DD201694A5 - Verfahren zur herstellung von futterhefe und/oder aethylalkohol aus pflanzlichen abfallstoffen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von futterhefe und/oder aethylalkohol aus pflanzlichen abfallstoffen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Futterhefe und/oder Aethylalkohol aus pflanzlichen Abfallstoffen, cellulosehaltigen Materialien pflanzlichen Ursprungs (z.B. auch Papier) und landwirtschaftlichen Abfaellen. Erfindungsgemaess werden die Abfaelle mit verduennter Mineralsaeure und/oder verduennter Lauge in der Waerme vorbehandelt und dann mit dem am 23. September 1980 unter der Nr. CU 28 00199 bei der Ungarischen Nationalen Stammsammlung (OKI) hinterlegten Stamm Candida utilis var. cellulolytica in an sich bekannter Weise fermentiert. Nimmt man die Fermentierung unter aeroben Bdingungen vor, so entsteht Futterhefe, die nach dem Abfiltrieren oder unmittelbar durch Zerstaeubungstrocknung getrocknet werden kann. Wird unter anaeroben Bedingungen fermentiert, so entsteht Aethylalkohol, waehrend eine Fermentierung unter maessiger Belueftung (max. 1 mg Otief 2/1) dazu fuehrt, dass Futterhefe und Aethylalkohol gleichzeitig entstehen.

Description

2359 84 2
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON FUTTERHEFE UND/ODER ÄTHYLALKOHOL AUS PFLANZLICHEN ABFALLSTOFFEN
Anwendungsgebiet der Erfindung; .
Die Erfindung ,betrifft ein Verfahren .zur Herste!- .
Il
lung von Futterhefe und/oder Äthylalkohol aus pflanzlichen Abfallstoffen..
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:
Die Pflanzen, genauer: 25-40 % der Trockensubstanz
pflanzlicher Abfallstoffe -bestehen aus Cellulose» Außerdem enthalten sie noch Lignin in einer Menge von etwa 20-40 % und in geringerer Menge Pentosepolymere., Hexosepolymere sowie weitere anorganische .und organische Stoffe.
A 2240-3916 To - ' -
Zur Verwertung von Pflanzen und pflanzlichen Abfällen durch Fermentation sind, zwei Wege bekannt«. Einer davon ist: die direkte Fermentation der Cellulose mit. Hilfe von celiulosezersetzenden (cellulolytischen) Mikroorganismen. Die andere Möglichkeit, bsstaht darin, die Cellulose, sauer oder enzymatisch zu Glucose- abzubauen und. die erhaltene Glucose zu fermentieren.
Es gibt nur wenige Mikroorganismen, die zur direkten Fermentierung .der Cellulose im Stande sind,- und auch , diese Organismen vermögen die Cellulose nur sehr langsam zu zersetzen.,. Cellulosezersetzende. Mikroorganismen sind zum Beispiel von den Bakterien die Cellulomonas— und Cellovibrio-Arten,, von den Hefen zum Beispiel Myrrothecium verrucaria, Trichoderma viride usw...
Zur Herstellung von Mikrobeneiweiß durch Verwendung cellulosezersetzender Mikroorganismen wurden von Ch.E» Dunlap: (a* Chem., Soc Symp,, Ι97θ) mit den Stämmen Cellulomonas und. Alcaligenes Experimente: vorgenommen.. F., Kargi und M..L* Schuler (-Biotechn.. and: Bioeng* Vol.. XXII, 1567-1600,. Ι98θ) experimentiert en.mit einer Mutation,., ,von Pseudomonas. fluorescens*
Die Versuche zur Herstellung von Mikrobeneiweiß (Single Cell: Protein,.SCP) mit Hilfe von Bakterien und Schimmelpilzen verlieren allmählich an Bedeutung, weil die Verwendung dieser Mikroorganismen als Futtereiweiß unter veterinärmedizinischem- Aspekt zu beanstanden ist.
