CS231793B1 - Sposob mikrobiálně] utilizácie lignocelulózového komplexu - Google Patents

Abstract

Sposob mikrobiologickej utilizácie lignocelulózového komplexu. Vynález se týká oboru chémie a biochémie ligninu, sacharidov ako aj ochrany životného prostredia. Účelom vynálezu je odbúranie lignocelulózového komplexu jednak za podmíenok experimentu, jednak ako technologického kroku odbúrania zložiek lignocelulózového odpadu vznikajúceho pri výrobě buničiny, a to aj za podmíenok progresívnej technologie termomechanického spracovania. Uvedeného účinku sa dosiahne pomocou mikroskopických húb zo skupiny vodných hyfomycet, ktoré majú schopnost degradovat lignin a produkovat celulolytické, xylanolytické a β-mainanolytické enžýmy, pričom sa získá ich biomasa. Biomasu vodných hyfomycet možno získat v množstve okolo 30 % suchej hmotnosti vzhtadom na východzí lignocelulózový komplex. Vynález má využitie v technickej mikrobiologii, taxonomii, chemii a biochemii ligninu a sacharidov a v ochraně životného prostredia.

Description

231793

Vynález sa týká mikrobiálně]' utilizácielignocelulózového komplexu, celulózy, lig-ninu a hemicelulóz pomocou mikroskopic-kých háb zo skupiny vodných hyfomycet.

Biologická utilizácia lignocelulózovéhokomplexu představuje dóležitý technologic-ký problém nielen z hladiska využitiapředmětného materiálu k nutričným áče-lom, ale aj z híadiska ekologického, nakoí-ko pri spracovaní drevnej hmoty na buni-činu dochádza aj u najmodernejších postu-pov k uvolňovaniu vodorozpustných frag-mentov ligninu, celulózy a hemicelulóz. Bio-logická utilizácia uvedeného komplexnéhomateriálu vyžaduje přítomnost organizmov.schopných produkovat enzýmové systémyštepiace a utilizujúce lignocelulózový kom-plex ako celulózu (/3-1,4-glukán glukáno-hydrolázu EC 3.2.1.4), celobiohydrolázu(EC 3.2.1.— ), xylanázu (,6-1,4-xylan xylá-nohydroláza EC 3.2.1.8), /3-mananázu (./3--1,4-manán manánohydroláza EC 3.2.1.78),enzýmy schopné štěpit aromatické zložkyligninu (tyrozináza EC 1.10.3.1, laktázaEC 1.10.3.2, peroxidáza EC 1.11.1.7) ale ajglukozidázy (/3-glukozidáza EC 3.2.1.21, a--glukozidáza EC 3.2.1.20) zodpovědné zaodštepenie aromatických zložiek ligninu via-zaných «- a /3-glukozidickou vazbou (akonapr. /3-glukopyranozidy valínu, eugenolu,4-OH-3-O-metyl benzylmetylketónu, pir.o-rezinolu a pod.) [Joniak D., Košíková B.:Chemické zvěsti 28, 110 (1974), Košíková B. , Joniak D.: Cellulose Chem. Technol 1.0,695 (1976)j. Produkcia týchto enzýmov jepopisovaná u vlacerých organizmov, nie jevšak sledovaná v celkovom komplexe [fr.patent 2 385 730, Ciaramitaro D., Steelink C. : Phytochemistry 14, 543 (1975), RoschR., Liese W., Berndt H.: Arch. Mikrobiol 67,28 (1969)].

Schopnost mikroorganizmov produkovatkomplexný enzýmový systém degradujúcilignin, celulózu a hemicelulózové zložkydřeva je však podstatné rozšírenejšia akoby sa dalo usudzovať z malého počtu publi-kácií v tejto oblasti. Pomocou gélovej me-tódy testovania mikroorganizmov na poly-sacharid hydrolázy (a. o. č. 186 059) a mo-delov lignocelulózového materiálu jednakna báze /3-glukozidov vanilínu, eugenolu,izoeugenolu, 4-OH-3-O-metyl-benzyl-metyl-ketónu a di-/3-D-glukopyranozid pinorezi-nolu, jednak α-D-glukopyranozid metyl-4,6--O-vanilidenu a obdobné deriváty anizyli-dénu, syringylidénu, veratylidénu a -(1-(4--OH, 3-O-metylbenzylidénu] a éterické de-riváty 3-O-anizyl-D-glukózu, 3-O-veratryl--D-glukózu, ďalej vodorozpustného ligninupřipraveného z pletivových kultúr smrekaobyčajného (Picea excela Link) [Zemek J.,Strmen J., Hricová D.: Z. Pflanzenphysiol 77,95 (1976)] a [Brauns F. E., Brauns D. A.:The Chemistry of Lignin (1960}, AcademiePress New York, str. 87], a aj vodorozpust-ného odpadu bohatého na lignínové zložkyzískaného pri termomechanickom spracova- ní drevnej hmoty na buničinu [Košíková B.,Joniak D., Polčín J.: Cellul. Chem. Technol.(v tlači) 1982] sme zistili výrazná schop-nost utilizácie lignocelulózového komplexupredovšetkým u mikroskopických húb zoskupiny vodných hyfomycet.

