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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hydrothermalen und enzymatischen Hydrolyse von Stroh und andern Pflanzenmaterialien, bei dem zunächst eine hydrothermale Vorbehandlung erfolgt, wobei Wasser in flüssiger Phase unter Druck bei Temperaturen zwischen 160 und 240 C durch das zerkleinerte Material hindurchgeleitet wird, und anschliessend die Elutionslösung und der feste Rückstand enzymatisch verzuckert werden.
In AT-PS Nr. 263661 ist erstmals ein Verfahren zum hydrothermalen Abbau von Stroh, Holz od. dgl. beschrieben worden, bei dem überhitztes Wasser durch das zerkleinerte Material hindurchgeleitet wird. Dabei wird pflanzliche Biomasse in ein Reaktionsgefäss eingeführt und dieses nur mit Wasser bei entsprechender Temperatur und einem Druck, der hoch genug ist, dass kein Sieden erfolgen kann, eluiert (Perkolation). Bei etwa 200 C kann die Hemicellulose (mit einem gewissen Anteil leicht löslichen Lignins) als wasserlösliches oligomeres Produkt in Lösung gebracht werden.
Bei zirka 280 C wird die Cellulose bis zu 60% zu Glucose abgebaut. Über 300 C wird die Struktur des Lignins so weit verändert, dass diese widerstandsfähige Substanz in einer organischen wässerigen Mischung fast vollständig gelöst werden kann.
Bei dem aus EP 0 098 490 bekannten Verfahren, dessen Verbesserung Ziel der Erfindung ist, wird nur die erste Stufe des aus der AT-PS Nr. 263661 bekannten Verfahrens ausgenutzt, wogegen die Verzuckerung der Cellulose in der in der AT-PS Nr. 370128 beschriebenen Weise vorgenommen wird. Die Gewinnung von Cellulose erfolgt dabei durch Züchten von Cellulase produzierenden Mikroorganismen auf cellulosehaltigem Kulturmedium in Gegenwart von Nährsalzen, wobei eine Suspension des zerkleinerten cellulosehaltigen Ausgangsmaterials in wässeriger Lösung mit den Mikroorganismen aus der Kultur abgetrennt und die verbleibende ceullulosehaltige Lösung konzentriert wird.
Eine hydrothermale Behandlung von pflanzlicher Biomasse, bei welcher das Wasser durch das zerkleinerte Material hindurchgeleitet wird, unterscheidet sich grundsätzlich von andern Verfahren, bei denen das Wasser oder der Wasserdampf während der ganzen Behandlungszeit des zerkleinerten Materials mit diesem im Behandlungsbehälter verbleiben. Derartige, z. B. aus DE-OS 2732289 bekannte Dampfexplosions- oder Dampfextraktionsverfahren leiden unter dem Nachteil, dass dauernd einerseits Hemicellulose gelöst, anderseits aber die gelöste Hemicellulose auf Grund der hohen Temperatur des Lösungsmittels wieder zerstört wird. Dies äussert sich darin, dass die Ausbeute der aus der Hemicellulose entstehenden Xylose nach einem anfänglichen Maximum bei zirka 20 min mit zunehmender Behandlungsdauer abnimmt.
Die enzymatische Hydrolysierbarkeit des Faserrückstandes nimmt hingegen kontinuierlich gemäss einer sich allmählich abflachenden Kurve zu. Die Temperatur, bei welcher die Dampfexplosions- oder Dampfextraktionsverfahren durchgeführt werden, wird dementsprechend so gewählt, dass zu einem Zeitpunkt, in dem die enzymatische Hydrolysierbarkeit des Faserrückstandes einen vertretbaren Wert angenommen hat (etwa 50% nach 40 min Behandlungsdauer), die Xylose-Ausbeute von ihrem nach etwa 20 min erreichten Maximum noch nicht allzu weit abgesunken ist. Die gewählten Temperaturen liegen, je nach dem angestrebten Verhältnis der Ausbeuten an Cellulose und Hemicellulose, irgendwo zwischen 155 bis 240 C.
Wird die Hydrothermolyse in der eingangs beschriebenen Weise unter kontinuierlicher Elution der Hemicellulose durchgeführt, so kommt es wegen der geringen Verweilzeit des Wassers im Behandlungsgefäss zu keiner nennenswerten Zerstörung der im Wasserextrakt befindlichen Hemicellulose, sondern diese wird praktisch quantitativ im Eluat erhalten.
