DE2746872A1 - BIODEGRADATION OF LIGNOCELLULOSE - Google Patents

BIODEGRADATION OF LIGNOCELLULOSE

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DE2746872A1
DE2746872A1 DE19772746872 DE2746872A DE2746872A1 DE 2746872 A1 DE2746872 A1 DE 2746872A1 DE 19772746872 DE19772746872 DE 19772746872 DE 2746872 A DE2746872 A DE 2746872A DE 2746872 A1 DE2746872 A1 DE 2746872A1
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lignocellulose
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lignin
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Steven Loren Rosenberg
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    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C5/00Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
    • D21C5/005Treatment of cellulose-containing material with microorganisms or enzymes
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A23FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
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    • A23K10/30Animal feeding-stuffs from material of plant origin, e.g. roots, seeds or hay; from material of fungal origin, e.g. mushrooms
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Description

Biologischer Abbau von LignocelluloseBiodegradation of lignocellulose

Die Erfindung betrifft die biologische Vorbehandlung von Lignocellulose-Materialien, um das Lignin zumindest teilweise zu entfernen.The invention relates to the biological pretreatment of lignocellulosic materials in order to at least partially remove the lignin to remove.

Der größte Teil des auf der Erde anfallenden, wieder aufzuarbeitenden organischen Materials besteht aus Lignocellulose. Der Celluloseteil dieses Materials ist ein lineares Glucosepolymer/ und in reiner oder relativ reiner Form kann es in eine Vielzahl brauchbarer Produkte umgewandelt werden, wie Papier, Fleisch, Milch, Zucker,Äthanol und Methan. Ausgenommen in Form von Baumwolle und einigen bakteriellen Polymeren tritt Cellulose natürlich nicht in reiner Form auf, sondern ist im Gewebe von Landpflanzen vorhanden, und zwar komplexiert mit niedermolekularen, alkalilöslichen Polysacchariden, die insgesamt als Hemicellulosen bezeichnet werden, und mit Lignin, das ein hochmolekulares, dreidimensionales regelloses Polymer von Phenylpropanalkoholen ist.Most of what is left on earth has to be reprocessed organic material consists of lignocellulose. The cellulose part of this material is a linear glucose polymer / and in pure or relatively pure form it can be converted into a variety of useful products, such as Paper, meat, milk, sugar, ethanol and methane. Excepted in the form of cotton and some bacterial polymers, cellulose does not naturally occur in its pure form, but is present in the tissue of land plants, complexed with low molecular weight, alkali-soluble polysaccharides, which are collectively referred to as hemicelluloses, and with lignin, which is a high-molecular, three-dimensional is a random polymer of phenylpropane alcohols.

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Lignin schützt die Cellulose vor der enzymatischen Hydrolyse zu löslichen Zuckern. Je größer der Ligningehalt der Lignocellulose ist, umso beständiger ist die CeIlulosekomponente gegenüber einem enzymatischen Eingriff.Lignin protects the cellulose from enzymatic hydrolysis to soluble sugars. The greater the lignin content of the lignocellulose, the more stable the cellulose component versus an enzymatic intervention.

Cellulose kann physikalisch vom Lignin befreit werden, z.B. durch feines Mahlen und durch chemische Extraktion bei erhöhten Temperaturen, doch sind beide Verfahren relativ zum Wert des Endproduktes teuer.Cellulose can be physically freed from the lignin, e.g. by fine grinding and chemical extraction at elevated levels Temperatures, but both processes are expensive relative to the value of the final product.

Es ist zwar gezeigt worden, daß eine Anzahl von Schimmelarten Lignin enzymatisch abbaut, doch war ihr kommerzieller Einsatz nicht gegeben, weil sie so langsam wachsen. Es werden üblicherweise zwei oder mehr Monate benötigt, um den Abbau von 50 % des Lignins in einem holzartigen Substrat zu bev/irken. Die bisher bekannten, ligninabbauenden Schimmelarten sind als mesophil beschrieben worden, d.h. sie wachsen am besten bei Temperaturen zwischen 20 und 30 C.While a number of mold species have been shown to enzymatically degrade lignin, theirs has been more commercial Not given because they are growing so slowly. It usually takes two or more months to break down of 50% of the lignin in a woody substrate. The previously known, lignin-degrading mold species have been described as mesophilic, i.e. they grow best at temperatures between 20 and 30 C.

