic binder, without chemically modified lignin degradation products with the same amount of water. In other words, the chemically modified lignin degradation products reduce the water requirement of a hydraulic binder, or a composition comprising the hydraulic binder, in order to achieve a specific flow behavior. The flow, or the flow behavior, is typically determined by the so-called slump size, measured according to EN 1015-3.
Es hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, dass die im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte
insbesondere eine höhere Verflüssigungswirkung für hydraulische Bindemittel aufweisen, verglichen sowohl mit den entsprechenden chemisch modifizierten Ligninabbauprodukten, bei denen vor der chemischen Modifikation die niedermolekularen Ligninabbauprodukte nicht abgetrennt worden sind, als auch mit den entsprechenden chemisch modifizierten Ligninen, welche vor der chemischen Modifikation keinem Ligninabbau unterworfen wurden. Die höhere Verflüssigungswirkung der im Rahmen der Erfindung offenbarten chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte in hydraulischen Bindemitteln wirkt sich in verbesserten Verarbeitungseigenschaften, bzw. in einem geringeren Wasserbedarf für die Erreichung einer bestimmten Verarbeitungskonsistenz aus, was sich erfahrungsgemäss in höheren mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten hydraulischen Systems zeigt. Andererseits kann aufgrund der verbesserten Verflüssigungswirkung bereits mit einem stark verringerten Zusatz von chemisch modifizierten Ligninabbauprodukten im Vergleich zu den entsprechenden bekannten nicht abgebauten Ligninen dieselbe Verarbeitungskonsistenz erreicht werden, was trotz der durch Abbau, Abtrennung und chemischen Modifikation leicht verteuerten Rohstoffkosten trotzdem zu hohen Einsparungen in der Endanwendung führen kann.It has been found to be particularly advantageous that the chemically modified Ligninabbauprodukte described in the context of this invention in particular have a higher liquefaction effect for hydraulic binders, compared both with the corresponding chemically modified Ligninabbauprodukten where the low molecular weight Ligninabbauprodukte have not been separated before the chemical modification, as well as with the corresponding chemically modified lignins, which were not subjected to lignin degradation before the chemical modification , The higher liquefaction effect of the chemically modified Ligninabbauprodukte disclosed in the invention in hydraulic binders affects in improved processing properties, or in a lower water demand for the achievement of a specific processing consistency, which shows experience shows higher mechanical properties of the cured hydraulic system. On the other hand, the same processing consistency can be achieved even with a greatly reduced addition of chemically modified Ligninabbaudrodukten compared to the corresponding known undegraded lignins, despite the cost of degradation, separation and chemical modification slightly more expensive raw material costs nevertheless high savings in the end use can lead.
Es wurde weiterhin gefunden, dass die beim Ligninabbau gebildeten niedermolekularen Ligninabbauprodukte einfach und sehr effizient abgetrennt werden können, was für deren Gewinnung und anderweitigen Nutzung äusserst vorteilhaft und kommerziell hoch interessant ist.It has also been found that the low molecular weight lignin degradation products formed during lignin degradation can be separated easily and very efficiently, which is extremely advantageous and commercially highly attractive for their recovery and other uses.
Das in diesem Dokument vorgestellte Verfahren verfügt somit über ein beträchtliches Potenzial aus Lignin, einem in der Natur in grossen Mengen vor- handenen und ebenfalls als Abfallprodukt anfallenden Rohstoff, eine hoheThe process presented in this document thus has a considerable potential in lignin, a natural raw material which is also present in large quantities and is also a waste product
Wertschöpfung zu erzielen und dabei wenig oder gar keine Abfallprodukte zu erzeugen.
BeispieleTo create value and thereby produce little or no waste products. Examples
Die im Folgenden genannten Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung und sind keineswegs als die Erfindung beschränkend aufzufassen.The following examples serve to illustrate the invention and are by no means to be construed as limiting the invention.
Für die Beispiele wurden die folgenden Lignine verwendet:For the examples, the following lignins were used:
• Lignin 1: Indulin® AT, ein unmodifiziertes Kraftlignin der Firma MeadWestvaco (USA), erhältlich beispielsweise bei Staerkle&Nagler AG, Zollikon, Schweiz • Lignin 2: schwach sulfoniertes Fichten-Kraftlignin geliefert von der Firma Sigma Aldrich, Schweiz• Lignin 1: Indulin® AT, an unmodified Kraft lignin from MeadWestvaco (USA), available for example from Staerkle & Nagler AG, Zollikon, Switzerland • Lignin 2: weakly sulphonated spruce kraft lignin supplied by Sigma Aldrich, Switzerland
Liqninabbau mittels Schwefelsäure / AbtrennungLiqninabbau using sulfuric acid / separation
• Beispiel 1 : Lignin 1 / Abtrennung via Extraktion Ein Gemisch aus 80 ml Methanol und 20 ml Wasser wurde alsExample 1: Lignin 1 / Extraction via extraction. A mixture of 80 ml of methanol and 20 ml of water was added as
Reaktionslösung hergestellt. Der pH-Wert der Lösung wurde durch Zugabe weniger Tropfen konzentrierter Schwefelsäure unter gleichzeitiger Messung mit einem Polilyte HT120 Sensor (Hamilton Bonaduz AG, CH-Bonaduz) auf pH 1.10 eingestellt. Die Lösung wurde anschliessend in einen 400 ml-Autoklaven (Premex Reactor AG, CH-Lengnau) transferiert, der mit einem Begasungsrührer ausgestattet ist. Vor dem Schliessen des Reaktors wurde 1 g Lignin 1 hinzugegeben. Das Gemisch wurde dann drei Mal mit 11 bar Sauerstoff beaufschlagt und dieser daraufhin wieder abgelassen, um die anfänglich vorhandene Luft im Reaktor zu verdrängen. Schliesslich wurde der Reaktor mit 11 bar Sauerstoff befüllt und das Gemisch bei einer Rührerdrehzahl von 1000 U/min mit einer Rate von 8 K/min auf 1700C aufgeheizt. Die Mischung wurde für 20 Minuten auf 1700C gehalten und anschliessend innerhalb von 60 min auf unter 300C abgekühlt. Daraufhin wurde der Reaktor entspannt, geöffnet und das flüssige Reaktionsgemisch (inklusive des anfallenden Feststoffs) entnommen. Um das abgebaute Lignin möglichst vollständig aus dem Reaktor zu gewinnen, wurde das Reaktorinnere von Feststoffablagerungen befreit, der Reaktor mit etwas Wasser gespült und
das Waschwasser dem Reaktionsgemisch hinzugefügt. Dieses Reaktionsgemisch wird im Folgenden als RG1 bezeichnet.Reaction solution prepared. The pH of the solution was adjusted to pH 1.10 by addition of a few drops of concentrated sulfuric acid with simultaneous measurement with a Polilyte HT120 sensor (Hamilton Bonaduz AG, CH-Bonaduz). The solution was then transferred to a 400 ml autoclave (Premex Reactor AG, CH-Lengnau) equipped with a gassing stirrer. Before closing the reactor, 1 g of lignin 1 was added. The mixture was then charged three times with 11 bar of oxygen and then vented again to displace the initial air in the reactor. Finally, the reactor 11 was filled bar oxygen, and the mixture was heated at a stirrer speed of 1000 rev / min at a rate of 8 K / min to 170 0 C. The mixture was kept at 170 ° C. for 20 minutes and then cooled to below 30 ° C. within 60 minutes. Thereafter, the reactor was depressurized, opened and the liquid reaction mixture (including the resulting solid) removed. In order to recover the degraded lignin as completely as possible from the reactor, the interior of the reactor was freed from solid deposits, the reactor was rinsed with a little water and the wash water added to the reaction mixture. This reaction mixture is referred to below as RG1.