Termomechanický výluh představuje v po-rovnaní s výrobou buničiny klasickými spů-sobami značný pokrok v znížení znečistěníodpadových vod. V případe tejto technolo-gie dochádza k rozpúšťaniu zložiek drevnejhmoty v množstve 2 až 5 % v důsledkuuvolnenia jeho štruktúry napařením a rafi-náciou. Vzhfadom na plánovaná realizáciutejto technologie předmětný postup podl'avynálezu perspektivné rieši otázku biolo-gickej likvidácie aj tohto druhu odpadov,nakolko z prehladov sposobov čistenia od-padných vod pri výrobě termomechanické-ho výluhu v zahraničí vyplývá, že zrážaciea flokulačné metody čistenia májá maláúčinnost na rozpustné organické látky[Balhar L.: Perspektivy technol. výrobyvláknin, 7. celopapiernicke dni, BanskáBystrica (1978)].

Podstata vynálezu spočívá v tom, že kulti-váciou nasledovných kmeňov mikroskopic-kých háb zo skupiny vodných hyfomycet, ato:

Alatospora acuminataAlatospora flagellataArticulospora tetracladiaCalcarispora hiemalisCulicidospora gravidaDendrospora erectaGyoerffyella speciozaGyoerffyella rotulaLemomniera aquaticaLemonniera centrosphaeraTricladium splendes CCMF — 732CCMF — 501CCMF — 113CCMF — 110CCMF — 120CCMF — 404CCMF — 401CCMF — 400CCMF — 124CCMF — 149CCMF — 313 jednotlivo alebo ich zmesí vo vodnom pro-středí pri pH 5,0 až 6,5 a teplote 15 až 25°Celsia v přítomnosti zložiek lignocelulózo-vého komplexu ako lignin, celulóza, xylan,mainain sa tieto enzymaticky šte.pia v roz-medzí 24 až 144 hodin a ďalej uvedené or-ganizmy sá schopné utilizovaf vzniknuténízkomolekulové produkty enzýmového od-bárania za tvorby biomasy v množstve 20až 30 °/o hmot. na hmotnost sušiny lignoce-lulózového komplexu. Výhodou uvedeného postupu je komplex-ně spraccvanie lignocelulózového komple-xu za energeticky nenáročných podmienok(teploty do 25 °C) aj vo formě rozpustnýchzložiek, čo umožňuje biologické čistenie od-padných vod obsahujácich lignocelulózovózložky vznikajáce pri výrobě buničiny, a toaj za aplikácie perspektivných technologiíspracovanie drevnej hmoty termomechanic-kým spůsobom priamo v podmienkach eko-systémov vodných tokov. Z hladiska kom-plexnosti využitia biologických odpadov dů-ležitou výhodou je aj přítomnost amyloly-tických enzýmov u uvedených organizmov 5 a schopnosť štepiť lichenan a ďalšie (1 --> 4,3)-jS-D-glukány predovšetkým v přípa-de Tricladium splendes. Všetky uvedenékmene sú ďalej iproducentami extracelulár-nych a proteolytických enzýmov. Příklad 1

Alatospora acuminate CCMF—732, Alato-spora flagellata CCMF—501, Articulosporatetracladia CCMF—113, Culicidcspora gra-vida CCMF—120, Gyoerffyella roíula CCMF-—400, Gyoerffyella speciosa CCMF—401,Lemonniera aquatica CCMF—124, Lemon-niera centrosphaera CCMF—149 a Tricla-dium splendes CCMF—313 sa zaočkujú nagél připravený sletováním hydroxyetylce-lulózy (1 g) 2-chlormetyloxiránom (a. o. č. « 183 169], ponořený do polovice svoje] výš- ky do 5 ml destilovanej vody obohatenejminerálnymi zložkami podlá Vogela [VogelH. J.: Microbiol. Ger. Bull. 13, 42 (1956]]o pH 5,5. Kultivácie prebieha pri teplote20 CC po dobu 3 dní, kedy dochádza v důsled-ku celulolytíckej aktivity k stekuteniu gélu.Takto připravená biomasa vodných hyfo-mycet sa použije ako inokulum na půdupřipravenu z (1 -> 4)-j3-D-xylan (1,2 g](ex Fagus silvatica) sletovaného 2-chlór-metyloxiránom (a. o. č. 186 059). Gél sa po-noří do vody s mineráliami tak ako je uve-dené pre hydroxyetylcelulózu, rovnaké súaj podmienky kultivácie. Po 3 dňoch získa-ná biomasa sa použije k zaočkovaniu gélupřipraveného sieťovaním (1 -> 4)-,S-D-ma-nánu (1 g) (ex Phytelaphas macrocarpe)(a. o. č. 186 059) a kultivácia sa prevádzatak ako v případe gélu hydroxyetylceluló-zy. Takto připravená biomasa sa po steku-tení gélu použije ako inokulum tekutej pů-dy obsahujúcej popři minerálnych zložkách(Vogel) aj vodorozpustný lignin (0,5 g/100ml) připravený extrakciou z biomasy pleti-vové j kultury smreka obyčejného (Piceaexcelsa Link) 20 dňovej. Kultivácia sa pre-vádza po dobu 5 dní pri teplote 20 °C. Taktoi připravená biomasa (0,6 g) sa použije ako zmesné inokulum půdy pripravenej z 2,5 gtermomechanického výluhu a 0,2 g síranuj amonného v 1 litri vody (pH 5,8) a kultivá- cia sa prevádza po dobu 5 dní pri teplote20 °C submerzne bez trepania. Po uvedenejdobě klesne podiel aromatických zložiekligníncelulózového komplexu pod koncen-tráciu 3,5 % východzej hodnoty, podiel cu-korných zložiek klesne pod 2 % východzej hodnoty. 231783 β Příklad 2

