CS209235B1

CS209235B1 - Manufacturing process of microbial proteins from waste remained after chemical treatment of wooden material

Info

Publication number: CS209235B1
Application number: CS282579A
Authority: CS
Inventors: Jiri Barta; Vladimir Krumphanzl; Vladimir Marusa; Milan Nemec; Miroslav Verner
Original assignee: Jiri Barta; Vladimir Krumphanzl; Vladimir Marusa; Milan Nemec; Miroslav Verner
Priority date: 1979-04-24
Filing date: 1979-04-24
Publication date: 1981-11-30

Description

(54) Způsob výroby mikrobiálních proteinů z odpadů po chemickém zpracování dřevné hmoty(54) Method for producing microbial proteins from waste after chemical processing of wood mass

Využívání produktů kyselé hydrolýzy rostlinných materiálů jako je například dřevo, sláma, rákos atd., jakožto základní suroviny k mikrobiosyntéze proteinů je dobře známo a zvládnuto i v průmyslovém měřítku. Tak například již dlouhou dobu jsou s úspěchem využívány k výrobě krmných kvasnic s vysokým obsahem proteinů odpadní louhy z kyselých bisulfitových způsobů výroby celolósy. Tyto tak zvané sulfitové výluhy jsou zatím jediným druhem odpadních vod vznikajících v celulózářském průmyslu, který se k výše uvedenému účelu v průmyslovém měřítku využívá. Tak například Lefran^ois a B. Revuž 1964 Ind. Agric et Allim. Sl. No 12) nebo G. Kretschmar (1962 (I)) Zellstoft and Papier D. K. 6631 str. 14—23 popisují výrobní technologie krmných kvasnic ze sulfitových výluhů.The use of acid hydrolysis products of plant materials such as wood, straw, reed, etc. as a basic raw material for protein microbiosynthesis is well known and mastered on an industrial scale. For example, waste liquors from acid bisulfite processes for the production of cellulose have been successfully used for the production of yeast with high protein content for a long time. These so-called sulphite leaches are so far the only type of waste water produced in the pulp industry which is used on an industrial scale for the aforementioned purpose. For example, Lefransois and B. Revu 1964 Ind. Agric et Allim. Sl. No 12) or G. Kretschmar (1962 (I)) Zellstoft and Papier D. K. 6631 pp. 14-23 describe the production technology of feed yeast from sulphite liquors.

Jiným typem základní suroviny jsou tak zvané kyselé hydrolyzáty rostlinných materiálů, kdy je hmota například dřevo, podrobována za přídavku nejčastěji minerální kyseliny (H₂SO₄), zvýšeného tlaku a teploty při příslušném hydromodulu hydrolýze. Vzniklý hydrolyzát se po oddělení furalu upravuje na vhodné pH a za přípravku živin (N, P, K, Mg) dále fermentuje a zpracovává známými postupy.Another type of basic raw material is the so-called acid hydrolyzates of plant materials, where the mass, for example wood, is subjected to the addition of mineral acid (H ₂ SO ₄ ), increased pressure and temperature at the respective hydromodule of hydrolysis. After hydrolysis of the fural, the resulting hydrolyzate is adjusted to a suitable pH and further fermented and processed according to known methods using a nutrient preparation (N, P, K, Mg).

V obou zmíněných případech vznikají z rostlinných materiálů z přítomných polysacharidů hlavně monosacharidy, které jsou potom ve fermentačním procesu za příslušných podmínek mikrobiálně transformovány v biomasu bohatou na proteiny.In both cases, mainly monosaccharides are produced from plant materials from the present polysaccharides, which are then microbially transformed into protein-rich biomass under appropriate conditions in the fermentation process.

V případě sulfitových výluhů se jedná téměř výhradně o hydrolýzu ve dřevě přítomných hemi- ί celulós, z nichž vznikají příslušné hexózy a pentózy. ‘In the case of sulphite leaches, this is almost exclusively the hydrolysis of the hemi-celluloses present in the wood, from which the corresponding hexoses and pentoses are formed. ‘

V případě kyselé hydrolýzy se kromě hemicelulóz štěpí hlavně celulóza a konečný substrát obsahuje převážně glukózu.In the case of acid hydrolysis, apart from hemicelluloses, mainly cellulose is cleaved and the final substrate contains predominantly glucose.