Nach dem Abfiltrieren des Feststoffes S1 wurde das Filtrat dreimal mit je 30 ml Chloroform im Scheidetrichter extrahiert und das Extrakt abgetrennt. Die vereinigten Chloroformextrakte werden als Ex-CI und die wässrige Phase als Ex-WI bezeichnet. Ex-WI enthielt praktisch kein Lignin-Abbauprodukte.After filtering off the solid S1, the filtrate was extracted three times with 30 ml of chloroform in a separating funnel and the extract was separated. The combined chloroform extracts are referred to as Ex-CI and the aqueous phase as Ex-WI. Ex-WI contained virtually no lignin degradation products.
Der Feststoff S1 wurde am Rotationsverdampfer vorgetrocknet und schliesslich gefriergetrocknet und als abgetrenntes hochmolekulares Ligninabbauprodukt AHLA1 bezeichnet.The solid S1 was predried on a rotary evaporator and finally freeze-dried and designated as a separated high-molecular lignin degradation product AHLA1.
• Beispiel 2: Lignin 21 Abtrennung via Extraktion• Example 2: Lignin 21 separation via extraction
Beispiel 2 wurde in zu Beispiel 1 analoger Art und Weise durchgeführt, ausser dass anstelle des Lignin 1 das Lignin 2 verwendet wurde. Das entsprechende Reaktionsgemisch wird im Folgenden entsprechend als RG2, der Feststoff als S2, das Chloroformextrakt als Ex-C2 und die wässrige Phase als Ex-W2 bezeichnet. Da die wässrige Phase Ex-W2 noch Ligninabbauprodukte enthielt, wurde in Beispiel 2 der Feststoff S2 mit wässrigen Phase Ex-W2 vereinigt, gemischt, am Rotationsverdampfer vorgetrocknet und schliesslich gefriergetrocknet und das abgetrennte hochmolekulare Ligninabbauprodukt als AHLA2 bezeichnet.Example 2 was carried out in an analogous manner to Example 1, except that instead of the lignin 1 lignin 2 was used. The corresponding reaction mixture is hereinafter referred to as RG2, the solid as S2, the chloroform extract as Ex-C2 and the aqueous phase as Ex-W2. Since the aqueous phase Ex-W2 still contained lignin degradation products, in Example 2 the solid S2 was combined with aqueous phase Ex-W2, mixed, pre-dried on a rotary evaporator and finally freeze-dried and the separated high-molecular lignin degradation product designated AHLA2.
• Beispiel 3: Lignin 2 (grosserer Autoklav) / Abtrennung via UltrafiltrationExample 3: Lignin 2 (larger autoclave) / separation via ultrafiltration
Beispiel 3 wurde in analoger Art und Weise zu Beispiel 1 durchgeführt, ausser dass anstelle des Lignin 1 das Lignin 2 verwendet wurde und eine grossere Menge an Lignin eingesetzt wurde. Das entsprechende Reaktionsgemisch wird im Folgenden entsprechend als RG3 bezeichnet. Dieses Reaktionsgemisch wurde mit NaOH auf pH 10.7 eingestellt und am Rotationsverdampfer eingeengt und anschliessend gefriergetrocknet. Von den erhaltenen 7.5 g Feststoff wurden mittels Ultrafiltration mit einer 1000 Dalton Membran der Grossteil der niedermolekularen Abbauprodukte sowie der Salze abgetrennt. Bei der Ultrafiltration wird die Lösung jeweils in einer gerührten
Ultrafiltrationszelle (300 ml Volumen) bei einem Druck von ca. 4 bar über eine Membrane mit einer angegebenen Ausschlussgrenze (z. B. hier 1000 Dalton) aufgetrennt. Die die Membran passierte Phase wird als Filtrat bezeichnet, die zurückbleibende Phase wird als Rückstand bezeichnet. Das hier erhaltene Filtrat wurde als Filtrat F3 bezeichnet. Der Rückstand wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und gefriergetrocknet. Es wurden 1.3 g eines Pulvers mit einem organischen Kohlenstoffgehalt von 48.0% (ermittelt mittels TOC-Messung) erhalten. Dieser Rückstand stellt das abgetrennte hochmolekulare Ligninabbauprodukt dar und wird als AHLA3 bezeichnet. Die in diesem Dokument angegebenen TOC (Total Organic Carbon)-Example 3 was carried out in an analogous manner to Example 1, except that instead of the lignin 1 lignin 2 was used and a larger amount of lignin was used. The corresponding reaction mixture is hereinafter referred to as RG3. This reaction mixture was adjusted to pH 10.7 with NaOH and concentrated on a rotary evaporator and then freeze-dried. Of the 7.5 g of solid obtained, the majority of the low molecular weight decomposition products and the salts were separated by ultrafiltration with a 1000 Dalton membrane. In ultrafiltration, the solution is stirred in each case The ultrafiltration cell (300 ml volume) was separated at a pressure of about 4 bar via a membrane with a specified exclusion limit (for example 1000 daltons here). The phase passed through the membrane is referred to as filtrate, the remaining phase is referred to as residue. The filtrate obtained here was designated as filtrate F3. The residue was concentrated on a rotary evaporator and freeze-dried. 1.3 g of a powder having an organic carbon content of 48.0% (determined by TOC measurement) were obtained. This residue is the separated high molecular weight lignin degradation product and is referred to as AHLA3. The total organic carbon (TOC) indicated in this document
Werte wurden jeweils durch Messungen mit einem Sievers 5310C, Laboratory TOC Analyzer der Firma lonics Instruments in bekannter Art und Weise ermittelt.Values were determined in each case by measurements with a Sievers 5310C, Laboratory TOC Analyzer from Ionics Instruments in a known manner.
