DE2709035A1

DE2709035A1 - Verfahren zum aufloesen von kollagenhaltigen abfallstoffen der lederherstellung

Info

Publication number: DE2709035A1
Application number: DE19772709035
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Monsheimer; Ernst Dipl Chem Pfleiderer
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1977-03-02
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1978-09-07
Also published as: IT7867422A0; BR7801230A; DE2709035C2; JPS6152180B2; GB1548140A; IT1111410B; US4293647A; FR2382459A1; JPS53108154A; AR222790A1; FR2382459B1

Description

Put.Dr.Htl/Emm/9

Verfahren zum Auflösen von kollagenhaltigen Abfallstoffen der Lederherstellung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Auflösen von kollagenhaltigen Abfallstoffen der Lederherstellung, wie Hautgchnitte^BloBBfinspalte,. . ,.,. ., - . . , . Iwqppett, 'mte, Maschinenleimleder und dergleichen durch enzymatische Hydrolyse, um das flüssige Hydrolysat danach biologisch abbauen oder gegebenenfalls zu gev/erblich verwertbaren Produkten weiterverwenden zu können.

Der Abbau von Häuten und dergleichen mit Hilfe von proteolytisehen Enzymen ist bekannt, wobei im allgemeinen die gewerbliche Verwertung der dabei entstehenden Produkte Ziel des Vorgehens ist. Bereits 1915 wurde mit dem DRP 303 184 vorgeschlagen, die als "Leimleder" bezeichneten Teile von tierischen Häuten (für die Lederverarbeitung ungeeignete Stücke der Haut, die nach der Enthaarung in den Gerbereien abgeschnitten wurden) derart zu nutzen, daß die mit verdünnter Ätznatronlösung behandelten Abfälle der Einwirkung' proteolytischer Enzyme unterworfen und anschließend in üblicher Weise zu Leim verkocht wurden. Die bei der modernen Gerbereitechnologie auftretenden Abfälle, vor allem das sogenannte Haschinenleimleder, werden aus verschiedenen Gründen, z.B. wegen der Umweltbelastung, vorab wegen mangelnder Rentabilität von der Leiaiinductrie nur noch zögernd aufgenommen. Die auftretenden technischen Schwierigkeiten bei der Beseitigung, wie auch bei der eventuellen Ttfeiterverwertung von kollagenhaltigen Abfallprodukten der LederherGteilung bzw. -Verarbeitung mit Hilfe von proteolytischen Enzymen rühren einmal von den Struktureigen-Gchaftcn des nativen Kollagens her. Es galt die Auffassung, daß die intaktan hclicalen Bereiche des Kollagens nur von Enzymen des Collagenasc-Typs. wirksam gespalten und zur Auflösung gebracht

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QmbH Darmstadt

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v/erden könnten. Saure Proteinasen, wie Pepsin, greifen dieser Auffassung nach ausschließlich den nicht-helicalen Bereich des Kollagens an. Ein Verfahren zur Herstellung von Gelatine aus collagenhaltigem Material unter Mitvcrwendung einer sauren Protease ist in Japan.Patent 70 06 274 vorgeschlagen worden. Die französische Patentschrift 1 450 430 betrifft die Überführung von Collagenfasern mittels saurer proteolytischer Enzyme (z.B. aus Aspcrgillus niger) in einen wasserlöslichen Zustand, aus dem das Protein bei Neutralisation mit im wesentlichen unveränderten physikalischen Kennzeichen wieder ausfällt. Dem französischen Patent zufolge erreicht man bei Einwirkung von Pepsin nur/sehr unvollständiges In-Lösung-Gehen des Kollagens. Es war bereits vorgeschlagen worden, gewisse Typen von neutralen und/oder alkalischen Proteinasen, die nicht Collagcnasc-artig wirken, zur Herstellung eines partiellen Hydrolysate aus Hautctücken zu verwenden (D03 22 52 281).