Die vorliegende Erfindung benutzt nun einen thermostabilen Schimmel, der Lignin rasch abbaut. Es wurde auch festgestellt, daß das Lignin nur unter Dampf - im Gegensatz zum untergetauchten Zustand - merklich abgebaut wird.The present invention now uses a thermostable mold that rapidly degrades lignin. It was also found that the lignin is only noticeably degraded under steam - in contrast to the submerged state.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der thermostabile Schimmel Chrysosporium pruinosum, der von der amerikanischenIn the method according to the invention, the thermostable mold Chrysosp orium pruinosum , which is from the American

eingesetzt.used.

Kultursammelstelle in Rockville, Maryland, USA, erhalten wurcTe,\ Der Schimmel Chrysosporium pruinosum wurde als Äquivalent zu den thermostabilen Schimmeli Phanerochaete chrysosporium und Sporotrichum pulverulentum angesehen.Culture collection point in Rockville, Maryland, USA, was preserved, \ The mold Chrysosporium pruinosum was regarded as the equivalent of the thermostable molds Phanerochaete chrysosporium and Sporotrichum pulverulentum .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abbauen von Lignocellulose umfaßt das Herstellen eines Substrates, das aus Lignocellulose zusammengesetzt ist, die mit Nährminerallösung befeuchtet wurde, deren pH-Wert zwischen 4 und 5 liegt. Das Substrat bestehtThe method according to the invention for breaking down lignocellulose comprises preparing a substrate composed of lignocellulose moistened with nutrient solution, whose pH value is between 4 and 5. The substrate is made

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zu etwa 10 bis etwa 80 Gew.-% aus Lignocellulose-Feststoffen, bezogen auf die Gesamtmenge aus Lignocellulose-Feststoffen und Nährlösung. Das getränkte Substrat wird mit Chrysosporium pruinosum inoculiert, und das inoculierte Substrat bei einer Temperatur von etwa 20 bis etwa 45 C gehalten, um das Chrysosporium pruinosum wachsen zu lassen, das Enzymsysteme erzeugt, die Lignocellulose abbauein,und man läßt den Schimmel bei der genannten Temperatur wachsen, bis zumindest eine merkliche Menge der Lignocellulose abgebaut ist.from about 10 to about 80% by weight of lignocellulosic solids, based on the total amount of lignocellulose solids and Nutrient solution. The soaked substrate is inoculated with Chrysosporium pruinosum, and the inoculated substrate with a Maintained temperature of about 20 to about 45 C around the Chrysosporium pruinosum, which produces enzyme systems that break down lignocellulose, and the mold is left with the named temperature grow until at least a noticeable amount of the lignocellulose is broken down.

Beispielhaft für die Lignocellulosematerialien, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können, sind Holz, Mistfasern, Papier, Stroh und landwirtschaftliche Abfälle. Das Lignocellulosematerial wird vorzugsweise mit einer geeigneten Vorrichtung gemahlen, und zwar bevorzugt zu einer Teilchengröße von weniger als 5 mm, um die Oberfläche zu vergrößern und die Abbaugeschwindigkeit merklich oder beträchtlich zu erhöhen. Je mehr Oberfläche die Lignocellulose hat, umso rascher dringt das Schimmelmycel ein.Exemplary of the lignocellulosic materials used in the Processes according to the invention can be used Wood, manure fiber, paper, straw and agricultural waste. The lignocellulosic material is preferably with a ground suitable device, preferably to a particle size of less than 5 mm, in order to enlarge the surface and to markedly or considerably increase the rate of degradation. The more surface the lignocellulose has, the faster the mold mycelium penetrates.