Ligninabbau mittels POM: H^PMo^OW Abtrennung • Beispiel 4: Lignin 21 Abtrennung via ExtraktionLignin degradation by POM: H ^ PMo ^ OW separation • Example 4: Lignin 21 separation via extraction
Es wurden 9.128g H3PM012O40 (Phosphormolybdänsäure, Nr. 31426, Sigma-Aldrich, CH-Buchs) in einem Gemisch aus 80ml Methanol und 20ml Wasser gelöst, was formal einer 0.05-molaren Lösung entspricht. Der pH-Wert der Lösung wurde daraufhin mit einem Polylite HT120 Sensor (Hamilton Bonaduz AG, CH-Bonaduz) zu 1.13 bestimmt. Die Lösung wurde anschliessend in einen 400 ml-Autoklaven (Premex Reactor AG, CH-Lengnau) transferiert, der mit einem Begasungsrührer ausgestattet ist. Vor dem Schliessen des Reaktors wurde 1 g Lignin 2 hinzugegeben. Das Gemisch wurde dann drei Mal mit 11 bar Sauerstoff beaufschlagt und dieser daraufhin wieder abgelassen, um die anfänglich vorhandene Luft im Reaktor zu verdrängen. Schliesslich wurde der Reaktor mit 11 bar Sauerstoff befüllt und das Gemisch bei einer Rührerdrehzahl von 1000 U/min mit einer Rate von 8 K/min auf 1700C aufgeheizt. Die Mischung wurde für 20 Minuten auf 1700C gehalten und anschliessend innerhalb von 60 min auf unter 30°C abgekühlt. Daraufhin wurde der Reaktor entspannt, geöffnet und das flüssige Reaktionsgemisch (inklusive geringer Mengen an Feststoff) entnommen. Um
das abgebaute Lignin möglichst vollständig aus dem Reaktor zu gewinnen, wurde das Reaktorinnere von Feststoffablagerungen befreit, der Reaktor mit etwas Wasser gespült und das Waschwasser dem Reaktionsgemisch hinzugefügt. Dieses Reaktionsgemisch wird im Folgenden als RG4 bezeichnet. Nach dem Abfiltrieren des Feststoffes S4 wurde das Filtrat dreimal mit je 30 ml Chloroform im Scheidetrichter extrahiert und das Extrakt abgetrennt. Die vereinigten Chloroformextrakte werden als Ex-C4 und die wässrige Phase als Ex-W4 bezeichnet. Feststoff S4 und das wässrige Extrakt Ex-W4 wurden vereinigt, gemischt, der pH mit NaOH auf ca. 10 eingestellt und am Rotationsverdampfer vorgetrocknet und schliesslich gefriergetrocknet und als abgetrenntes hochmolekulares Ligninabbauprodukt AHLA4 bezeichnet.9.128 g of H3PM012O40 (phosphomolybdic acid, No. 31426, Sigma-Aldrich, CH Buchs) were dissolved in a mixture of 80 ml of methanol and 20 ml of water, which corresponds formally to a 0.05 molar solution. The pH of the solution was then determined to be 1.13 with a Polylite HT120 sensor (Hamilton Bonaduz AG, CH-Bonaduz). The solution was then transferred to a 400 ml autoclave (Premex Reactor AG, CH-Lengnau) equipped with a gassing stirrer. Before closing the reactor, 1 g of lignin 2 was added. The mixture was then charged three times with 11 bar of oxygen and then vented again to displace the initial air in the reactor. Finally, the reactor 11 was filled bar oxygen, and the mixture was heated at a stirrer speed of 1000 rev / min at a rate of 8 K / min to 170 0 C. The mixture was kept for 20 minutes at 170 0 C and then cooled within 60 min to below 30 ° C. Thereafter, the reactor was depressurized, opened and the liquid reaction mixture (including small amounts of solid) removed. Around To remove the degraded lignin as completely as possible from the reactor, the interior of the reactor was freed from solid deposits, the reactor rinsed with a little water and the wash water added to the reaction mixture. This reaction mixture is referred to below as RG4. After filtering off the solid S4, the filtrate was extracted three times with 30 ml of chloroform in a separating funnel and the extract was separated. The combined chloroform extracts are designated Ex-C4 and the aqueous phase Ex-W4. Solid S4 and the aqueous extract Ex-W4 were combined, mixed, the pH adjusted to about 10 with NaOH and predried on a rotary evaporator and finally freeze-dried and referred to as a separated high molecular lignin degradation product AHLA4.
Es wurden jeweils mehrere entsprechende Umsetzungen durchgeführt, um genügend Material der Beispiele 1 bis 4 für die chemischen Umsetzungen und Tests zur Verfügung zu stellen.In each case several corresponding reactions were carried out to provide enough material of Examples 1 to 4 for the chemical reactions and tests available.
Chemische UmsetzungChemical conversion
• Sulfatierung des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA1: B1 1.0 g des abgetrennten hochmolekularen LigninabbauproduktesSulfation of the separated high-molecular lignin degradation product AHLA1: B1 1.0 g of the separated high molecular lignin degradation product
AHLAI wurde in 10 ml trockenem DMSO fast vollständig gelöst und 0.22 g Sulfaminsäure zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde 17 Stunden bei 800C gerührt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung auf 300 ml Ethanol in denen 1.3 g NaOH gelöst waren gegossen. Der entstandene Niederschlag wurde abfiltriert und mit Ethanol nachgewaschen. Der nach 2 Tagen im Kühlschrank aus dem Filtrat weiter ausgefallene Niederschlag wurde ebenfalls abfiltriert und mit dem ersten vereinigt und getrocknet. Der Feststoff wurde in Wasser gelöst, der pH mittels NaOH auf ca. 12 gestellt und die Lösung über eine 1000 Dalton Membrane ultrafiltriert um den Grossteil der anorganischen Salze zu entfernen. Der Rückstand wurde gefriergetrocknet wobei 0.7 g eines braunen Pulvers,
welches als B1 bezeichnet wurde, erhalten wurden. Die TOC-Messung des getrockneten Rückstands ergab 50.2% organischen Kohlenstoff.AHLAI was almost completely dissolved in 10 ml of dry DMSO and 0.22 g of sulfamic acid added. The reaction mixture was stirred at 80 ° C. for 17 hours. After cooling to room temperature, the reaction mixture was poured onto 300 ml of ethanol in which 1.3 g of NaOH had been dissolved. The resulting precipitate was filtered off and washed with ethanol. The after 2 days in the refrigerator from the filtrate further precipitated precipitate was also filtered off and combined with the first and dried. The solid was dissolved in water, the pH was adjusted to about 12 using NaOH, and the solution was ultrafiltered through a 1000 Dalton membrane to remove most of the inorganic salts. The residue was freeze-dried giving 0.7 g of a brown powder, which was designated B1. The TOC measurement of the dried residue gave 50.2% organic carbon.