Für die Durchführung des der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens wurden bisher ausschliesslich der Temperaturbereich von 200 bis 240 C in Betracht gezogen. So wurde sowohl in DE-OS 3225074 wie in EP-OS 98490 (auf Seite 11 unten bzw. auf Seite 8 Mitte) darauf hingewiesen, dass der aus der Anwendung einer bestimmten Temperatur im allgemeinen Bereich von 140 bis 340 C, inbesondere von 160 bis 240 C resultierende Polymerisationsgrad der im Faserstoff enthaltenen Cellulose für enzymatisch und sauer katalysierte Hydrolyseverfahren dann geeignet sei, wenn ein solches Verfahren im Temperaturbereich von 200 bis 240 C durchgeführt werde.
Man war der Auffassung, dass der verbleibende Faserrückstand dann am besten zur Verwendung als Rauhfutter für Wiederkäuer oder als Rohmaterial für die enzymatische Hydrolyse geeignet
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sei, wenn die Vorbehandlung so nahe wie möglich am Lignin-Glas-Transformationsbereich, der bei etwa 240 C liegt, erfolge.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die enzymatische Verzuckerung des festen Rückstandes der hydrothermalen Vorbehandlung nicht umso besser funktioniert, je höher die Temperatur der Vorbehandlung oberhalb von 200 C liegt, sondern dass vielmehr die bei der enzymatischen Verzuckerung erzielbare Ausbeute an Cellobiose und Glucose dann ein ausgeprägtes Maximum erreicht, wenn die hydrothermale Vorbehandlung bei Temperaturen erfolgt, die zwischen 170 und 200 C liegen. Erfindungsgemäss wird daher vorgesehen, die hydrothermale Vorbehandlung in diesem Temperaturbereich durchzuführen.
Wie erwähnt, ist es für das erfindungsgemässe Verfahren wesentlich, dass die gelöste Hemicellulose nicht zu lange auf der erhöhten Behandlungstemperatur verbleibt. Verweilzeiten des Lösungsmittels bzw. der Lösung im Behandlungsgefäss, die in der Grössenordnung von wenigen Minuten liegen, haben sich in diesem Sinne als unschädlich erwiesen. Die Verweilzeit der zerkleinerten Masse im Behandlungsgefäss ist um ein vielfaches höher und liegt typischerweise in dem auch für das Dampfextraktions- bzw. Dampfexplosionsverfahren üblichen Bereich von 20 bis 40 min.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.
Dabei stellt Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dar, Fig. 2 ist die Darstellung des Verfahrensablaufes in einem Flussdiagramm, Fig. 3 zeigt diagrammatisch die Abhängigkeit der enzymatisch erreichten Zuckerausbeute von der Hydrothermolysetemperatur.
Die erfindungsgemässe Vorbehandlung der zerkleinerten Biomasse erfolgt in an sich bekannter Weise in einer Einrichtung, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Wasser gelangt aus einem Vorratsbehälter --1-- über eine Hochdruckpumpe --2-- durch eine Heizeinrichtung --3-in das Druckgefäss --4--, in welchem sich die zerkleinerte Masse, beispielsweise Stroh, befindet.
Wesentlich ist, dass das zerkleinerte Stroh im Druckgefäss --4-- vom Wasser durchströmt wird, dass also das mit gelösten Stoffen angereicherte Wasser kontinuierlich oder in nicht zu langen Abständen durch das Dosierventil --8-- abgelassen wird. Im gesamten Bereich zwischen Hochdruckpumpe --2-- und Dosierventil --8-- herrscht ein Druck, welcher hoch genug ist, dass bei der gewählten Temperatur kein Sieden erfolgt. Zur Überwachung der Temperatur sind Fühler --5 und 6-- vorgesehen. Bei bestimmten Reaktionsgefässformen hat sich ein Rührer --7-- als vorteilhaft, aber nicht unbedingt erforderlich erwiesen. Die durchschnittliche Verweilzeit der Biomasse im Druckgefäss --4-- liegt zwischen 10 und 40 min, die durchschnittliche Verweilzeit des durchgeleiteten Wassers etwa bei 1 bis 4 min.
In Fig. 2 ist das Flussdiagramm und die Stoffausbeute für einen typischen Versuch dargestellt.
Bereits in jenem Zeitraum, in welchem das zerkleinerte Stroh sich auf die Temperatur des durchgeleiteten Wassers erhitzt, gehen Inhaltsstoffe des Strohs in Lösung, u. zw. im wesentlichen Hemicellulose samt einem entsprechenden Anteil an Lignin. Während sich die Biomasse auf der eingestellten Temperatur befindet, enthält das Eluat in der Vor-, Nach- und Hauptfraktion praktisch die gesamte Hemicellulose, was sich daraus ersehen lässt, dass nach der enzymatischen Hydrolyse neben dem Hauptprodukt Xylose nur geringe Mengen an Glucose (Tabelle l) vorhanden sind.
