DE2541960A1 - Verfahren zur herstellung von alkohol aus cellulose - Google Patents

Description

DR. KURT JACOBSOHN D - 8042 OBERSCHLEISSHEIM

PATENTANWALT Freisinger Straße 29 · Postfach / P.O.B. 58

19. September 1975

3 PG

BIO RESEARCH CENTER COMPANY, LIMITED Tokio, Japan

Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus Cellulose

Für diese Anmeldung wird die Priorität vom 20. September 1974 aus der japanischen Patentanmeldung 49/109335 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkohol in hohen Ausbeuten aus Cellulose als Substrat.

Bisher hat man die Herstellung von Alkohol (Äthanol) nach einem Verfahren versucht, bei dem in der ersten Stufe eine Cellulase auf das Cellulosesubstrat einwirken gelassen wurde, um die Cellulose enzymatisch zu Glucose zu verzuckern, und in der zweiten Stufe gesondert die entstandene Glucose mit einem alkoholerzeugenden Mikroorganismus zu Alkohol umgesetzt wurde. Bei diesem bekannten Verfahren erzielt man nur einen niedrigen Umwandlungsgrad der Cellulose zu Glucose durch Einwirkung der Cellulase, und mithin fallen grosse Mengen von nicht-umgewandelter Cellulose als Rückstand an. Wenn man daher das Produkt einer solchen Behandlung von Cellulose mit Cellulase als Ausgangsgut für die Fermentation zu Alkohol verwenden will, muss man die Glucose, z.B. durch Filtration, von dem Produkt trennen. Es besteht also ausser dem Nachteil, dass die Glucosekonzentration in der verzuckerten Flüssigkeit infolge

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des niedrigen Umwandlungsgrades von Cellulose zu Glucose nur ' gering ist, bei der Herstellung von Glucose nach dieser bekannten Methode die Möglichkeit, dass Glucose bei dem oben beschriebenen Trennvorgang verlorengeht. Infolgedessen erhält man nur geringe Alkoholausbeuten, wenn man die verzuckerte Flüssigkeit fermentiert.

Es wurde nun gefunden, dass man höhere Alkoholausbeuten aus Cellulose erhalten kann, wenn man die Cellulose, eine Cellulase und einen alkoholerzeugenden Mikroorganismus gleichzeitig unter anaeroben Bedingungen umsetzt.

Es wird angenommen, dass die Glucoseausbeuten bei der herkömmlichen Verzuckerung von Cellulose zu Glucose mit Hilfe einer Cellulase deshalb so gering sind, weil die Reaktion nicht nur durch die sich bildende Glucose, sondern auch durch die als Nebenprodukt entstehende Cellobiose gehemmt wird. Es ist daher anzunehmen, dass die gleichzeitige Anwesenheit eines alkoholerzeugenden Mikroorganismus und der Cellulase in dem Reaktionsgemisch im Sinne der Erfindung zur Umwandlung von Glucose in Alkohol führt, so dass die enzymatische Umwandlung der Cellulose in Glucose weiter fortschreiten kann, als es der Fall wäre, wenn die Glucose nicht in diesex· Weise umgewandelt werden würde. Jedenfalls führt die Erfindung dazu, dass die Verzuckerungsreaktion glatt und unter bedeutender Erhöhung der Gesamtausbeute an Alkohol aus Cellulose verläuft.

Wie beschrieben, kennzeichnet sich die Erfindung durch die gleichzeitige Umsetzung einer Cellulase und eines alkoholerzeugenden Mikroorganismus mit einem Substrat, das entweder aus Cellulose oder aus einem Stoff besteht, der vorwiegend aus Cellulose zusammengesetzt ist.

Die als Ausgangsstoffe für das Verfahren gemäss der Erfindung geeigneten Cellulosesubstrate umfassen gereinigte Cellulosen, landwirtschaftliche Erzeugnisse, wie Baumwolle, Holz, Reisstroh, Weizenstroh, Maiskolben, und andere vorwiegend aus Cellulose zusammengesetzte Stoffe, wie Zeitungspapier, Wellpappe, Zeitschriftenpapier und Abfallpapier. Um diese Stoffe in wirksamer Weise als Substrate für die Ver-

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zuckerungsreaktion in Gegenwart von Cellulase verwenden zu können, ist es zweckmässig, sie zu pulvern oder zu zerkleinern. Für die Hydrolyse dieser Cellulosesubstrate genügt die Verwendung einer im Handel erhältlichen Cellulase. Man kann z.B. ein Enzympräparat, wie Cellulase Onotsuga, verwenden. Ebenso kann man eine cellulasehaltige Flüssigkeit, nämlich eine Kulturflüssigkeit eines cellulaseerzeugenden Mikroorganismus, wie z.B. eine Kulturflüssigkeit von Trichoderma viride, verwenden.

Als gleichzeitig mit der Cellulase anzuwendender alkoholerzeugender Mikroorganismus kann ein Mikroorganismus, wie z.B. Saccharomyces cerevisiae und Rhizopus Javanicus, verwendet werden, die auch bisher schon zur Umwandlung von Glucose in Äthanol verwendet worden sind.

Um das Cellulosesubstrat gleichzeitig mit einer Cellulase und einem alkoholerzeugenden Mikroorganismus umsetzen zu können, wird eine wässrige Suspension hergestellt, die Cellulose oder einen vorwiegend aus Cellulose bestehenden Stoff in Konzentrationen von 1 bis 30 Gewichtsprozent enthält, und diese Suspension wird wärmesterilisiert und mit einer Cellulase (oder einer cellulasehaltigen Flüssigkeit) sowie einem zuvor gezüchteten alkoholerzeugenden Mikroorganismus versetzt, so dass die Reaktion anaerobisch bei Temperaturen von etwa 25 bis 35° C verläuft.