Die im Einzelfalle benutzte Nährminerallösung ist nicht kritisch, ausgenommen, daß sie einen pH-Wert von 4 bis 5 haben muß, um das Wachsen des Schimmels zu begünstigen. Die Lösung besteht aus einer Reihe von Mineralien, die die Hauptnährionen, wie Natrium, Kalium, Phosphat, Sulfat, Magnesium und Eisen zur Verfügung stellen, und sie enthält üblicherweise ein organisches, chelatbildendes Mittel, um Eisen am Ausfallen zu hindern, und sie enthält weiter Thiamin, das für das Wachstum von Chrysosporium pruinosum ein notwendiges Vitamin ist. Letzteres gibt man jedoch nur dann zu der Nährlösung hinzu, wenn es nicht bereits oder nicht ausreichend im Lignocellulosematerial vorhanden ist. Die absoluten Konzentrationen der Nährstoffe in der Lösung sind nicht kritisch, solange angemessene Mengen für das Wachstum der Chrysosporium pruinosum-Zellen vorhanden sind, doch darf die Konzentration nicht so hoch sein, daß sie das Wachstum hindert. Bakteriologische Standardmedien sind als Nährminerallösung brauchbar, da sie alle für das Schim-The nutrient solution used in the individual case is not critical, with the exception that they have a pH value of 4 to 5 must in order to favor the growth of the mold. The solution consists of a number of minerals that are the main nutrients, such as sodium, potassium, phosphate, sulfate, magnesium and iron, and it usually contains an organic, Chelating agent to keep iron from precipitating and also contains thiamine, which is essential for growth of Chrysosporium pruinosum is a necessary vitamin. The latter is only added to the nutrient solution if it is not already or insufficiently present in the lignocellulosic material. The absolute concentrations of the nutrients in the solution are not critical as long as adequate amounts are present for Chrysosporium pruinosum cells to grow but the concentration must not be so high that it hinders growth. Standard bacteriological media can be used as a nutrient mineral solution, as they are all

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melwachstum notwendigen Hauptionen enthalten und die genaue Formulierung des Mediums in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der jeweiligen Lignocellulose modifiziert werden kann, d.h. zu dem Ausmaß, zu dem die Nährstoffe bereits im Lignocellulosematerial vorhanden sind.Meal growth contain necessary main ions and the exact Formulation of the medium can be modified depending on the composition of the respective lignocellulose can, i.e. to the extent that the nutrients are already present in the lignocellulosic material.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Lignocellulosematerial mit der Nährstofflösung befeuchtet, um ein Substrat zu erhalten, auf dem man den Chrysosporium pruinosum-Schimmel wachsen lassen kann. Dieses Befeuchten kann mittels einer Anzahl üblicher Techniken erfolgen, z.B. durch Tropfenlassen oder Sprühen der Lösung auf die Lignocellulosemasse. Liegt diese Masse in Teilchenform vor, dann kann man sie mit der Nährlösung vermischen. Nach Zugabe der Lösung zur Lignocellulosemasse gestattet man für eine kurze Zeitdauer die Äquilibrierung der Lösung, d.h. die Verteilung der Lösung durch die Masse.To carry out the method according to the invention, the Lignocellulosic material moistened with the nutrient solution to obtain a substrate on which to grow the Chrysosporium pruinosum mold can grow. This wetting can be done by a number of conventional techniques, e.g. by dripping or spraying the solution onto the lignocellulosic mass. If this mass is in the form of particles, it can be mixed with the nutrient solution. After adding the Solution to the lignocellulosic mass, the solution is allowed to equilibrate, i.e., disperse, for a short period of time the solution through the mass.