• Sulfatierung des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA2: B2Sulfation of the separated high-molecular lignin degradation product AHLA2: B2
1.52 g des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA2 wurden in 20 ml trockenem DMSO gelöst und mit 0.22 g Sulfaminsäure versetzt. Die Lösung wurde langsam auf 800C erwärmt und bei dieser Temperatur 3 Stunden gerührt. Nach dem Abkühlen wurde das Produkt durch Eingiessen der Reaktionslösung in 300 ml Ethanol, in denen 1.0 g NaOH gelöst war, ausgefällt, abfiltriert, mit Ethanol nachgewaschen und getrocknet. Es wurden 1.9 g dunkelbrauner Feststoff isoliert. Dieser Feststoff wurde in Wasser bei pH 8.5 gelöst. Ein Teil der enthaltenen Salze wurde durch Ultrafiltration mittels einer 100 Dalton Membrane abgetrennt. Der Rückstand wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und gefriergetrocknet. 0.97 g eines braunen Pulvers, welches als B2 bezeichnet wurde, wurden erhalten. Die TOC-Messung des trockenen Rückstands ergab 10.0% organischen Kohlenstoff.1.52 g of the separated high-molecular lignin degradation product AHLA2 were dissolved in 20 ml of dry DMSO and treated with 0.22 g of sulfamic acid. The solution was slowly heated to 80 0 C and stirred at this temperature for 3 hours. After cooling, the product was precipitated by pouring the reaction solution into 300 ml of ethanol in which 1.0 g of NaOH was dissolved, filtered off, washed with ethanol and dried. 1.9 g of dark brown solid were isolated. This solid was dissolved in water at pH 8.5. Some of the salts contained were separated by ultrafiltration using a 100 dalton membrane. The residue was concentrated on a rotary evaporator and freeze-dried. 0.97 g of a brown powder, designated B2, was obtained. The TOC measurement of the dry residue showed 10.0% organic carbon.
VergleichsversucheComparative tests
Für Vergleichszwecke wurden die folgenden Vergleichsreaktionen Ref.1 , Ref.2 , Ref.RGI und Ref.RG2 durchgeführt:For comparison purposes, the following reference reactions Ref.1, Ref.2, Ref.RGI and Ref.RG2 were carried out:
• Sulfatierung von Lipnin 1: Ref.1 5 g Lignin 1 wurden in 30 ml trockenem DMSO gelöst, 1.1 gSulfation of Lipnin 1: Ref.1 5 g of lignin 1 were dissolved in 30 ml of dry DMSO, 1.1 g
Sulfaminsäure zugegeben und die Lösung 3 Stunden bei 800C gerührt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde auf 300 ml Ethanol in denen 1.0 g NaOH gelöst war gegossen. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und mit Ethanol gut nachgewaschen. Nach dem Trocknen wurde der Feststoff in Wasser gelöst und die Lösung mit einer 1000 Dalton Membran ultrafiltriert um den Grossteil der anorganischen Salze zu entfernen. Der Rückstand wurde
gefriergetrocknet und als Ref.1 bezeichnet. Die TOC-Messung des getrockneten Rückstands ergab 53.7% organischen Kohlenstoff.Sulfamic acid added and the solution stirred at 80 0 C for 3 hours. After cooling to room temperature, it was poured onto 300 ml of ethanol in which 1.0 g of NaOH had been dissolved. The precipitated solid was filtered off and washed well with ethanol. After drying, the solid was dissolved in water and the solution ultrafiltered with a 1000 Dalton membrane to remove most of the inorganic salts. The residue became freeze-dried and labeled Ref.1. The TOC measurement of the dried residue showed 53.7% organic carbon.
• Sulfatierunq von Lianin 2: Ref.2 5 g Lignin 2 wurden in 30 ml trockenem DMSO bei 35°C gelöst. 1.1 g• Sulfation of Lianin 2: Ref.2 5 g of lignin 2 were dissolved in 30 ml of dry DMSO at 35 ° C. 1.1 g
Sulfaminsäure wurden zugegeben und die Lösung 3 Stunden bei 800C gerührt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde auf 300 ml Ethanol in denen 1.0 g NaOH gelöst war gegossen und der entstandene Feststoff abfiltriert und mit Ethanol gut nachgewaschen. Nach dem Trocknen wurde der Feststoff in Wasser gelöst und mit einer 100 Dalton Membran ultrafiltriert um den Grossteil der anorganischen Salze zu entfernen. Der Rückstand wurde gefriergetrocknet und ergab 6.1 g braunes Pulver, welches als Ref.2 bezeichnet wurde. Die TOC-Messung des trockenen Rückstands ergab 53.4% organischen Kohlenstoff.Sulfamic acid was added and the solution stirred at 80 0 C for 3 hours. After cooling to room temperature was poured onto 300 ml of ethanol in which 1.0 g of NaOH was dissolved and the resulting solid was filtered off and washed well with ethanol. After drying, the solid was dissolved in water and ultrafiltered with a 100 dalton membrane to remove most of the inorganic salts. The residue was freeze-dried to give 6.1 g of brown powder, designated Ref.2. The TOC measurement of the dry residue showed 53.4% organic carbon.