Die Möglichkeiten zur Verwertung der Cellulose durch Fermentation sind viel breiter, wenn man die Cellulose zuerst, zu Glucose hydrolysiert,, denn die Glucose wird von fast allen .Mikroorganismen assimiliert...
Sholler und Thornes arbeiteten um die Jahrhundertwende als erste ein Verfahren zur totalen Hydrolyse der Cellulose aus... In diesem Verfahren wurden Mineralsäuren
mittlerer Konzentration und Temperaturen über 100 C angewendet. Das Verfahren war demnach sehr energie- ' · · aufwendig, und zu seiner Durchführung wurden säure- und druckbeständige Vorrichtungen gebraucht. Zwar wurde das Verfahren später modernisiert (Säurekonzentration und Druck konnten vermindert werden), jedoch werden neue Fabriken, die nach diesem Verfahren arbeiten, nicht mehr gebaut.
Seit 1950 sind Versuche im Gange, die Cellulose mit Hilfe des von Pilzen erzeugten Enzynis Cellulase zu hydrolysieren (B. Hagerdal u.a..: Biotechn. and Bioeng. XXII, 1515^1526 und 1527-1542, 1980). Zum Hydrolysieren der Cellulose wird im allgemeinen das Enzymsystem von Trichoderma viride verwendet (D. Sternberg, Biotechn. and» Bioeng. Symp. No. 'β, 35-53, 1976.).
Die enzymatische Hydrolyse der Cellulose ist ein teures Verfahren. Es zahlt sich ..im allgemeinen nur dann aus K wenn die durch .die Hydrolyse erhaltene Glucoselösung .zu einem teuren Produkt weiterve'rarbeitet werden kann. ,., ... ί.
Bei der Ausarbeitung des erf induncj'sgemäßen Verfahrens wurde , ,davon ausgegangen,, daß, zur Herstellung von SCP nur Mikroorganismen verwendet werden können,, die für die Zwecke der Tierfütterung akzeptierbar sind und außer dem Lignin, eine breite Skala pflanzlicher Komponenten verwerten können.
Die zu den Arten Candida und Torulopsis gehörenden utilis .Spezies werden als Futterhefen seit üahrzehnten verwendet. Diese bekannten Hefearten können weder das Lignin noch die Cellulose zersetzen. Auch in der Literatur ist bislang keine Hsfeart beschrieben -worden., die im Stande ist, Cellulose zu zersetzen.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß der
1978 mit genetischen und Stammselektionsmethoden isolierte: Stamm von Candida utilia fähig ist;, die hydra — tierte und partiell- degradierte Cellulose abzubauen. Zum Hydratieren und Degradieren der Cellulose wurde ein einfaches Vorbehandlungsverfahren ausgearbeitet, mit dessen Hilfe aus dem cellulosehaltigen Material eine für den genannten Hefestamm geeignete Nährlösung hergestellt ,.werden kann·,.,,
Darlegung des Wesens der Erfindung:
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren
ti
zur Herstellung: von Futterhefe und/oder Äthylalkohol aus pflanzlichen Abfallstoffen« Für das Verfahren ist kennzeichnend,. daß man den mit verdünnter Mineralsäure und/oder verdünnter Lauge vorbehandelten pflanzlichen Abfallstoff mit dem am 23>. September 1980 unter der Nummer CU 28 00199 bei der Ungarischen Nationalen. .Stammsammlung-. (0Kl): hinterlegten-Stamm Candida utilis var. ce.llulo.lyti.ca. unter aeroben oder anaeroben Bedingungen; in an: sich ,bekannter Weise· fermentiert*
Der' Stamm.CU 28 wurde .aus einem Feldstamra isoliert,.. Etwa. ;l,-g verrottetem Holz: wurde mit 9- ml steriler physiologischer Kochsalzlösung homogenisiert,- Aus der Lösung wurde; eine, dezimale Verdünnungsreihe: bereitet, mit der CMC-haltiger .Sabouraud-Agar beimpft wurde*(Der Carboxymethylcellulose enthaltende..Sabouraud-Agar entspricht in der Zusammensetzung dem Nährmedium Qxoid CM 41 mit dem Unterschied, daß er statt Dextrose Carboxymethylcellulose .enthält«) Die Platten .wurden bei 25, 30 beziehungsweise 37 C' 72 Stunden lang iinkubiert*, Mit zellmorphologischen Methoden wurden die auf den Platten gewachsenen Hefekulturen ausgewählt und auf ein Glucose und Carboxymethylcellulose enthaltendes Nährmedium der folgenden Zusammensetzung überimpft«
L ό D a ö k I
Beef-Extract (Difko) 5,0 g : '. ''"
Glucose 7,5 g
Carboxymethylcellulose . 7,5 g.