Wenn die Umsetzung, wie oben beschrieben, durchgeführt wird, kann man, wie nachstehend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert wird, eine etwa viermal so hohe Alkoholausbeute erzielen wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren. Die Erzeugung von Alkohol aus Cellulose nach dem Verfahren gemäss der Erfindung bietet den weiteren Vorteil, dass sie in einem einstufigen Arbeitsgang erfolgt. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Methode, die aus zwei Stufen besteht, nämlich aus der Verzuckerung eines Cellulosesubstrats mit einer Cellulase, der Abtrennung des Verzuckerungsprodukts durch Filtrieren und der anschliessenden Fermentierung des verzuckerten flüssigen Filtrats, erfolgen bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Verzuckerungsreaktion eines Cellulose-

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Substrats mit einer Cellulase und die alkoholische Gärung der bei der Verzuckerungsreaktion entstandenen Glucose gleichzeitig in einer Stufe. Die Arbeitsweise gemäss der Erfindung hat also einen hohen Wirkungsgrad.

Da bei dem vorliegenden Verfahren Alkohol in wirksamer Weise aus Cellulose, aus landwirtschaftlichen Erzeugnissen oder aus Abfällen, die vorwiegend aus Cellulose bestehen, erzeugt wird, bringt die Erfindung nicht nur hinsichtlich der Herstellung von Alkohol, sondern auch hinsichtlich der wirksamen Ausnutzung von Cellulosequellen einen erheblichen technischen Fortschritt mit sich.

Beispiel

Ein Substrat wird hergestellt, indem man 12,5 g Holzzellstoff (mit einem Cellulosegehalt von 80 Gewichtsprozent) in 100 g Wasser suspendiert, die 0,25 g Asparagin als Stickstoffquelle, 0,1 g Monokaliumphosphat (KH₂PO^), 0,3 g Magnesiumsulfat (MgSO^yH₂O) und 0,02 g Hefeextrakt in Lösung enthalten= Das Gemisch wird mit einem Acetatpuffer auf einen pH-Wert von 4,0 eingestellt und dann wärmesterilisiert, Zu dem Gemisch werden 1 g handelsübliche raffinierte Cellulase und zwei Platinschleifen voll Mycel von Saccharomyces cerevisiae zugesetzt, das direkt aus einem Agar-Schrägröhrchen entnommen worden ist, und das Gemisch wird 96 Stunden anaerob bei 30 C reagieren gelassen. Wenn das Reaktionsgemisch zu diesem Zeitpunkt analysiert wird, wird die Bildung von 2 g Alkohol in dem Substrat festgestellt. Wenn die Reaktion weitere 96 Stunden fortgesetzt wird, bilden sich schliesslich 4 g Alkohol.

Zu Vergleichszwecken wird die Herstellung von Alkohol nach- dem nachstehend beschriebenen Verfahren gemäss der herkömmlichen zweistufigen Methode durchgeführt:

Zu einer Substratsuspension von Holzzellstoff in Wasser in den oben angegebenen Mengen setzt man 1 g der gleichen handelsüblichen raffinierten Cellulase zu und lässt das Gemisch 96 Stunden bei 40° C reagieren. Die Menge an reduzierendem Zucker in der so erhaltenen verzuckerten Flüssigkeit beträgt

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5 g, wovon 6θ % (3 g) aus Cellobiose und die restlicin-n c. g aus Glucose bestehen. Wenn die Reaktion weitere 96 Stunden fortgesetzt wird, ändert sich die Menge an reduzierendem Zucker nicht weiter. Die so erhaltene verzuckerte Flüssigkeit wird mit der gleichen Stickstoffquelle, dem gleichen Phosphat und den übrigen anorganischen Salzen, wie oben beschrieben, gemischt und das Gemisch wärmesterilisiert. Dann wird zu dem Gemisch Saccharomyces cerevisiae zugesetzt, worauf man die Fermentation durchführt. Nach beendeter Gärung beträgt die Menge des entstandenen Alkohols etwas weniger als 1 g.

Da in diesem Falle der als Fermentationssubstrat dienende Glucosegehalt der verzuckerten Flüssigkeit 2 g beträgt, hätte die Ausbeute an Alkohol maximal nicht mehr als 1 g betragen können.

Aus dem obigen Vergleichsversuch ist zu ersehen, dass die Erfindung die Erzeugung von Alkohol in Ausbeuten ermöglicht, die bedeutend höher sind als diejenigen, die nach der bekannten zweistufigen Methode erhältlich sind.

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Claims (2)

Bio Research Center Company, Ltd. Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus Cellulose, bei dem Cellulose enzymatisch durch eine Cellulase zu Glucose verzuckert und die Glucose in Gegenwart eines alkoholerzeugenden Mikroorganismus zu Alkohol fermentiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass man die Cellulose, die Cellulase und den alkoholerzeugenden Mikroorganismus gleichzeitig unter anaeroben Bedingungen umsetzt»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man dii

führt.

man die Umsetzung bei Temperaturen von 25 bis 35 C durch-

3« Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine aus Trichoderma viride gewonnene Cellulase verwendet und als alkoholerzeugenden Mikroorganismus Saccharomyces cerevisiae einsetzt.

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