Man bringt die Lignocellulosemasse mit einer solchen Menge Nährlösung in Berührung, daß das angefeuchtete Substrat zu etwa 10 bis etwa 80 Gew.-% aus Lignocellulose-Feststoffen besteht, bezogen auf die Gesamtmenge aus Lignocellulose-Feststof fen und Nährminerallösung. Bei Mengen von weniger als 10 Gew.-% an Lignocellulose-Feststoffen erhält man keinen merklichen Abbau des Lignins, während bei mehr als 80 Gew.-% Lignocellulose-Feststoffen der Schimmel nicht wächst. Befriedigende Ergebnisse werden bei einer Konzentration an Ligno-cellulose-Feststoffen von 20 Gew.-% erhalten, d.h., bei 20 g Lignocellulose-Feststoffen in einem Gemisch aus 80 g Minerallösung und 20 g Lignocellulose-Feststoffen.The lignocellulose mass is brought into contact with such an amount of nutrient solution that the moistened substrate becomes too about 10 to about 80 weight percent of lignocellulosic solids consists, based on the total amount of lignocellulose solids and nutrient solution. For quantities less than 10% by weight of lignocellulose solids does not result in any noticeable degradation of the lignin, while with more than 80% by weight Lignocellulose solids the mold does not grow. Satisfactory Results are obtained at a lignocellulosic solids concentration of 20% by weight, i.e. with 20 g lignocellulose solids in a mixture of 80 g mineral solution and 20 g lignocellulose solids.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte, angefeuchtete Lignocellulosesubstrat unterscheidet sich von einem eingetauchten Substrat, bei dem üblicherweise 0,5 Gew.-%The moistened one used in the process according to the invention Lignocellulosic substrate differs from an immersed substrate, which usually contains 0.5% by weight

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Lignocellulose-Feststoffe vorhanden sind, bezogen auf die Gesamtmenge aus Lignocellulose-Feststoffen und Nährlösung, z.B. 0,5 g Lignocellulose-Feststoffe bei einer Mischung aus 99,5 g Nährlösung und 0,5 g Lignocellulose-Feststoffen.Lignocellulosic solids are present based on that Total amount of lignocellulose solids and nutrient solution, e.g. 0.5 g of lignocellulose solids for a mixture of 99.5 g nutrient solution and 0.5 g lignocellulose solids.

Das angefeuchtete Substrat kann mit Chrysosporium pruinosum-Zellen oder mit Sporen solcher ZeILen inoculiert werden. Das Inoculieren kann man nach einer Reihe von Techniken ausführen, die einen maximalen Kontakt zwischen den Chrysosporium pruinosum-Zellen und dem Substrat gestatten. Vorzugsweise werden die Sporen oder Zellen in einem flüssigen Medium suspendiert, wie Wasser, üblicherweise bei Zimmertemperatur, und man tropft oder sprüht die Suspension auf das Substrat.The moistened substrate can with Chrysosporium pruinosum cells or inoculated with spores of such cells. Inoculating can be done using a number of techniques, which allow maximum contact between the Chrysosporium pruinosum cells and the substrate. Preferably the spores or cells are suspended in a liquid medium, such as water, usually at room temperature, and the suspension is dripped or sprayed onto the substrate.

Das inoculierte Substrat wird dann unter ausreichender Belüftung bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 45 C incubiert, um die Chrysosporium pruinosum-Zellen zu züchten. Die Inkubation kann nach einer Anzahl von Techniken ausgeführt werden, welche die erforderliche Wachstumstemperatur und die notwendige Feststoffkonzentrat ion aufrecht erhalten, wie mittels einem Heißluftincubator oder durch Inberührungbringen des inoculierten Substrates mit strömender Heißluft. Das rascheste Wachstum des Schimmels findet bei Temperaturen von 38 bis 40°C statt.The inoculated substrate is then incubated with adequate ventilation at a temperature in the range of 20 to 45 C, to grow the Chrysosporium pruinosum cells. Incubation can be carried out by a number of techniques, which maintain the required growth temperature and the necessary solids concentration, such as by means of a hot air incubator or by bringing the inoculated substrate into contact with flowing hot air. The fastest Mold growth takes place at temperatures of 38 to 40 ° C.

Beim Wachsen, d.h. beim Incubieren, verbraucht der Schimmel Lignocellulose und erzeugt Enzymsysteme, die als Lignase zum Abbau des Lignins und Cellulase zum Abbau der Cellulose bezeichnet werden.When growing, i.e. when incubating, the mold consumes Lignocellulose and produces enzyme systems that act as lignase to break down the lignin and cellulase to break down the cellulose are designated.