• Sulfatierunq von unqetrenntem Reaktionsqemisch RG1 : Ref.RGI• Sulfation of an unreacted reaction mixture RG1: Ref.RGI
Das Reaktionsgemisch RG1 wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und gefriergetrocknet. Die 3.68 g Feststoff enthalten 2.0 g abgebautes Lignin. Dieser wurden in 40 ml trockenem DMSO gelöst. Nach der Zugabe von 0.44 g Sulfaminsäure wurde die Reaktionsmischung 3 Stunden bei 800C gerührt. Nach dem Abkühlen wurde auf 600 ml Ethanol in denen 2.0 g NaOH gelöst waren gegossen und der entstandene Niederschlag abfiltriert und mit Ethanol nachgewaschen. Der Niederschlag, der aus dem Filtrat nach 2 Tagen Stehen im Kühlschrank ausfiel, wurde ebenfalls abfiltriert und mit dem ersten vereinigt. Der Feststoff wurde in etwas Wasser gelöst, gefriergetrocknet und ergab 3.9 g Pulver, welcher als Ref.RGI bezeichnet wurde. Die TOC-Messung ergab 20.4% organischen Kohlenstoff.The reaction mixture RG1 was concentrated on a rotary evaporator and freeze-dried. The 3.68 g solids contain 2.0 g of degraded lignin. This was dissolved in 40 ml of dry DMSO. After the addition of 0.44 g of sulfamic acid, the reaction mixture for 3 hours at 80 0 C was stirred. After cooling, it was poured onto 600 ml of ethanol in which 2.0 g of NaOH were dissolved and the resulting precipitate was filtered off and washed with ethanol. The precipitate which precipitated from the filtrate after standing for 2 days in the refrigerator was also filtered off and combined with the first. The solid was dissolved in a little water, freeze-dried to give 3.9 g of powder, designated Ref.RGI. The TOC measurement gave 20.4% organic carbon.
• Sulfatierunq von unqetrenntem Reaktionsqemisch RG2 : Ref.RG2 Das Reaktionsgemisch RG2 wurde am Rotationsverdampfer getrocknet. Der Rückstand (2 g, entspricht 1 g Lignin-Abbauprodukte) wurde in 20 ml trockenem DMSO gelöst und mit 0.22 g Sulfaminsäure versetzt. Die Lösung wurde langsam auf 800C erwärmt und bei dieser Temperatur 3
Stunden gerührt. Nach dem Abkühlen wurde das Produkt durch Eingiessen der Reaktionslösung in 300 ml Ethanol, in denen 1.0 g NaOH gelöst war, ausgefällt und abfiltriert. Das Filtrat wurde 1 Woche im Kühlschrank gelagert und noch ausgefallener Feststoff ebenfalls filtriert und mit dem ersten vereinigt. Dieser Feststoff wurde in Wasser gelöst und der pH auf 8.5 eingestellt. Ein Teil der enthaltenen Salze wurde durch Ultrafiltration mittels einer 100 Dalton Membrane abgetrennt. Der Rückstand wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und gefriergetrocknet. 0.96 g eines braunen Pulvers wurden erhalten, welches als Ref.RG2 bezeichnet wurde. Die TOC-Messung des trockenen Rückstands ergab 32.4% organischen Kohlenstoff.• Sulfation of an unreacted reaction mixture RG2: Ref.RG2 The reaction mixture RG2 was dried on a rotary evaporator. The residue (2 g, equivalent to 1 g lignin degradation products) was dissolved in 20 ml of dry DMSO and treated with 0.22 g sulfamic acid. The solution was slowly heated to 80 0 C and at this temperature 3 Hours stirred. After cooling, the product was precipitated by pouring the reaction solution into 300 ml of ethanol in which 1.0 g of NaOH was dissolved, and filtered off. The filtrate was stored in the refrigerator for 1 week and any precipitated solid also filtered and combined with the first. This solid was dissolved in water and the pH adjusted to 8.5. Some of the salts contained were separated by ultrafiltration using a 100 dalton membrane. The residue was concentrated on a rotary evaporator and freeze-dried. 0.96 g of a brown powder was obtained which was designated Ref.RG2. The TOC measurement of the dry residue gave 32.4% organic carbon.
• Mannich-Reaktionsprodukt des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA3: B3Mannich reaction product of the separated high-molecular lignin degradation product AHLA3: B3
1.3 g des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA3 (entsprechend 1.2 g abgebautem Lignin) wurden in 4 ml Wasser gelöst und 0.55 g Alanin zugegeben und ebenfalls gelöst. Nach der Zugabe von 0.51 ml einer 36%-igen Formaldehyd-Lösung wurde der pH durch Zugabe von1.3 g of the separated high-molecular lignin degradation product AHLA3 (corresponding to 1.2 g degraded lignin) were dissolved in 4 ml of water and added 0.55 g of alanine and also dissolved. After adding 0.51 ml of a 36% formaldehyde solution, the pH was adjusted by adding
NaOH auf ca. 9-10 eingestellt. Unter Stickstoff wurde 15 Stunden auf 85°C erwärmt und es wurde derart eine Mannichbase erhalten. Der Reaktionsumsatz von Alanin betrug 47% wie aus der Abnahme des Alanin-NaOH adjusted to approx. 9-10. Under nitrogen was heated to 85 ° C for 15 hours and it was obtained a Mannich base. The reaction conversion of alanine was 47% as determined by the decrease of alanine
Peaks im HPLC berechnet wurde.Peaks in HPLC was calculated.
• Mannich-Reaktionsprodukt des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA4. B4 23.4 g des abgetrennten hochmolekularen LigninabbauproduktesMannich reaction product of the separated high molecular lignin degradation product AHLA4. B4 23.4 g of the separated high-molecular lignin degradation product
AHLA4 mit einem Kohlenstoffgehalt von 1.8% wurden in 18.8 ml Wasser grossteils gelöst. Nach der Zugabe von 0.40 g DL-Alanin wurde der pH durch Zugabe von 100 mg NaOH auf 9-10 eingestellt. 0.35 ml einer 36%igen Formaldehyd-Lösung wurden zugegeben und nach Spülen mit Stickstoff wurde die Reaktionsmischung 16 Stunden bei 85°C gerührt und es wurde derart eine Mannichbase erhalten.
VerqleichsversucheAHLA4 with a carbon content of 1.8% was largely dissolved in 18.8 ml of water. After adding 0.40 g of DL-alanine, the pH was adjusted to 9-10 by adding 100 mg of NaOH. 0.35 ml of a 36% formaldehyde solution was added, and after purging with nitrogen, the reaction mixture was stirred at 85 ° C for 16 hours to obtain a Mannich base. Verqleichsversuche
Für Vergleichszwecke wurden die folgenden Vergleichsreaktionen Ref.3, Ref.4, Ref.RG3 und Ref.RG4 durchgeführt:For comparison purposes, the following reference reactions Ref.3, Ref.4, Ref.RG3 and Ref.RG4 were carried out:
• Mannich-Reaktionsprodukt von Lipnin 2: Ref.3.= Ref.4• Mannich reaction product of Lipnin 2: Ref.3. = Ref.4
10 g Lignin 2 wurden in 30 ml Wasser gelöst. 4.8 g DL-Alanin wurden zugegeben und ebenfalls gelöst. Durch Zugabe von NaOH wurde der pH auf 9- 10 eingestellt. 4.2 ml einer 36%igen Formaldehyd-Lösung wurden zugegeben und die Lösung unter Rühren 16 Stunden unter Stickstoff auf 85°C erwärmt und es wurde derart eine Mannichbase erhalten. Der Reaktionsumsatz von Alanin betrug 40% wie aus der Abnahme des Alanin-Peaks im HPLC berechnet wurde.10 g of lignin 2 were dissolved in 30 ml of water. 4.8 g of DL-alanine were added and also dissolved. By adding NaOH, the pH was adjusted to 9-10. 4.2 ml of a 36% formaldehyde solution were added, and the solution was heated to 85 ° C. under nitrogen for 16 hours under nitrogen to obtain a Mannich base. The reaction conversion of alanine was 40% as calculated from the decrease of the alanine peak in the HPLC.