Daleko méně pozornosti z hlediska mikrobiálního využití bylo věnováho produktům alkalické hydrolýzy lignocelulózových materiálů. Při alkalické hydrolýze, ať již se jedná o tak zvaný natronový j neb j sulfátový postup výroby celulózy, vznikají j a přecházejí do odpadního louhu z potencionálně utílizovatelných látek převážně hydroxykyseliny.Much less attention has been paid to the alkaline hydrolysis products of lignocellulosic materials. In alkaline hydrolysis, whether it is the so-called sodium or sulphate process for the production of cellulose, it is formed and transferred to waste liquor from potentially stabilizable substances, predominantly hydroxy acids.

Z celkového obsahu hydroxykyselin tvoří sacharinové kyseliny největší podíl. Tyto kyseliny jsou přítomny ponejvíce ve formě svých solí nebo laktonů. Konkrétně se jedná například o kyseliny Cgglukózosacharinovou, glukózomethasacharinovou, sacharinovou, C₅isosacharinovou atd.Of the total hydroxyacids content, saccharinic acids make up the largest proportion. These acids are present mostly in the form of their salts or lactones. Specifically, for example, acid Cgglukózosacharinovou, glukózomethasacharinovou, saccharin, _C5 isosacharinovou etc.

Malinan a kol. [(1975) Pap. 57 (4a) 193, 199, 203,] uvádí, že obsah a- a β-glukózosacharinových kyselin v sulfátovém výluhu činil 60 % z celkového obsahu hydroxykyselin a obsah kyseliny mléčné 20 %. ClaytonD.akol.[(1972)Referát GIAM IV, Sao Paulo Brazil] používal alkalické hydrolyzáty slámy ke kultivaci bakterií Celulomonas a Alkaligenes. Výsledný produkt byl používán jako krmivo. Slunyajev V. P., Sharkov V. [(1976) Gidroliz. Lesochim. Prom. stí (2) 4—5] používal výluh po alkalickém vaření břízy, borovice a smrku. Zjistil, že polysacharidy ze dřeva převede- , ne na produkty hydrolýzy jsou ze 70 až 77 % využity kvasinkami. Předpokladem pro úspěšný mikrobiologický proces bylo však přečištění media eléktrodialýzou. Produkt obsahoval 49,7 ažMalinan et al. [1975] Pap. 57 (4a) 193, 199, 203,] discloses that the content of α- and β-glucose-saccharinic acids in the sulfate extract was 60% of the total hydroxyacid content and the lactic acid content was 20%. [(1972) GIAM IV, Sao Paulo Brazil] used alkaline straw hydrolysates to cultivate Celulomonas and Alkaligenes. The resulting product was used as feed. Slunyajev, V. P., Sharkov, V. [(1976) Gidroliz. Lesochim. Prom. (2) 4–5] used the extract after alkaline cooking of birch, pine and spruce. He found that wood polysaccharides convert, not to hydrolysis products, from 70 to 77% utilized by yeast. A prerequisite for a successful microbiological process, however, was purification of the medium by electrodialysis. The product contained 49.7 to

51,1 % hrubého proteinu.51.1% crude protein.

V poslední době se v průmyslu celulózy uplatňuje používání kyslíku nebo plynu kyslík obsahující, a to tak při samostatné delignifikad dřevné hmoty, tak i při zušlechťování nebělené celulózy. Tyto postupy pracují rovněž za použití alkalií a jsou daleko účinnější. Na rozdíl od typické alkalické de^gnifikace například klasickým natronovým nebo i sulfátovým způsobem vaření dřevné hmoty, vznikají produkty degradace jiným mechanismem. Těchto produktů vzniká daleko více a současně se tvoří i látky, které při samotné alkalické hydrolýze nevznikají. Tak například Kolmodin a Samuelson [(1971) — Svensk Papperstidning 74, 301, 1971] a Koimodin Samuelson [(1973) — Svensk Papperstidning 76,71,1973] prokázali, že jednou z hlavních komponent dřevní hmoty xylan, je alkalicko kyslíkovým postupem hydrolyzován navíc za vzniku kyseliny lyxonové, xylonové a threonové a glycerpvé. Podobně hlubší rozklad nastává i v případě dalších složek, a to i některých Ugninových látek onížší molekulové váze.Recently, the use of oxygen or gas containing oxygen has been used in the pulp industry, both in a separate delignifikad wood material and in the upgrading of unbleached cellulose. These processes also work with alkali and are far more efficient. In contrast to the typical alkaline determination, for example, by conventional sodium or sulphate cooking of wood, degradation products are produced by another mechanism. There are far more of these products, and at the same time substances that are not formed during the alkaline hydrolysis itself are formed. For example, Kolmodin and Samuelson [(1971) - Svensk Papperstidning 74, 301, 1971] and Koimodin Samuelson [(1973) - Svensk Papperstidning 76,71,1973] have shown that one of the major components of woody material xylan is hydrolyzed by the alkaline oxygen process in addition to form lyxonic, xylonic and threonic acids and glyceric acid. Similarly, deeper decomposition occurs in the case of other components, even some Ugnin substances of lower molecular weight.