Das Eluat wird einer enzymatischen Hydrolyse unterworfen. Dabei kann die relativ verdünnte Lösung, die im Vorlauf und Nachlauf erhalten wird, zunächst durch Umkehrosmose oder ein anderes Verfahren aufkonzentriert werden. Die schwach angereicherten Vor- und Nachlösungen können auch durch Zumischung von Frischwasser zur Elution der nächsten Charge herangezogen werden.
Für die Hauptfraktion ist unter Umständen keine weitere Aufkonzentrierung erforderlich.
Die so erhaltenen Lösungen wurden mit Citratpuffer auf PH 4,8 gebracht und 30 h bei 50 C der Einwirkung von Enzymen ausgesetzt. Die zur Erzielung einer hinreichenden Ausbeute notwendige Enzymmenge wurde in Vorversuchen festgestellt.
Der entscheidende Unterschied gegenüber der Erfindung und der bisher üblichen Verfahrens-
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ergibt sich die verbesserte Aufschliessbarkeit des als Faserrückstand verbleibenden Fasermaterials durch enzymatische Hydrolyse, die sich in der hohen Ausbeute an Glucose und Cellobiose ablesen lässt.
Die hervorragende Zuckerausbeute, die bei der beschriebenen Verfahrensführung erzielt wird, wird anschliessend an Hand von Tabelle 1 erläutert, welche drei bei verschiedenen Temperaturen ausgeführte Versuche betrifft.
Tabelle 1
Bilanz der Zuckerausbeute. Alle Werte sind bezogen auf 100 g atro eingesetztes Stroh.
Theorie : Glucose + (Cellobiose) = 42 g, Xylose = 24 g
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<tb>
<tb> Zucker <SEP> g/100 <SEP> g <SEP> atro <SEP> Stroh
<tb> 1790C <SEP> 1850C <SEP> 1930C
<tb> Cell <SEP> + <SEP> Glu <SEP> *) <SEP> Xyl <SEP> **) <SEP> Cell <SEP> + <SEP> Glu <SEP> Xyl <SEP> Cell <SEP> + <SEP> Glu <SEP> Xyl
<tb> Feststoffrückstand <SEP> 36,7 <SEP> 4,5 <SEP> 33,5 <SEP> 2,7 <SEP> 37,7 <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP>
<tb> Vor/Nachfraktion <SEP> 2,6 <SEP> 14,2 <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> 11, <SEP> 2 <SEP> 1,2 <SEP> 10,9
<tb> Hauptfraktion <SEP> 0,0 <SEP> 6,7 <SEP> 0,0 <SEP> 8,2 <SEP> 0,0 <SEP> 10,7
<tb> Summe <SEP> 39, <SEP> 5 <SEP> 25, <SEP> 7 <SEP> 34, <SEP> 8 <SEP> 22, <SEP> 1 <SEP> 38, <SEP> 9 <SEP> 23, <SEP> 9 <SEP>
<tb> % <SEP> d.
<SEP> Theorie <SEP> 93, <SEP> 5 <SEP> 107 <SEP> 82, <SEP> 8 <SEP> 92 <SEP> 92, <SEP> 6 <SEP> 99, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
*) Cell + Glu = Cellobiose + Glucose **) Xyl = Xylose
Aus Tabelle 1 ergibt sich, dass im untersuchten Temperaturbereich die gesamte gewinnbare Xylose tatsächlich gewonnen wird, Hemicellulose also vollständig und unzerstört im Eluat erhalten ist. Der überwiegende Teil der Cellobiose und Glucose wird erst durch die enzymatische Hydrolyse des Feststoffrückstandes gewonnen, wobei im dargestellten Bereich wieder eine sehr hohe Gesamtausbeute in der Grössenordnung von 80 bis 90% erzielt wird. Dies ist insofern überraschend, als entsprechende Ergebnisse bestenfalls im Temperaturbereich um 230 C erwartet werden konnten.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, hat sich nun aber im Gegenteil herausgestellt, dass in diesem erhöhten Temperaturbereich, in dem überdies ein erhöhter Energieaufwand notwendig wäre, die Glucose-Ausbeute krass absinkt. Eine Erklärung dieses Phänomens kann bisher erst vermutet werden : es ist nicht anzunehmen, dass es wesentlich unterhalb des Lignin-Glas-Transformationsbereiches zu einer wesentlichen Zerstörung der Cellulose kommt, hingegen dürfte die Zugänglichkeit der Cellulosemoleküle für das Enzym ab etwa 200 C stark abnehmen.
Aus der anschliessenden Tabelle 2 lässt sich entnehmen, dass fast die gesamte theoretisch mögliche Ausbeute an Glucose und Cellobiose, welche für 100 g Ausgangsstroh etwa 42 g beträgt, lediglich durch die enzymatische Hydrolyse des nach der hydrothermalen Vorbehandlung verbliebenen Feststoffrückstandes gewonnen wird.