• Mannich-Reaktionsprodukt von ungetrenntem Reaktionsgemisch RG3. Ref.RG3Mannich reaction product of unseparated reaction mixture RG3. Ref.RG3
Das Reaktionsgemisch RG3 wurde mit NaOH auf pH 10 eingestellt, am Rotationsverdampfer eingeengt und gefriergetrocknet. 5.9 g dieses Pulvers mit einem organischen Kohlenstoffgehalt von 28.7% (ermittelt mittels TOC- Messung) (entspricht 3.4 g abgebautem Lignin) wurden in 15 ml Wasser gelöst und 1.7 g DL-Alanin zugegeben und ebenfalls gelöst. Der pH der Lösung wurde durch Zugabe von NaOH auf pH auf 9-10 eingestellt. Nach der Zugabe von 1.5 ml einer 36%igen Formaldehyd-Lösung wurde unter Rühren 16 Stunden unter Stickstoff auf 85°C erwärmt und es wurde derart eine Mannichbase erhalten. Der Reaktionsumsatz von Alanin betrug 28%, wie aus der Abnahme des Alanin-Peaks im HPLC berechnet wurde.The reaction mixture RG3 was adjusted to pH 10 with NaOH, concentrated on a rotary evaporator and freeze-dried. 5.9 g of this powder with an organic carbon content of 28.7% (determined by TOC measurement) (corresponds to 3.4 g degraded lignin) were dissolved in 15 ml of water and 1.7 g of DL-alanine was added and also dissolved. The pH of the solution was adjusted to 9-10 by adding NaOH. After the addition of 1.5 ml of a 36% formaldehyde solution was heated with stirring for 16 hours under nitrogen to 85 ° C and it was obtained a Mannich base. The reaction conversion of alanine was 28%, as calculated from the decrease of the alanine peak in HPLC.
• Mannich-Reaktionsprodukt von ungetrenntem Reaktionsgemisch RG4. Ref.RG4Mannich reaction product of unseparated reaction mixture RG4. Ref.RG4
Das Reaktionsgemisch RG4 wurde mit NaOH auf pH 10-10.5 gebracht mit dem Rotationsverdampfer eingeengt und gefriergetrocknet. Es wurden 12.4 g eines Pulvers isoliert. Die TOC-Messung einen Gehalt an organischem Kohlenstoff von 3.6%. 12.3 g (entspricht ca. 0.9 g abgebautem
Lignin) wurden mit 11.9 ml Wasser versetzt und teilweise gelöst. 0.48 g DL- Alanin wurden zugegeben und der pH der Lösung durch Zugabe von 250 mg NaOH auf 9-10 eingestellt. 0.42 ml eine 36%igen Formaldehyd-Lösung wurden zugegeben und die Mischung 16 Stunden unter Stickstoff bei 85°C gerührt und es wurde derart eine Mannichbase erhalten.The reaction mixture RG4 was brought to pH 10-10.5 with NaOH, concentrated by rotary evaporation and freeze-dried. 12.4 g of a powder were isolated. The TOC measurement has an organic carbon content of 3.6%. 12.3 g (corresponds to approx. 0.9 g mined Lignin) were mixed with 11.9 ml of water and partially dissolved. 0.48 g of DL-alanine was added and the pH of the solution was adjusted to 9-10 by addition of 250 mg of NaOH. 0.42 ml of a 36% formaldehyde solution was added and the mixture was stirred under nitrogen at 85 ° C for 16 hours to obtain a Mannich base.
Charakterisierung Abbau mittels SECCharacterization degradation by SEC
Für die Charakterisierung des Ligninabbaus wurde das massengemittelte Molekulargewicht Mw über SEC (Size Exclusion Chromatography) bestimmt. Die SEC Analyse wurde auf einem HPLC System (Alliance 2695, Waters) ausgerüstet mit einer Säulenkaskade der Firma Polymer Standards Service GmbH (MCX 10μm 1000Ä, MCX 10μm 100000Ä + Vorsäule) und einem UV-Detektor (320nm) durchgeführt. Als Laufmittel und Lösungsmittel für Lignin und die Ligninabbauprodukte wurde 0.01 molare wässrige Natronlauge verwendet. Die Kalibration erfolgte mittels 9 engen Polymerstandards aus sulfoniertem Polystyrol im Molgewichtsbereich 1'020'0OO Da bis 3'420 Da. Das massengemittelte Molekulargewicht wurde also relativ zu sulfoniertem Polystyrol bestimmt.For the characterization of lignin degradation, the weight average molecular weight M w was determined via SEC (Size Exclusion Chromatography). The SEC analysis was carried out on a HPLC system (Alliance 2695, Waters) equipped with a column cascade from Polymer Standards Service GmbH (MCX 10 μm 1000A, MCX 10 μm 100000A + precolumn) and a UV detector (320 nm). As solvent and solvent for lignin and lignin degradation products, 0.01 molar aqueous sodium hydroxide solution was used. The calibration was carried out by means of 9 narrow polymer standards of sulfonated polystyrene in the molecular weight range 1'020'0OO Da to 3'420 Da. The weight average molecular weight was thus determined relative to sulfonated polystyrene.
Das gemessene Absorptionssignal des UV-Detektors (320nm) wurde jeweils in den Chromatogrammen auf den höchsten Peak normiert (entspricht der Einheit (AU) 1 ). Als X-Achse aufgetragen ist das Elutionsvolumen (Ve) bzw. das entsprechende Molekulargewicht Mw (g/mol).The measured absorption signal of the UV detector (320 nm) was normalized in the chromatograms to the highest peak (corresponds to the unit (AU) 1). Plotted as X-axis is the elution volume (V e ) or the corresponding molecular weight M w (g / mol).
Figur 1 zeigt den Vergleich der SEC-Chromatogramme des Lignin 1 mit dem Reaktionsgemisch RG1.FIG. 1 shows the comparison of the SEC chromatograms of lignin 1 with the reaction mixture RG1.