Die Zeitdauer, während der das inoculierte Substrat incubiert wird, d.h. die Zeit, während der der Schimmel bei einer bestimmten Temperatur gezüchtet wird, ist empirisch bestimmbar und hängt vom erwünschten Abbaugrad für die jeweilige Lignocellulosemasse ab. Der Abbaugrad der Lignocellulosemasse kann in üblicher Weise bestimmt werden, im allgemeinen durch Be-The length of time during which the inoculated substrate is incubated, ie the time during which the mold is grown at a certain temperature, can be determined empirically and depends on the desired degree of degradation for the particular lignocellulose mass. The degree of degradation of the lignocellulose mass can be determined in the usual way, generally by

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stimmen der verbliebenen Mengen an Lignin und Cellulose.are the remaining amounts of lignin and cellulose correct.

Das erhaltene Produkt, das zumindest merklich vom Lignin befreit oder abgebaut ist, kann dann als Cellulosequelle oder zuckerreiches Tierfutter oder als Fermentationssubstrat benutzt werden. Bei dem Verfahren entstehen auch lösliche Ligninderivate, die als chemische Ausgangsmaterialien brauchbar sein mögen.The product obtained, which is at least noticeably freed from lignin or degraded, can then be used as a source of cellulose or high-sugar animal feed or as a fermentation substrate. The process also produces soluble ones Lignin derivatives which may be useful as chemical starting materials.

Durch die bloße Anfeuchtung des Lignocellulosematerial, gegenüber dem Eintauchen, können größere Lignocellulosemengen pro Volumeneinheit der Kultur behandelt werden.By simply moistening the lignocellulose material, as opposed to immersion, larger amounts of lignocellulose can be treated per unit volume of culture.

Für alle Versuche wurde Chrysosporium pruinosum (Giiman und Abbot) Carmichael, ATCC 24782 benutzt. Dieser Organismus wurde kürzlich als der unvollständige Zustand des Pilzes Phanerochaete chrysosporium identifiziert.Chrysosporium pruinosum (Giiman and Abbot) Carmichael, ATCC 24782 used. This organism was recently identified as the incomplete state of the Phanerochaete mushroom chrysosporium identified.

Als Nährmineralmedium wurde die folgende Zusammensetzung benutzt:The following composition was used as the nutrient mineral medium:

5 g (NHJ2SO4; 6,04 g KH2PO4/ 0,85 g Na2HPO4/ 10 ml einer Lösung mit Spurenelementen sowie destilliertes Wasser auf 990 ml. Die Lösung mit den Spurenelementen hatte die folgende Zusammensetzung:. 5 g (NHY 2 SO 4, 6.04 g KH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 0.85 g / 10 ml of a solution containing trace elements, and distilled water to 990 ml The solution containing the trace elements had the following composition:

5 g MgSO4-7H2O/ 0,2 g ZnSO4-TH3O, 0,5 g FeSO4-TH2O/ 0,5 MnSO4-4H2O/ 0,5 g CaCl2, 5 g Versenol und destilliertes Wasser auf 250 ml. Der pH-Wert des Mediums wurde vor dem Einbringen in den Autoclaven durch Zugabe weniger Tropfen konzentrierter Salzsäure auf 5,0 eingestellt. Ein Bruchteil einer filtersterilisierten Lösung von Thiamin-HCl (1 mg/ml) wurde nach der Behandlung im Autoclaven zu dem Medium hinzugegeben, um eine Thiaminkonzentration von 1;ug/ml zu haben. Durch Zugabe von 40 ml einer sterilen 25 %-igen Glucoselösung zu 960 ml des heißen, sterilen Mineralmediums, das vorstehend beschrieben wurde und 15g Agar enthielt, wurde ein Glucose/Mineral/Agar-Medium zubereitet.5 g MgSO 4 -7H 2 O / 0.2 g ZnSO 4 -TH 3 O, 0.5 g FeSO 4 -TH 2 O / 0.5 MnSO 4 -4H 2 O / 0.5 g CaCl 2 , 5 g Versenol and distilled water to 250 ml. The pH of the medium was adjusted to 5.0 by adding a few drops of concentrated hydrochloric acid before it was introduced into the autoclave. A fraction of a filter-sterilized solution of thiamine HCl (1 mg / ml) was added to the medium after the treatment in the autoclave in order to have a thiamine concentration of 1 ug / ml. A glucose / mineral / agar medium was prepared by adding 40 ml of a sterile 25% glucose solution to 960 ml of the hot sterile mineral medium described above containing 15 g of agar.