Bacto pepton (Difco) . 4,0 g
Yeast extract (Oxoid L 21) 1,0 g
Kaliumdihydrogenphosphat 0,2 g
Dikaliumhydrogenphosphat 0,15 g
Natriumdihydrogenphosphat 2,0 g
Dinatriumhydro.genphosphat 1,5 g
Magnesiumsulfat 0,3 g ;
Zinksulfat . 0,1 g
Ammoniumsulfat 3,0 g
Eisen(lll)chlorid . u . 0,1 mg
Kupfersulfat .,... 0,6 mg
Manganchlorid. 0,15 mg.
Kaliumiodid .... 0,05 mg
Borsäure ' 0,1 mg
Agar-agar :.. 15 g Wasser ad 1 Liter
Mit den üblichen ...Reinigungsverfahren" wurden aus einer einzigen Zelle stammende- Kulturen gezüchtet und auf Glucose und Carboxymethylcellulose enthaltendem •Nährmedium ,auf rechterhalten. Von diesen Isolaten wurde-, diejenige .Kultur ausgesucht, die die Carboxymethylcellulose am besten abbaute. -
Die Synchronkultur dieses Stammes wurde 1978 einer mutagenen Behandlung unterzogen, und zwar wurde eine N-Methyl-Nrnitroso-N'-nitroguanidin-Konzentration angewendet, bei der die Anzahl der lebenden Keime um wenigstens drei Größenordnungen absank. Die überlebenden Zellen wurden in einem Carboxymethylcellulose enthaltenden flüssigen .Nährmedium segregiert und auf festen, CMC-haltigen Sabouraud-Nährboden .überimpft. Die Cellulase-
Aktivität (d„h,- die hähigkeit , Cellulose zu zersetzen). der erhaltenen Mutantenkolonien wurde mit Dinitro-salicylsäure bestimmt, und der Stamm mit der größten Cellulase-Aktivität (Candida, utilis var.. cellulolytica) wurde ausgewählt, und unter, der Nr0 00199 bei der Nationalen Mikroorganismensammlung des Landesinstitutes für Gesundheitswesen (Orszägos Közegeszsegügyi Intezet Mikroorganizmusok Nemzeti Gyüjtemenye) hinterlegt*
Die Zellen des, genannten Stammes haben ellipsoide Form, der kleine Durchmesser liegt zwischen 2",5-4,5 ,um, der große Durchmesser zwischen 4,.5-7,5,Um, Der Stamm bildet weiße,, konvexe Kolonien mit glänzender Oberfläche und glatten Rändern*. -
Zur Hydratierung und partiellen Degradierung wird die Cellulose mit verdünnter Mineralsäure.und/oder verdünnter Lauge- bei Temperaturen zwischen 80 und 100 C abhängend: von der Art. des. pflanzlichen Abfalls 0,5-5 Stunden lang behandelt« Säure und Lauge haben eine Konzentration von 0,5-10 Gew--%,
Die optimale Konzentration sowie Temperatur und Zeitdauer der Vorbehandlung werden in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung und der Struktur des pflanzlichen .Abfalls für jeden Fall einzeln bestimmt,.