Figur 2 zeigt den Vergleich der SEC-Chromatogramme des Lignin 2 mit dem Reaktionsgemisch RG2.FIG. 2 shows the comparison of the SEC chromatograms of lignin 2 with the reaction mixture RG2.
Figur 3 zeigt den Vergleich der SEC-Chromatogramme des Lignin 2 mit dem Reaktionsgemisch RG3. Figur 4 zeigt den Vergleich der SEC-Chromatogramme des Lignin 2 mit dem Reaktionsgemisch RG4.
Aus der Verschiebung des Molekulargewichtsmaximums im jeweiligen Reaktionsgemisch zeigt sich, dass beim Abbau eine starke Reduktion des Molekulargewichtes stattgefunden hat.FIG. 3 shows the comparison of the SEC chromatograms of lignin 2 with the reaction mixture RG3. FIG. 4 shows the comparison of the SEC chromatograms of lignin 2 with the reaction mixture RG4. From the shift in the maximum molecular weight in the respective reaction mixture, it can be seen that a considerable reduction in the molecular weight has taken place during the degradation.
Charakterisierung Abtrennung mittels SECCharacterization Separation by SEC
Figur 5 zeigt beispielhaft den Vergleich der SEC-Chromatogramme der Chloroform-Extrakte Ex-CI mit dem abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauprodukt AHLA1 in Beispiel 1.FIG. 5 shows by way of example the comparison of the SEC chromatograms of the chloroform extracts Ex-CI with the separated high-molecular lignin degradation product AHLA1 in Example 1.
Figur 6 zeigt den Vergleich der SEC-Chromatogramme des Filtrats F3 sowie des abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauprodukt AHLA3 des über Ultrafiltration getrennten Reaktionsgemisches RG3 in Beispiel 3.FIG. 6 shows the comparison of the SEC chromatograms of the filtrate F3 and the separated high-molecular lignin degradation product AHLA3 of the reaction mixture RG3 separated by ultrafiltration in Example 3.
Beide Untersuchungen belegen, dass die niedermolekularen Bestandteile über Extraktion bzw. Ultrafiltration aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wurden. Figur 7 zeigt den Vergleich in Beispiel 3der SEC-Chromatogramme des Reaktionsgemisches RG3 sowie des über Ultrafiltration vom Reaktionsgemisch RG3 abgetrennten hochmolekularen Ligninabbauproduktes AHLA3.Both studies prove that the low molecular weight components were separated from the reaction mixture via extraction or ultrafiltration. FIG. 7 shows the comparison in Example 3 of the SEC chromatograms of the reaction mixture RG3 and of the high molecular weight lignin decomposition product AHLA3 separated by ultrafiltration from the reaction mixture RG3.
Für die Abschätzung der Monomerabtrennung wurden die normierten SEC-Chromatogramme, wie in Figur 7 gezeigt sind, herangezogen. Für die Bestimmung der Abtrennung der Monomere (d.h. 1 Benzolring aufweisend) (Elutionsvolumen ~17.5ml) wurden die Monomer-Peakfläche des Reaktionsgemisches RG3 (= ,AM,RGI") bzw. des AHLA3 (=,AM,AHLA3") bestimmt. Die Abtrenn-Effizient AE wurde daraus gemäss folgender Formel berechnet:For the estimation of the monomer separation, the normalized SEC chromatograms as shown in FIG. 7 were used. For the determination of the separation of the monomers (i.e., having 1 benzene ring) (elution volume ~17.5ml), the monomer peak area of the reaction mixture RG3 (=, AM, RGI ") and AHLA3 (=, AM, AHLA3", respectively) were determined. The separation efficiency AE was calculated therefrom according to the following formula:
AE = (AM,RGI - AM,AHLÄ3)I AM,RGI Die so berechnete Abtrenn-Effizient AE für die Monomere ergab inAE = (AM, RGI-AM, AHLÄ3) I AM, RGI The thus calculated separation efficiency AE for the monomers was found in
Beispiel 3 einen Wert von 98 %.Example 3 is 98%.
Bei den Dimeren (d.h. 2 Benzolringe aufweisend) (ElutionsvolumenFor the dimers (i.e., having 2 benzene rings) (elution volume
~16.5ml) und Trimeren (d.h. 3 Benzolringe aufweisend) (Elutionsvolumen~ 16.5ml) and trimers (i.e., having 3 benzene rings) (elution volume
~16ml) waren die jeweiligen Peakflächen ohne aufwändige Deconvulations- verfahren nicht einfach zu ermitteln. Deshalb wurde der Einfachheit halber bei der Berechnung von AE anstelle der Peakflächen die jeweilige Peakhöhen am
Peakmaximum verwendet. Die entsprechende Berechnung der Abtrenn- Effizienz ergab für die Dimere einen Wert von 87% bzw. für die Trimere einen Wert von 54 %.~ 16ml), the respective peak areas were not easy to determine without complex deconvolution procedures. Therefore, for the sake of simplicity, when calculating AE instead of the peak areas, the respective peak heights at Peak maximum used. The corresponding calculation of the separation efficiency gave a value of 87% for the dimers and a value of 54% for the trimers.
Die abgetrennten Mono-, Di- und Trimere erscheinen im SEC- Chromatogramm des Filtrats F3 (Permeat). Zusätzlich sind in F3 kleine Mengen an Abbauprodukten, die grösser als Trimere sind, detektierbar. Die grössten im Filtrat F3 auffindbaren Komponenten besitzen ein Molekulargewicht in der Grössenordnung der Ausschlussgrenze (Cut-off) der Membran von 1000 Dalton.The separated mono-, di- and trimers appear in the SEC chromatogram of the filtrate F3 (permeate). In addition, small amounts of degradation products larger than trimers are detectable in F3. The largest components found in the filtrate F3 have a molecular weight in the order of the cut-off of the membrane of 1000 daltons.