Tako ako je uvedené v příklade 1 s týmrozdielom, že namiesto zmesného inokulasa použije monokultura Lemonniera aquati-ca CCMF—124, půdy sa upravujú na pH 5a namiesto vodorozpustného ligninu z Pi-cea excelsa Link sa použije zmes (po 50 mg)(3-D-glukozidu vanilinu, β-D-glukopyrano-zidu-metyl-4,6-O-anizylidénu a 3-O-vera-tryl-G-glukózy v 20 ml minerálnej půdy pó-dia Vogla. Získaná biomasa Lemonnieraaquatica 65 mg sa použije ako inokulumtekutej půdy (250 ml) pripravenej z 0,5 gvodorozpustného ligninu (Picea excelsaLink] obohateného 20 mg karboxymetylce-lulózy, 50 mg xylanu (ex Fagus silvatica)a 50 mg (1 -> 4)-jS-D-mananu z rastlinnejslonoviny (pH 6,5). Kultivácia prebieha priteplote 25 °C po dobu 120 hodin, pričom ob-sah aromatických zložiek ligninu klesnepod 3 % východzej hodnoty a obsah cu-kerných zložiek pod 2,1 %. Příklad 3

Tak ako je uvedené v příklade 1 s týmrozdielom, že namiesto zmesného inokulasa použije kmen Gyoerffyella rotula CCMF-—400. Kultivácia sa prevádza na půdácho pH 5,6, pri teplote 15 °C. Získaná biomasaz poslednej pasáže cez vodorozpustný lig-nin (55 mg) sa použije ako inokulum půdypripravenej z 2,2 g termomechanického vý-luhu obohateného 0,4 g xylánu (ex Fagussilvatica), 0,1 g KH2PO4, 0,3 g síranu amon-ného v 200 ml vody (pH 6) a kultivácia saprevádza pri teplote 18 °C po dobu 144 ho-din. Získá sa biomasa Gyoerffyella rotula0,8 g, pričom aromatické zložky ligninu ter-momechanického výluhu poklesnú o· 96 %a cukorné zložky východzej půdy o 97,5 °/o.

Vynález má použitie nielen v základnomvýskume chemie a biochemie ligninu a sa-charidov, ale predovšetkým v oblasti ochra-ny vodných tokov, nakofko biologické čis-tenie pomocou uvedených organizmov umož-ňuje efektívne cdstránif sacharidické a lig-nínové zložky bez přídavku biogénnychfaktorov, nevyžaduje sa inštalácia dodateč-ného zariadenia v prevádzke, člstenie pre-bieha bez energetických nákladov, všetkypoužité mikroorganizmy sú nepatogénne aneprodukují! toxíny. Všetky mikroskopickéhuby zo skupiny vodných hyfomycet pred-stavujú spontánnu mikroflóru riečnych to-kov a nepredstavujú preto nebezpečenstvoz hladiska ekosystému.

Claims (1)

1. 231793 PREDMET VYNÁLEZU Spósob mikrobiálně]' utilizácie lignocelu-lózového komplexu pomocou mikroskopic-kých húb zo skupiny vodných hyfomycetvyznačený tým, že sa kultivujú následovněkmene: Gyoerffyella speciozaGyoerffyella rotulaLemomniera aquaticaLemonniera centrosphaeraTricladium splendes CCMF — 401CCMF — 400CCMF — 124CCMF — 149CCMF — 313 Alatospora acuminataAlatospora flagellataArticulospora tetracladiaCalcarispora hiemalisCulicidospora gravidaDendrospora erecta CCMF — 732CCMF — 501CCMF — 113CCMF — 110CCMF — 120CCMF - 404 jednotlivo alebo vo zmesi vo vodnom pro-středí pri pH 5,0 až 6,5 a teplote 15 až 25°Celsia v přítomnosti zložiek lignocelulózo-vého komplexu ako lignin, celulóza, xylan,manán o koncentrácii 0,02 až 0,5 % hmot-nostných po dobu 24 až 144 hodin. Severografia, n. p., závod ?, Mosl Cena 2,40 Kčs