, ) Předmětem způsobu podle vynálezu je způsob řaby mikrobiálních proteinů z odpadů po chekém zpracování dřevní hmoty, jehQŽ podstatou že ýultívačním mediem jsu po úpravě pH a*. přídávku živin produkty alkalické neb kyselé hydrolýzy lignocelulózových materiálů podrobené předtím tlakové oxidaci kyslíkem neb kyslík obsaΓ bujícím plynem, které se aerobně fermentují bílko' ýfim^mi mikroorganismy rodů Torulopsis, Candiy da, Cřyptococcus, Oidium neb jejich směsí.The object of the process according to the invention is a process for the removal of microbial proteins from waste after a fine wood treatment, the essence of which is that the consulting medium is after pH adjustment. nutrient addition products of alkaline or acid hydrolysis of lignocellulosic materials subjected to prior pressure oxidation with oxygen or oxygen-containing gas, which are aerobically fermented by white microorganisms of the genera Torulopsis, Candida, Cryptococcus, Oidium or mixtures thereof.

Po^le vynálezu jsou kultivačním mediem látky, yzmk^jíéí při alkalicko kyslíkové delignifikaci ligpocelulózových materiálů, a to například jak dřevné hmoty, tak nebělené celulózy a lze je využít jako Žáklad k přípravě kultivačního media pro bílkovipotvorné mikroorganismy. Proti původním produktům získaným pouhou alkalickou hydrolýzou je, výtěžnost biomasy počítaná na veškerou rozpustnou organickou hmotu o 70 až 120 % vyšší, i Kromě toho dochází k podstatnému zkrácení j růstové doby bílkovinných mikroorganismů, a to až í o2Í00 %. Další výhodou tohoto kultivačního média i je okolnost, že oxidací kyslíkem se zneškodňuje , většina inhibitorů majících například svůj původ v látkách pryskyřičného charakteru, které jsou výrazné pro určité druhy dřevin a stáří dřevné hmoty.According to the invention, the culture medium is a substance which is lowered in the alkaline-oxygen delignification of ligpocellulosic materials, for example both wood pulp and unbleached cellulose, and can be used as a basis for preparing a culture medium for protein-forming microorganisms. Compared to the original products obtained by mere alkaline hydrolysis, the biomass yield calculated on all soluble organic matter is 70 to 120% higher, and furthermore, the growth time of protein microorganisms is significantly reduced, even by up to 200%. Another advantage of this culture medium is the fact that oxidation is destroyed, most of the inhibitors having, for example, their origin in resinous substances which are significant for certain tree species and timber age.

Jak je patrno z předchozího popisu, využívají se k mikrobiosyntéze proteinů v sulfitových celulózkách pouze výluhy z vaření dřeva, respektive ve směsi s vodami z praní nebělené celulózy, které jsou vlastně vodou zředěné výluhy. Odpadní vody z dalších výrobních stupňů, to je zušlechťování (a bělení celulózy, se dosud nevyužívaly a nevyužívají, přestože do těchto vod přechází cca 10 % organické hmoty počítáno na nebělenou celulózu. Důvodem toho bylo hlavně používání sloučenin chlóru (například chlordioxid), velké množství alkálii a vysoké zředění. Proto i tyto druhy vod je obtížno podrobovat i biologickým způsobůín čištění.As can be seen from the foregoing description, only the cooking liquors of wood are used for protein microbiosynthesis in sulphite pulp mills, or in admixture with non-bleached cellulose washing liquids, which are in fact water-diluted extracts. Waste water from other production stages, ie refining (and bleaching of cellulose), has not been used yet, although about 10% of the organic matter, calculated on unbleached cellulose, passes into these waters. This was mainly due to the use of chlorine compounds alkaline and high dilution, so these types of waters are also difficult to undergo biological treatment.