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Tabelle 2 Ausbeute an Glucose + Cellobiose und % d. Theorie. Ausbeute bei enzymatischer Hydrolyse von hydrothermal vorbehandeltem Weizenstroh.
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<tb>
<tb>
Temp. <SEP> Feststoff-Cellobiose <SEP> + <SEP> Glucose <SEP> % <SEP> d. <SEP> Theorie
<tb> rückstand <SEP> g/100 <SEP> g <SEP> atro <SEP> Rückstand <SEP> g/100 <SEP> g <SEP> atro <SEP> Stroh
<tb> 1510C <SEP> 90, <SEP> 0% <SEP> 18, <SEP> 3 <SEP> 16, <SEP> 4 <SEP> 39, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 1670C <SEP> 70, <SEP> 6% <SEP> 42, <SEP> 4 <SEP> 30, <SEP> 4 <SEP> 72
<tb> 1790C <SEP> 59, <SEP> 4% <SEP> 61, <SEP> 8 <SEP> 36, <SEP> 7 <SEP> 87
<tb> 1840C <SEP> 57, <SEP> 0% <SEP> 59, <SEP> 2 <SEP> 33, <SEP> 5 <SEP> 80, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 1850C <SEP> 51, <SEP> 6% <SEP> 56, <SEP> 3 <SEP> 29, <SEP> 0 <SEP> 69, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 1850C <SEP> 59, <SEP> 5% <SEP> 56, <SEP> 4 <SEP> 33, <SEP> 5 <SEP> 79, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 1880C <SEP> 59, <SEP> 5% <SEP> 51, <SEP> 4 <SEP> 30, <SEP> 5 <SEP> 72, <SEP> 6 <SEP>
<tb> 1930C <SEP> 53, <SEP> 6% <SEP> 70, <SEP> 5 <SEP> 37, <SEP> 7 <SEP> 90
<tb> 2000C <SEP> 46,
<SEP> 1% <SEP> 46, <SEP> 3 <SEP> 21, <SEP> 8 <SEP> 50, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 2250C <SEP> 39, <SEP> 8% <SEP> 38, <SEP> 1 <SEP> 15, <SEP> 6 <SEP> 36, <SEP> 1 <SEP>
<tb> 2500C <SEP> 37, <SEP> 6% <SEP> 37, <SEP> 8 <SEP> 14, <SEP> 2 <SEP> 33, <SEP> 8 <SEP>
<tb>
EMI4.2
bei der enzymatischen Behandlung des Eluats gewonnen wird, erhöhen sich die angegebenen Prozentsätze noch um Werte von etwa 3 bis 5, woraus sich ergibt, dass bei einer Verfahrenstemperatur von 170 bis 2000C eine fast vollständige Verzuckerung der Cellulose durch enzymatische Hydrolyse ermöglicht wird.
In Fig. 3 sind die Zahlenwerte der Tabelle 2 diagrammatisch dargestellt, wobei die durch Punkte dargestellten Messwerte einer 72 h dauernden enzymatischen Behandlung entsprechen, wogegen die durch Kreise dargestellten Werte bei 48stündiger Behandlung erzielt und mit dem üblicherweise im Zeitraum von 48 bis 72 h auftretenden Steigerungsfaktor multipliziert wurden.
Eine derartige Korrektur ist deshalb recht verlässlich, weil der erfindungsgemäss aufgeschlossene Faserrückstand ungewöhnlich rasch einen wesentlichen Anteil des schliesslich erzielbaren Verzuckerungsgrades erreicht, wie sich aus der anschliessenden Tabelle 3 ergibt.
Tabelle 3
EMI4.3
<tb>
<tb> Enzymatische <SEP> Zucker <SEP> g/100 <SEP> g <SEP> atro
<tb> Hydrolyse
<tb> h <SEP> Cellobiose <SEP> Glucose <SEP> Xylose <SEP> Summe
<tb> 3 <SEP> 15, <SEP> 8 <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 38, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 25 <SEP> 7, <SEP> 1 <SEP> 35, <SEP> 4 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 45, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 48 <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 43, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 52, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 72 <SEP> 5, <SEP> 6 <SEP> 52, <SEP> 4 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP> 62, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 15, <SEP> 8 <SEP> 22, <SEP> 2 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 40, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 25 <SEP> 6, <SEP> 6 <SEP> 34, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 46, <SEP> 1 <SEP>
<tb> 48 <SEP> 5, <SEP> 6 <SEP> 42, <SEP> 7 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 51, <SEP> 3' <SEP>
<tb> 72 <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> 57, <SEP> 7 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP> 68, <SEP> 3 <SEP>
<tb>