Abhängend von der Art des pflanzlichen Abfalls können wenigstens 25-60 % durch Biokonversion zu Futterhefe beziehungsweise Athylalkoh 1. umgewandelt werden, Im folgenden wird ein Vergleich zwischen dem für die Herstellung von Futterhefe üblichen Stamm Torulopsis utilis und dem erfindungsgemäß verwendeten Stamm Candida utilis var. cellulolytica gezogen. In der Tabelle sind die aus 100 kg trockenem Rohstoff gewinnbare Menge an getrockneter Futterhefe in kg und die Menge des aus 100 kg
Ό Η
ο trockenem Rohstoff gewinnbaren Äthylalkohols in hl (in Liter absolutem Alkohol ausgedrückte Ausbeute) an-' gegeben.
Ausgangsstoff und Produkt . Ausbeute
Candida utilis Torulopsis var. cellulo- utilis lytica
Futterhefe aus Stroh 9,6-11,2 6,4-7,8
Äthylalkohol aus Stroh 12,0-13,0 8,2-9,4
Futterhefe aus
Zeitungspapier 13,2-14,0 . 8,6-9,2'
Äthylalkohol aus
Zeitungspapier 13,6-14,0 8,6-9,2
Futterhefe aus Kenaf 16.,0-18,0 9,2-10,0
Äthylalkohol aus Kenaf : 20,0-22,0 11,4-12,2
Futterhefe und Äthylalkohol aus Kenaf 9,0-10,0 4,0-5,0
8,0-10,0 3,5-4,5
Futterhefe aus dem im Verhältnis 75:25 bereiteten . 18,0-19,0 9,8-10,6 Gemisch von Zuckerrohrabfall und Bagas
Äthylalkohol aus dem im
Verhältnis 75:25 berei- 22,0-23,6 12,2-13,6
teten Gemisch von, Zucker- : . rohrabfall und Baqas
- Kensf ist eine Faserpflanze, Bagas der nach dem Auspressen des Zuckerrohres zurückbleibende Rest» Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele
näher erläutert ,' ist jedoch nicht auf diese Beispiele besch rankt,
Beispiel 1
1000 Gewichtsteile Kenaf werden in einer Hammermühle auf eine Teilchengröße von 1-2 mm gemahlen» Zu
dem Material werden 9000 Gew.-Teile 3,2 %ige Schwefelsäure gegeben, und das Gemisch wird in einem säurefesten Behälter bei 96 C 120 Minuten lang wärmebehandelt Dann werden 7,2 Gew.-Teile Superphosphat und 4,0 Gew..~ Teile technisches Ammoniumsulfat zugesetzt und aufgelöst. Die Lösung wird zentrifugiert, ihr pH-Wert mit technischer Natronlauge auf 6,5 eingestellte. Die auf diese Weise hergestellte Nährlösung wird auf 37 C gekühlt und im Verhältnis 1:100 mit einer pro Milliliter Zellen enthaltenden Vorkultur von Candida utilis var. cellulolytica inokuliert.
Die Vorkultur wird folgendermaßen hergestellt. . Glucose 7,5 g
Carboxymethylcellulose 7,5 g
(wasserlöslich)
Kaliumdihydrogenphosphat 0,2 g
Dikaliumhydrogenphosphat 0,15 g
Natriumdihydrogenphosphat-monohydrat 2,0 g. Dinatriumhydrogenphosphat 1,5 g
Magnesiumsulfat-heptahydrat 0,3g
Zinksulfat . 0,1 g
Ammoniumsulfat 3,0 g
Beef Extract (Oifco) 5,0 g
Bacto Pepton 4,0 g
Yeast Extract (Oxoid L 21) ,- .,,,.,,, -;.^ ,;.,.,·.. 1,0. g Eisen(lll)chlorid-hexahydrat 0,1'mg
Kupfersulfat-pentahydrat 0,6 mg
Manganchlorid-tetrahydrat 0,15 mg
Kaliumiodid 0,05 mg
Borsäure · 0,1 mg
werden .in 1 Liter destilliertem Wasser gelöst. Die Lösung wird .in mit Wattepfropfen verschlossenen Kolben bei 105 C eine Stunde lang sterilisiert. Die Nährlösung.wird bei 37 0C.mit 10 ml einer 24 Stunden alten.