Kultivační médium tj. produkty alkalicko-kyslíkové hydrolýzy lignocelulosových materiálů se mohou fermentovat též společně s kultivačními médii připravenými na bázi sulfitových výluhů, kyselých dřevných hydrolyzátů a předhydrolyzátů neb jejich směsí, přičemž se pomocí produktů alkalicko-kyslíkové hydrolýzy lignocelulosových materiálů koriguje pH, a to buď úplně nebo parciálně před anebo v průběhu fermentace, a feřmentační proces se může vést ve dvou až třech stupních.The culture medium, i.e. the alkaline-oxygen hydrolysis products of the lignocellulosic materials, can also be fermented together with the culture media prepared on the basis of sulphite leaches, acid wood hydrolysates and pre-hydrolysates or mixtures thereof, whereby the pH is corrected by alkaline-oxygen hydrolysis products of lignocellulosic materials. completely or partially before or during fermentation, and the fermentation process can be conducted in two to three stages.

Podle předmětného vynálezu je možno využívat větší část odpadních vod z prvých stupňů bělení - zušlechťování celulózy, kdy prvý stupeň alkalicko kyslíkového zušlechtění se zařazuje před konečným stupněm bělení (například za použití chlóru). Při tomto alkalicko kyslíkovém zušlechtění, který je určitým typem bělícího procesu, se odstraňuje z nebělené celulózy cca 50 až 70 % zbylých nežádoucích organických látek včetně menších množství celulózy.According to the present invention, most of the waste water from the first bleaching stages - cellulose upgrading - can be used, wherein the first alkali-oxygen upgrading stage is included before the final bleaching stage (for example using chlorine). With this alkaline-oxygen treatment, which is a type of bleaching process, about 50 to 70% of the undesirable organic substances, including smaller amounts of cellulose, are removed from unbleached cellulose.

i Tyto odpadní vody je možno podle předmětného ' , patentu využít k mikrobiosyntéze proteinů po ^příslušné úpravě pH a živení buď přímo anebo Je j v technologickém procesu cílevědomě recirkulovát | a mísit s primárním odpadem vznikajícím v sulfitoΪ vé celulózce, tj. se sulfitovým výluhem. Tímto způsobem je možno skutečně maximálně využít i dřevnou hmotu přešlou do odpadu a finálně ji f společně likvidovat.According to the patent, these waste waters can be used for protein microbiosynthesis after appropriate pH adjustment and feeding either directly or can be purposefully recirculated in the process. and mixed with the primary waste produced in the sulphite pulp mill, ie the sulphite liquor. In this way, it is indeed possible to make the most of the wood material transferred to waste and finally dispose of it together.

) Společné využití produktů obsažených ve výluí zích a v odpadních vodách ze zušlechtění celulózy ” přináší sebou i další výhody, které lze spatřovat , v souběžné utilizad některých uhlíkatých látek výhodnějšími metabolickými drahami směřujícími k mikrobiosyntéze proteinu. Kromě toho produkty vzniklé při zušlechtění celulózy jsou vázány na alkalickou komponentu a jejich utilizací dochází k uvolňování alkalií, které jsou zapotřebí ke korekd hodnoty pH samotného sulfidového výluhu. .“The combined use of products contained in extracts and waste waters from cellulose refining” brings other benefits that can be seen in the concomitant utilization of some carbonaceous substances through more favorable metabolic pathways leading to protein microbiosynthesis. In addition, the products resulting from the refining of cellulose are bound to the alkaline component and their utilization releases the alkali required to correct the pH value of the sulfide extract itself. .

, -i ,, -i,

Příklady provedení:Examples:

Přikladl m³ odpadní vody ze zušlechťování sulfátové celulósy alkalicko-kyslíkovým způsobem a obsa-1 hem 142 kg org. látek, z toho 104 kghydroxykyselin se upraví pomod kyseliný sírové na pH 6,0, i přidá se 15,25 kg síranu amonného, 4,35 kg 38% kyseliny fosforečné, 1,7 kg síranu draselného i a 0,8 kg síranu hořečtaného krystalického. Po rozpuštění se přidá inokulum kvasničné kultury Candida utilis ve formě kvasničného mléka o koncentraci cca 15 % sušiny v takovém množství, aby počáteční koncentrace kvasničné sušiny činilaExample m ^{3 of} waste water from the refining of sulphate cellulose by the alkaline-oxygen method and contained 1 kg of org. substances, of which 104 kg of hydroxy acids are adjusted to sulfuric acid to pH 6.0, 15.25 kg of ammonium sulfate, 4.35 kg of 38% phosphoric acid, 1.7 kg of potassium sulfate and 0.8 kg of magnesium crystalline sulfate are added. . After dissolution, a yeast culture inoculum of Candida utilis in the form of yeast milk is added at a concentration of approximately 15% dry matter in such a quantity that the initial concentration of yeast dry matter is

1,5 g/1 média.1.5 g / l medium.