Es wurde gefunden
herstellung

dergleichen, hinsichtlich ihrer Proteinbestandteile, insbesondere der Proteine mit Collagen-Struktur, durch enzymatische Hydrolyse mittels einer oder mehrerer Proteinasen aufgelöst werden können, wenn solche Proteasen verwendet v/erden, deren normaler Anwendungsbereich im sauren pH-Gebiet liegt (saure Proteasen) und die enzymatische Reaktion im sauren pH-Bereich durchgeführt wird. Als besonders vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich die Hydrolyse von kollagenhaltigen Abfallstoffen der Lederherstellung mittels saurer Proteasen im sauren pH-Bereich in Anwesenheit von Harnstoff herausgestellt. Als Substrat des enzymatischen Abbaus kann sowohl unvorbehandeltes als auch vorbehandeltes, d.h. ganz oder teilweise denaturiertes Hautmaterial verwendet werden. Im engeren Sinne seien unter sauren Proteinasen proteolytisehe Enzyme mit einem normalen Anwendungsbereich zwischen pH 1 und 6, speziell zwischen 3 und 6 - bedingt

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durch das Wirkungsoptimum bzw. die Stabilitätserfordernisse des Enzyms - verstanden.

Dabei spielt die Herkunft der sauren Proteinasen keine entscheidende Rolle. Es können somit aus höheren Tieren und Pflanzen und aus Mikroorganismen gewonnene Enzyme verwendet werden. Besonders genannt seien die sauren Pilzproteinasen, beispielsweise die sauren Proteinasen aus Aspergillus spp (Asp. oryzae, Asp. saitoi, Asp. parasiticus, Asp. usamii, Asp. awamori), aus Paecilomyces sp. (Paeliomyces varioti), Penicillium spp (Penicill. roqueforti u.a.), Acrocylindrium sp., Trametes sanguinea, sowie saure Proteinasen pflanzlichen Ursprungs, wie Papain, Bromelain, Ficin. Genannt seien auch Proteinasen tierischen Ursprungs, wie Pepsin, wenn sie in Kombination mit anderen Proteinasen angewendet werden, sowie die pepsinähnlichen Proteinasen aus Mikroorganismen.

Die Anwendung saurer Proteinasen in Kombination stellt eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung dar. Bevorzugt vrerden dabei die Kombinationen saurer Proteasen pflanzlicher Herkunft mit Pilzenzymen, beispielsweise die Kombination von Papain mit Proteasen aus Aspergillus spp. (Αερ. oryzae, Asp. saitoi, Asp. parasiticus). Vorteilhaft ist, wie erwähnt, auch die Anwendung von Pepsin gemeinsam mit sauren Proteinasen pflanzlicher Herkunft, wie Papain, Bromelain, Ficin oder mit sauren Pilzproteinasen, beispielsweise aus Aspergillus spp. Die zu verwendende Menge an Enzym richtet sich nach Art und Aktivität des Enzyms. Sie liegt in der Regel bei 0,05 bis 5,0 ;-, überwiegend bei 0,01 bis 1 ^,bezogen auf das Gewicht des Substrats.

Saure Protoinasen, wie Pepsin und pepsiniihnliche proteolytische Enzyme, werden bekanntlich durch Harnstoff ab einer gewissen Schv.'ellenkonzentration v/irkungsmäßig beeinträchtigt bzw.

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denaturiert. Diese Schwellenkonzentration 1st In der Regel oberhalb eines Harnstoffgehalts von 1 Mol/l anzusetzen. Bei diesem Sachverhalt war nicht zu erwarten, daß Harnstoff in Konzentrationen wesentlich unterhalb dieses Schwellen wertes die Enzymreaktion überhaupt, sei es positiv oder negativ, beeinflussen würde. Es muß daher als außerordentlich überraschend betrachtet werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die enzymatische Auflösung von kollagenhaltigen Abfallstoffen der Lederherstellung mittels saurer Proteinasen durch Zusatz von Harnstoff in Konzentrationen wesentlich unterhalb des oben definierten Schwellenwertes, sowohl hinsichtlich der Abbaugeschwindigkeit als auch des Abbaugrades, in technisch höchst erwünschtem Maße gefördert wird. Dabei liegt der bevorzugte Bereich bei Harnstoffzusätzen zum enzymatisehen Ansatz zwischen 0,25und 0,01 Mol/l, besonders bei 0,18 bis 0,0 5 Mol/l, IBMMHMHBBHHHHPIHBHVHI Die Mengenangaben 'setzen die erfindungsgemäß vorgesehenen Substrate voraus und sind sovrohl für I'aschinenleim mit einem Wassergehalt von 80 - 90 Gev:-^ air auch für Hautabschnitte mit einem '.Wassergehalt von 30 - 50 Ge w-;! gültig. Im übrigen v/erden zweckmäßigerweice bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die für die einzelnen verwendeten Enzyme vorliegenden Erfahrungen berücksichtig.