235 9
Suspension von Candida utilis var, celulolytica beimpft und dann bei 37 C inkubiert.. Mit der pro" ml IO Zellen enthaltenden Suspension wird die Nährlösung der Hauptkultur beimpft.
Die Fermentierung erfolgt unter Belüftung mit einem Sauerstoffüberschuß von 1-2 mg Op/1, Im Falle diskontinuierlicher Fermentierung dauert die Fermentierung 36-40 Stunden, Am Ende der Fermentierung (nach Erreichen der maximalen Keimzahl) kann die Hefe auf einem Vakuumtrommelfilter oder einer Filterpresse abfiltriert oder aber durch Zerstäubungstrocknung direkt getrocknet werden.
Aus 100 kg Kenaf können auf die beschriebene Weise 16-18 kg getrocknete Futterhefe gewonnen werden,
Beispiel 2 .
Man arbeitet auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise mit dem Unterschied, daß man unter anaeroben Bedingungen, ohne Belüftung fermentiert.. Die Fermentierung dauert 46-50 Stunden, Die aus der Fermentbrühe abdestillierbare Alkoholmenge beträgt - umgerechnet in absoluten Alkohol- 20,0-22,0 Liter.
Beispiel 3
Man arbeitet auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise, verwendet jedoch als Rohstoff statt Kenaf Stroh. Vorbehandelt wird mit 3,7 %iger Schwefelsäure bei 98 0C 38 Minuten lang. Nach dem Filtrieren wird der Rückstand bei 98 °C 42 Minuten lang mit 2,8 %iger Natronlauge behandelt« Sowohl Säure wie Lauge fanden in einer Men'ge von 4500 Gew,-Teilen Verwendung, Fermentiert wird bei pH 6,3 46 Stunden lang. Aus 100 kg trockenem Stroh rden .9,6-11,2 kg trockene Futterhefe erhalten.
£ÖD
Beispiel 4
Man arbeitet auf die im Beispiel 3 beschriebene Weise mit dem Unterschied, daß man die Fermentierung ohne Belüftung, unter anaeroben Bedingungen vornimmt, Nach 52stündiger Fermentierung wird die Kulturbrühe destilliert, Auf absoluten Alkohol umgerechnet werden aus 100 kg Stroh 12-13 Liter Alkohol erhalten»
Beispiel 5 ,
Man arbeitet auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise, verwendet aber statt Kenaf als Ausgangsstoff Zeitungspapier, Dieses wird bei 98 0C mit 3,5 %iger Natronlauge 68 Minuten lang vorbehandelt* Die Fermentie rung dauert 54 Stunden.. Aus 100 kg Zeitungspapier werden 13,2-14,0 kg trockene Futterhefe erhalten,
Beispiel 6
Man arbeitet auf die im Beispiel 5 beschriebene Weise mit dem Unterschied, daß man die Fermentierung ohne Belüftung, unter anaeroben Bedingungen vornimmt. Nach 60 Stunden Fermentierung kann aus 100 kg Zeitungspapier Alkohol in einer Menge von 13,6-14,0 Liter (abs,), gewonnen werden, .
Beispiel 7'
Man arbeitet auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise mit dem Unterschied, daß man als Ausgangsstoff ein Gemisch, aus 75 Teilen Zuckerrohr-Ernterückständen und 25 Teilen Bagas verwendet., Vorbehandelt wird bei 96 0C mit 2,8 %iger Schwefelsäure 150 Minuten lang. Die Fermentierung dauert 40-44 Stunden» Aus 100 kg des genannten Gemisches können 18-19 kg trockene Futterhefe hergestellt werden.,.