Médium se fermentuje při 32 °C po dobu 14 hodin ve fermentoru o objemu 20 m³ s turbinovým aeračnim zařízením za současného vhánění komprimovaného vzduchu v množství 5 m³/min.^_1. Po celou dobu se udržuje pH na hodnotě 6,0.The medium is fermented at 32 ° C for 14 hours in a 20 m ³ fermenter with a turbine aeration apparatus while injecting compressed air at 5 m ³ / min. ^_1 . The pH is maintained at 6.0 throughout.

Po ukončení fermentace se médium odstředí, získané kvasničné mléko se na další odstředivce propere a usuší na rozprašovací sušárně. Získá se produkt o sušině 94 % s obsahem 55 % hrubého proteinu s koeficientem stravitelnosti 85 % v množství 48,4 kg.After the fermentation is complete, the medium is centrifuged, the yeast milk obtained is washed on a further centrifuge and dried in a spray drier. A 94% solids product is obtained containing 55% crude protein with a digestibility coefficient of 85% at 48.4 kg.

Příklad 2 m³ magnesiumbisulfitového výluhu (kysájá varianta varného postupu) ze smrkové dřevné; hmoty o obsahu 1450 kg rozpustné sušiny, 115 kg organických látek a 250 kg redukujících látek se: vyvařením zbaví volného kysličníku siřičitého z původní hodnoty 950 mg/1 na 300 mg/1. Poté se pH koriguje čpavkovou vodou (25 %) na hodnotu 4,5. Takto upravený výluh se smísí s 2 m³ roztoku ze „zušlechtění celulózy alkalicko-kyslíkovým postu-Example 2 m ^{3 of} magnesium bisulfite extract (acidic variant of the cooking process) from spruce wood; For example, a mass of 1450 kg of soluble dry matter, 115 kg of organic matter and 250 kg of reducing substances is freed from free sulfur dioxide from the original value of 950 mg / l to 300 mg / l by boiling. Then the pH is corrected with ammonia water (25%) to 4.5. The treated liquor is mixed with 2 m ³ of 'alkaline-oxygen cellulose refining solution'.

Claims

: SUBJECT

Process for the production of microbial proteins from waste material after chemical treatment of wood mass, characterized in that aerobically, on the culture medium, after the pH adjustment and nutrient addition, products of alkaline or acid hydrolysis of lignocellulosic materials are subjected to pressure oxidation with oxygen or oxygen-containing gas. they ferment the protein-forming micro-organisms of the genera Torulopsis, Candida, Cryptococcus, Oidium or mixtures thereof.

Method according to claim 1, characterized in that the culture medium, i.e. the alkaline-oxygen products 209235 pem, contains 38.5 kg of organic substances, of which 31 kg of hydroxy acids. After mixing, the pH is corrected with ammonia water to 6.2, 7.5 kg of diammonium phosphate, 6 kg of K ₂ SO _{4 are added,} and after mixing transferred to the fermenter.

'To the medium transferred to the fermentor was added an inoculum culture of Candida utilis as a cream yeast in an amount of 24 kg of dry matter such that the initial _{(concentration} in the medium is 2 g of yeast dry matter per liter. After addition of inoculum was fermented for 20 hours at 32 ° C. PH is maintained at a value of 6.0 during the fermentation, using a 25 m ³ tank with a self-priming turbine and an air inlet below the turbine as the fermentation system, with a speed of 200 rpm and air of 10 m ³ / min.

After the fermentation is complete, the resulting biomass is centrifuged, washed twice, thermolysed and dried in a spray drier.

By using a mixture of both types of culture medium, 132 kg of 92% solids product is obtained containing 52% crude protein with a digestibility index of 80%.

(By way of comparison, fermentation of the magnesium bis-bisulfite extract alone of the same composition alone yields only 112 kg of product of the same composition under the same culture conditions).

OF THE INVENTION The hydrolysis of the lignocellulosic materials is fermented together with culture media prepared on the basis of sulphite leaches, acid wood hydrogels and pre-hydrolysers or mixtures thereof, wherein the pH-corrected products of the alkaline-oxygen hydrolysis of the lignocellulosic materials are either totally or partially before or during fermentation. .

3. Process according to claim 1, characterized in that the fermentation process is carried out in two to three stages.