Der gewünschte pH-Viert kann in üblicher Weise durch Zugabe geeigneter, enzymatisch unbedenklicher Säuren, saurer Calze, Puffer usv/. eingestellt v/erden. Als Säuren kommen beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Essigsäure und Zitronensäure in geeigneter Konzentration, sowie die sauren Salze der Schwefelsäure und Phosphorsäure in Betracht.

Die Reaktionstemperatur ist bei dem erfindungsgemäßen enzymatischen Verfahren nicht eigentlich kritisch, jedoch richtet man sich zweckmäßig nach den für die einzelnen Proteasen angegebenen Kenndaten. Im allgemeinen werden Reaktionstempe-

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raturen zwischen 20 und 6O⁰C eingehalten. Bei Anwendung von Pepsin sollte beispielsweise dessen pH-Wirkungsoptimum bei pH 2,0 bis 4,0 und die maximal zulässige Temperatur von 5O⁰C eingehalten werden.

Das Verfahren kann erfindungsgemäß in folgender Weise durchgeführt werden:

Bei der Vorbereitung des Substrats für die enzymatische Reaktion muß beachtet werden, daß die kollagenhaltigen Ab fallstoffe der Lederherstellung normalerweise von der voraus-

aschinen-

leimleder usw. werden zweckmäßig vor dem Einbringen in den enzymatischen Ansatz durch Behandlung mit Säuren vorbereitet, um die Beibehaltung des erforderlichen sauren pH im Enzymcnsatz zu gerührleisten. Nach dem Einbringen dec Gutcc und nach überprüfung und gegebenenfalls Einstellen des j>H und der

gegebenenfalls Temperatur auf die gewünschten Vierte, wira/aer Harncxoif und nach dessen Auflösung und erfolgter gleichmäßiger Verteilung die benötigte Snzymmenge zugegeben. Gegebenenfalls kann das Gut auch in" der harnst offhalt igen Lösung vor Zugabt dec linzyras inlcubiert werden.

I.'ährend der enzjonatischen Reaktion kann auf übliche '..'eise, beispielsweise durch Rotieren, Rühren usw., für Durchmischung des Ansatzes gesorgt werden. Mit fortschreitendem Hydrolysegrad wird sich die Pufferwirkung der freigesetzten Aminosäuren bzv.^T. Oligopeptide auf den pH des Ansatzes ausvirken. Die Reaktion kann bis zur möglichst weitgehenden Auflösung des Gutes fortgesetzt werden. Dabei liegen die Reaktionszeiten im allgemeinen bei 1-5 Stunden.

Gegebenenfalls können ungelöste Anteile mechanisch, d.h. mittels Filtrieren, Sieben u.a., von der Lösung abgetrennt verdcn.

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ΘΑΡ QPAI

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Möglichkeit geboten, das Hydrolysat von kollagenhaltigen Abfallstoffen aus der Lederherstellung biologisch abbauen und als unbedenkliches Abwasser in den Vorfluter oder die öffentlichen Abwassersysteme entlassen zu können. Gegebenenfalls kann das Hydrolysat durch Verdünnen und/oder Angleichung des pH-Wertes an die Erfordernisse für den biologischen Abbau vorbereitet werden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet somit die Beseitigung von kollagenhaltigen Abfallstoffen der Lederherstellung innerhalb kurzer Zeit mit geringem Energieaufwand in nur wenigen Verfahrensschritten.

Das Verfahren ist darüber hinaus ökologisch unbedenklich, da die Hydrolyseprodukte weiterverwertet oder direkt in den Vorfluter oder die öffentlichen Abwassersysteme entlassen v/erden können.

Die Hydrolyse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liefert lösliche abgebaute Produkte mit niedriger Viskosität.

Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können an sich bekannte Zusätze zu der enzymatischen Reaktion, wie Aktivatoren, Stabilisatoren u.a., verwendet werden. Die proteolytische Wirksamkeit von Enzymen wird gebräuchlicherweise nach der Anson-Hämoglobin-Methode (M.L. Anson J.Gen. Physiol. 22, 79 (1939) ) bzw. nach der Löhlein-Volhard-Methode (Die Löhlein-Volhard'sche Methode zur Bestimmung der proteolytischen Aktivität Gerbereichem. Taschenbuch, Dresden-Leipzig 1955) als "LVE" (Löhlein-Volhard-Einheit) bestimmt. Unter einer Löhlein-Volhard-Einheit ist diejenige Enzymmenge zu verstehen, die unter den spezifischen Bedingungen der Methode 1,725 mg Casein verdaut.

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Veiter werden in den nachfolgenden Beispielen für die Aktivitätsbestimmung der im sauren Bereich wirksamen Enzyme Einheiten verwendet, die aus der Anson-Methode abgeleitet sind. Diese werden als "Proteinase-Units(Hämoglobin)" U^ bezeichnet. Eine ϋμ^ entspricht der Enzymmenge, welche die Freisetzung von trichloressigsäure-löslichen Bruchstücken aus Hämoglobin äquivalent 1 /*Mol Tyrosin pro Minute bei 37°C (gemessen bei 280 nm) katalysiert. 1 mUfj^ = 10"'

Die nachstehenden Beispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren, ohne daß der nachgesuchte Schutz auf eben diese Ausführungsform beschränkt sein soll.

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ChnbH Dwntstedt Beispiele Beispiel 1

1000 g eines im Fleischwolf zerkleinerten Leimfleisches von Kalbfellen wird in ein Becherglas von 2 Liter Inhalt eingewogen. Danach werden 12 g Schwefelsäure techn. (9β ^ig) zugegeben und im Wasserbad auf 50⁰C erwärmt. Unter Rühren gibt man

0,25 g Pilzproteinase aus Aspergillus oryzae mit 3000 LVE

0,7 g Papain mit 160 mU^/mg (pH - 7,5) 2,0 g Ammonsulfat

zu. Nach 1-stundigem Rühren ist das Material zu über 90 ?' hydrolysiert. Nach Abtrennen des Hautfettes sowie des Rückstandes im Scheidetrichter erhält man 800 - 850 g Hydrolysat mit einem Trockensubstanzgehalt von 13 - 14 %. Der pH-Vert lag bei Beginn bei 5,0. Das Hydrolysat hat am Ende der Behandlung einen pH-Wert von 6,2.

Beispiel 2

1000 g Maschinenleimleder von Kalbfellen werden in ein Becherglas von 2 Liter Inhalt eingewogen. Nach Zugabe von 15 g Schwefelsäure techn. konz. (98 Joig) wird das Material im Wasserbad auf 50⁰C erwärmt. Anschließend werden

0,25 g Pilzproteinase aus Aspergillus saitoi mit 3000 LVE

0,7 g Papain mit 160 mü^/mg (pH 7,5) 4,0 g Harnstoff g||||BIHHBIBHHHIHIi 2,0 g Ammonsulfat

nachgesetzt und 90 Minuten bei 50⁰C im Wasserbad behandelt.

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Nach dieser Zeit sind 95 >« des eingewogenen Materials aufgelöst, Es werden nach Abtrennen des Hautfettes sowie des Rückstandes 900 g Hydrolysat mit einem Trockensubstanzgehalt von S - 10 % erhalten. Bei Beginn der Behandlung wird ein pH von 5,0 gemessen. Der pH-Wert des Hydrolysats beträgt 6,0 - 6,2.

Beispiel 3

In ein 2-Liter Becherglas werden 1000 g mit einem Fleischwolf zerkleinertes Leimleder von Rindshäuten eingewogen. Das Gut wird mit 14 g konz. Schwefelsäure techn. (98 Soig) auf pH 4,0 eingestellt und im Wasserbad auf 50⁰C erwärmt. Danach setzt man

0,6 g Papaln mit 80 mU^/mg (pH 7,5) 0,25g Pepsin mit 100 mU^/mg (pH 5,0) 2,0 g Harnstoff HMBHBHBHHBPHHBB 7,0 g Ammonsulfat

zu und läßt 75 Minuten im Wasserbad bei 40°C reagieren. Nach dieser Zeit sind mehr als 90 % des eingebrachten Materials hydrolysiert. Das Hydrolysat hat einen pH-Wert von 6,2 und enthält 10 # Trockensubstanz.