Beispiel 8
Man arbeitet auf die im Beispiel 7 beschriebene Weise mit dem Unterschied, daß man die Fermentierung
unter anaeroben Bedingungen, ohne Belüftung vornimmt,. Die Fermentierung dauert 50-56 Stunden» Aus 100 kg des Ausgangsmaterials können 22,0-23,6 Liter absoluter Alkohol hergestellt werden. -
Beispiel 9 .
Man arbeitet auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise, belüftet die Kultur jedoch mit einem Sauerstoffüberschuß von 0,2 mg Op/1· In diesem Fall werden aus 100 kg Kenaf 9-10 kg getrocknete Futterhefe und 8-10
11..
Liter abs. Äthylalkohol erhalten.

Claims (5)

  1. Erfindungsanspr-uch
    1* Verfahren zur Herstellung von Futterhefe und/oder
    Äthylalkohol aus pflanzlichem, landwirtschaftlichen und/oder industriellem Abfall, dadurch gekennzeichnet, daß man den Abfall mit verdünnter Mineralsäure und/oder verdünnter Lauge vorbehandelt und dann mit dem am 23, September 1980 unter der Nr. CLJ.28 00199 bei der Ungarischen Nationalen Stammsammlung (OKI) hinterlegten Stamm Candida utilis varo cellulolytica unter aeroben oder anaeroben Bedingungen in an sich bekannter Weise fermentiert.
    2„ Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet , daß man als Ausgangsstoff landwirtschaftliche Mutzpflanzen und/oder wild wachsende Pflanzen oder deren Abfälle verwendet«
    3« Verfahren nach Pufl^^ __1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsstoff cellulosehaltigen industriellen Abfall verwendet*
    4, Verfahren nach einem der Punkte 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Pflanzen, den landwirtschaftlichen und den cellulosehaltigen industriellen Abfall mit 0,5-10 %iger, vorzugsweise 0,5-4,0 %iger Mineralsäure und/oder mit 0,5-10 %iger, vorzugsweise 0,5-4,0 %iger Lauge vorbehandelt.
    5. Verfahren nach einem der' Punkte 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vorbehandlung bei 80-100 0C, vorzugsweise 90-98 C, vornimmt.
    6«. Verfahren nach einem der Punkte 1-5, dadurch ,gekennzeichnet , daß man 0,5-5 Stunden, vorzugsweise 0,5-3 Stunden lang vorbehandelt.
    Ίο Verfahren nach einem der I - Punkte^ 1—6., dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentierung bei 33-39 0C,-vorzugsweise bei 35-37 C, vornimmt,
    8· Verfahren nach einem der j- . -Punkte JX-7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentierung diskontinuierlich oder kontinuierlich vornimmt.
  2. 9. Verfahren nach einem der! Punkte 1-8, dadurch
    gekennzeichnet, daß im Falle diskontinuierlicher Fermentation die Fermentationsdauer abhängend von dem Ausgangsmaterial 16-721 Stunden, vorzugsweise 16-50 Stunden,
    bet ragt. :
  3. 10. Verfahren nach einem der! 'Punkte -51-9 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Futterhefe während der Fermentierung der . Gehalt der Ferment brühe an freiem Sauerstoff 1,0-4,0 mg O2/!,, vorzugsweise 1,5-2,5· mg 02/l, beträgt, . . . .;
  4. 11. Verfahren nach einem der j: '^^unkfee^ 1-9 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Äthylalkohol die Fermentierung unter anaeroben Bedingungen vorgenommen wird« . ' . '. · - .
  5. 12. Verfahren nach einem der[j-jtolc^jl-9, dadurch gekennzeichnet, daß zur parallelen Herstellung von Futterhefe und Äthylalkohol die.Fermentbrühe so belüftet wird, daß ihr Gehalt an freiem Sauerstoff 0-1 mg 02/l bet rag t-.
DD81235984A 1980-12-23 1981-12-21 Verfahren zur herstellung von futterhefe und/oder aethylalkohol aus pflanzlichen abfallstoffen DD201694A5 (de)

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