Verwendungsversuche in einem hydraulischen BindemittelUsage tests in a hydraulic binder
Die in Tabelle 1 angegebenen Mengen an Lignin, bzw. chemisch modifiziertem abgebauten Lignin, wurden im Anmachwasser, in einem 250 ml Mischgefäss eingewogen und gelöst. Hierzu wurde jeweils 200 g einer Mischung aus 3 Schweizer CEM I 42.5 Zementen (1 :1 :1 in Gewichtsteilen) eingestreut. Der so gebildete Zementleim wurde mit einem Propellerrührer mit 2 cm Durchmesser bei 2000 U/min während 2 Minuten gut durchgemischt. Ein offener Messzylinder (50 mm Durchmesser, 51 mm Höhe), der auf einer sauberen Glasplatte mit 30 cm Durchmesser steht, wurde mit dem Zementleim plan aufgefüllt. Der Messzylinder wird hochgehoben, sodass der Zementleim ausfliessen kann. Der Durchmesser des gebildeten Zementleim-Kuchens wird auf 1 mm genau abgemessen und als Fliessmass {„FM2mιn") notiert. Der Zementleim wird nach der Messung wieder in das Mischgefäss gefüllt und die Messung nach 30 bzw. 60 Minuten ab Zugabe des Anmachwassers wiederholt, wobei der Zementleim nochmals 15 Sekunden durchgemischt wurde, und als Fliessmass nach 30 Minuten (,,FM30 mm")- bzw. 60 Minuten (,,FM60 mm") notiert.The amounts of lignin or chemically modified degraded lignin indicated in Table 1 were weighed into the mixing water and dissolved in a 250 ml mixing vessel. In each case, 200 g of a mixture of 3 Swiss CEM I 42.5 cements (1: 1: 1 by weight) were sprinkled in each case. The cement paste thus formed was well mixed with a 2 cm diameter propeller stirrer at 2000 rpm for 2 minutes. An open measuring cylinder (50 mm diameter, 51 mm height) standing on a clean glass plate with a diameter of 30 cm was filled flat with the cement paste. The measuring cylinder is lifted so that the cement paste can flow out. The diameter of the cement paste cake formed is measured to an accuracy of 1 mm and recorded as flow grade {"FM2mιn"). The cement paste is filled back into the mixing vessel after the measurement and the measurement is repeated after 30 or 60 minutes from the addition of the mixing water the cement paste was mixed again for 15 seconds, and noted as a flow of the material after 30 minutes ("FM 30 mm") or 60 minutes ("FM 60 mm").
In den folgenden Tabellen ist einerseits die Menge des jeweils eingesetzten Lignins als Gew.-%, bezogen auf den Zement, „m/Z" (über den TOC berechnet). Des Weiteren wird das in der Zementchemie wichtige Gewichtsverhältniss von Wasser zu Zement „W/Z" angegeben.
Nicht abgebautes und nicht chemisch modifiziertes Lignin 1 wurde in Vergleichsbeispiel R1-0 verwendet. Nicht abgebautes und nicht chemisch modifiziertes Lignin 2 wurde jeweils in Vergleichsbeispiel R2-0 und R3-0 und R4-0 verwendet.In the following tables, on the one hand, the amount of lignin used in each case as wt .-%, based on the cement, "m / Z" (calculated on the TOC).) Furthermore, the important in cement chemistry weight ratio of water to cement "W / Z ". Undegraded and non-chemically modified lignin 1 was used in Comparative Example R1-0. Undegraded and non-chemically modified lignin 2 was used in each case in Comparative Example R2-0 and R3-0 and R4-0.
Es ist bei der Beurteilung der Resultate in Tabelle 1 wichtig zu berücksichtigen, dass jeweils dieselbe Zementmischung jeweils nur für eine Messserie verwendet wurde, so dass beim Vergleich von Resultate aus verschiedenen Messserien leichte -durch den unterschiedlichen Zement verursachte- Schwankungen in Betracht gezogen werden müssen. Dies erklärt beispielsweise die Abweichungen der Werte von R3-0 gegenüber R4-0.When assessing the results in Table 1, it is important to consider that the same cement mix was used for one set of measurements at a time, so when comparing results from different series of measurements, slight variations due to different cement needs to be taken into account. This explains, for example, the deviations of the values of R3-0 compared to R4-0.
Tabelle 1. Resultate von Ligninen bzw. chemisch modifizierten Ligninab- bauprodukten in zementösem Bindemittel. 1 n.m.= nicht gemessen
Aus den Ergebnissen der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Beispiele Ex1, Ex2, Ex 3 bzw. Ex4, welche erfindungsgemässe chemisch modifizierten Ligninabbauprodukte B1, B2, B3 bzw. B4 enthalten, über eine wesentlich bessere Verflüssigung (ersichtlich aus dem Fliessmass) verfügen, als die entsprechenden nicht abgebauten und nicht chemisch modifizierten Lignine Lignin 1 bzw. Lignin 2 ausweisen. Des Weiteren zeigen die Resultate ebenfalls dass die Beispiele, welche auf erfindungsgemässen chemisch modifizierten Ligninabbauprodukten B1, B2, B3 bzw. B4 basieren eine relevant verbessertes Fliessverhalten aufweisen als die Vergleichsbeispiele mit den entsprechenden chemisch modifizierten von den niedermolekularen Abbauprodukten nicht abgetrennten Abbauprodukten, bzw. den chemisch modifizierten nicht abgebauten Ligninen.Table 1. Results of lignins or chemically modified lignin degradation products in cementitious binder. 1 nm = not measured It can be seen from the results in Table 1 that the examples Ex1, Ex2, Ex 3 or Ex4 which contain chemically modified lignin decomposition products B1, B2, B3 or B4 according to the invention have significantly better liquefaction (evident from the fluidity), when the corresponding undegraded and non-chemically modified lignins identify lignin 1 and lignin 2, respectively. Furthermore, the results also show that the examples which are based on chemically modified lignin degradation products B1, B2, B3 or B4 according to the invention have a significantly improved flow behavior than the comparative examples with the corresponding chemically modified degradation products not separated from the low molecular weight degradation products, or the chemical modified undegraded lignins.
Der Vergleich des Beispiels Ex2 mit den Vergleichsbeispielen R2-1 bzw. R2-2 zeigt, dass mit dem erfindungsgemässen Zusatz B2 mit lediglich mit einem Drittel der Dosierung bereits eine vergleichbares Fliessmass erreicht werden kann wie bei den Vergleichszusätzen Ref. 2 bzw. Ref.RG2.The comparison of Example Ex2 with Comparative Examples R2-1 and R2-2 shows that with the additive B2 according to the invention, a comparable fluidity can already be achieved with just one third of the dosage as in the comparative additives Ref. 2 or Ref. R2G2 ,
Trotz der Tatsache, dass bei der Mannichbasen-Herstellung in den Produkten noch nichtumgesetztes Alanin vorhanden ist, ist für das Fliessverhalten unerheblich, da ein entsprechender Vergleichsversuch mit einem entsprechendem Zusatz von Alanin zum Zementleim das Fliessverhalten nicht merklich veränderte.
Despite the fact that unreacted alanine is still present in the products in Mannichbase production, it is irrelevant to the flow behavior since a corresponding comparative test with a corresponding addition of alanine to the cement paste did not noticeably change the flow behavior.