Beispiel 4

In ein 2-Liter Becherglas werden 1000 g im Fleischwolf zerkleinertes Maschinenleimleder von Großviehhäuten eingewogen. Zur Sauerstellung werden zunächst 15 g Schwefelsäure konz. (93 Jiig) zugeführt und im Wasserbad auf 5O⁰C erwärmt. Die weitere Behandlung erfolgt ohne Bewegung bei 50⁰C im Wasserbad.

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röhm

Es wird zugesetzt:

0,5 g Pepsinntt 100 mU^/mg (pH 5,0) 0,6 g Bromelain mit 80 mU^/mg (pH 7,5) 2,0 g Ammonchlorid 7,0 g Ammonsulfat

Nach einer Reaktionszeit von 2 1/2 Stunden sind ca. 90 56 des eingesetzten Materials hydrolysiert. Der pH-Wert der Suspension wird während der Behandlungsdauer auf 4,0 eingestellt. Zur pH-Regulierung werden nachträglich noch 4,0 g Schwefelsäure konz. (98 #ig) zugesetzt.

Nach Abtrennung des Schlamms sowie des Hautfettes werden 880 g Hydrolysat mit einem Trockensubstanzgehalt von 10 % erhalten.

Beispiel 5

1000 g im Fleischwolf zerkleinerter Rindspalt wird in ein 2-Liter Becherglas eingewogen. Zur Sauerstellung werden 10 g konz. Schwefelsäure techn. (98 #ig) zugegeben und im Wasserbad auf 50°C erwärmt. Zur enzymatischen Hydrolyse gibt man

0,4 g Pilzproteinase aus Aspergillus parasiticus mit 3000 LVE

1,0 g Papain mit 160 mU^/mg (pH 7,5) 6,0 g Harnstoff

3,0 g Ammonsulfat zu.

Nach 4 Stunden Reaktionszeit ohne Bewegung bei 50°C im Wasserbad sind 80 % des eingebrachten Gutes hydrolysiert. Es werden 600 g Hydrolysat mit 26 % Trockensubstanz erhalten. Der pH-Wert des Hydrolysate ist 4,9. Ohne Harnstoff werden unter gleichen Bedingungen nur 30 - 40 # des eingesetzten Materials umgesetzt.

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Claims

Patentansprüche

/Ώ Verfahren zum Auflösen von kollagenhaltigen Abfallstoffen

, --ι». λ. -,·, . y?absßhnitte,BlössensDalte,. , . der Lederherstellung, vie Haute», ea, r^^chrnenleimlcdcr und dergleichen, durch Hydrolyse mittels protcolytischcr -nsync,

dadurch gekennzeichnet,

daß man Proteinasen verwendet, deren normaler An'-rpiiclungiibereich im. sauren pH-Gebiet liegt (saure Proteinasen) und die enzymatische Reaktion im sauren pH-Bereich durchfahrt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Proteinasen verwendet vrerden, deren optimaler './irkunp;^- bereich zvriechen pH 1,0 und 6,0 liegt.

?. Verfahi'en nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß saure Proteinasen aus Aspergillus spp. verwendet v/eräen.

4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als saure Protoinasen Enzyme aus Acpergillus oryzae, Asper^illus saitoi oder Aspergillus parasiticus verwendet v/erden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man verschiedene saure Proteinasen in Kombination verwendet.

β. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Pepsin in Kombination mit sauren PiIzproteinasen verwendet.

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7. Verfahrer, nr.ch den Patentansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Pepsin in Kombination nit sauren pflanzlichen Proteinasen verwendet.

3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1, J, 5 und C,
dadurch gekennzeichnet, daß man saure pflanzliche
Proteinasen in Kombination mit sauren Pilzproteina^en verwendet.

9. Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gericht der Enzymkomponento·
0,1 bis 5 "A, bezogen auf das Gewicht des Substrats, beträgt.

10. Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsdaucr der enzynatischen Reaktion 1 bis 5 Stunden beträgt.

11. Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die enzymatische Reaktion in Gegenwart von Harnstoff durchführt.

12. Verfahren gemäß Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet. daß man die enzymatische Reaktion bei. einer Harnstoffkonzentration von O,25bis 0,01Kol/l durchführt.

13. Verfahren gemäß Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die enzymatische Reaktion bei einer Harnstoffkonzentration von 0,18 bis 0,05 Mol/l durchführt.

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