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Zur Herstellung des Lignosecellulosemateriais wurden 200 g trockenen Mistes zu 2 1 destilliertem Wasser in einem 3,785 fassenden Waring-Mischer hinzugegeben und 15 Sekunden lang bei geringer Geschwindigkeit zerschnitten. Das Vermischen wurde dreimal wiederholt, wobei man zwischen den Mischvorgängen jeweils 15 Sekunden Pause einlegte. Dann überführte man die Suspension in ein Glasgefäß mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Höhe von 61 cm und verdünnte 1 : 1 mit destilliertem Wasser. Diese Suspension wurde mittels eines auf variable Geschwindigkeit einstellbaren Motors, der mit einem Schaft und Propeller verbunden war, vermischt. Die Motorgeschwindigkeit wurde so eingestellt, daß das gesamte Material suspendiert war, und man rührte die Suspension 1 1/2 Stunden lang. Dann verringerte man die Mischgeschwindigkeit für 1/2 Stunde, damit sich der Sand absetzen konnte, während die leichteren Faserteilchen suspendiert blieben. Während der Motor weiter mit verringerter Geschwindigkeit in Betrieb blieb, wurden die suspendierten Teilchen durch Hebern ab*- gezogen und auf ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,238 mm überführt. Das Material wurde auf dem Sieb mit destilliertem Wasser gewaschen. Rühren, Absetzenlassen und Sieben wurde dreimal wiederholt, und danach trocknete man die erhaltenen Fasern drei Tage bei 65°C. Die getrockneten Fasern wurden in einer Fleischhackmaschine zerkleinert, um die Teilchen zu redispergieren, und diese Teilchen wurden in Glasgefäßen gelagert.To produce the lignose cellulose material, 200 g dry manure is added to 2 liters of distilled water in a 3.785 capacity Waring blender and held for 15 seconds cut up at low speed. Mixing was repeated three times, keeping between mixes took a 15 second break. The suspension was then transferred to a glass vessel with a diameter of 30 cm and a height of 61 cm and diluted 1: 1 with distilled water. This suspension was by means of a variable speed adjustable motor, which was connected to a shaft and propeller, mixed. The engine speed was adjusted so that all of the material was suspended and the suspension was stirred for 1 1/2 For hours. The mixing speed was then slowed down for 1/2 hour to allow the sand to settle while the lighter fiber particles remained suspended. While the engine continues to operate at reduced speed remained, the suspended particles were lifted off * - pulled and transferred to a sieve with a mesh size of 0.238 mm. The material was on the sieve with washed in distilled water. Stirring, settling and sieving were repeated three times and then dried the fibers obtained for three days at 65 ° C. The dried fibers were chopped in a meat chopper to to redisperse the particles, and these particles were stored in glass jars.

Die Fasern wurden in einem auf 65 C erwärmten Ofen für mindestens 2 Tage vor der Benutzung getrocknet, bis ein konstantes Gewicht erhalten wurde. Da das Material in Luft etwas hygroskopisch ist,hatte man es beim Wägen in einer abgeschlossenen Petrischale auf der Oberfläche einer 100 C heißen Platte.The fibers were in an oven heated to 65 C for at least Dried 2 days before use until constant weight was obtained. Because the material in air something is hygroscopic, you had it in a locked one when weighing Petri dish on the surface of a 100 C hot plate.

Die auf diese Weise hergestellten trocknen, teilchenförmigen Mistfasern hatten eine Durchschnittsgröße von 1-3 mm in der Länge und 0,5 mm in der Breite. Die Fasern enthielten 14 + 1,5The dry particulate manure fibers produced in this way had an average size of 1-3 mm in diameter Length and 0.5 mm in width. The fibers contained 14 + 1.5

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Gew.-% Asche, 37+2 Gew.-% reduzierenden Zucker (Cellulose und Hemicellulose) und 37+1,5 Gew.-% Lignin.% By weight ash, 37 + 2% by weight reducing sugar (cellulose and hemicellulose) and 37 + 1.5 wt% lignin.

Die vorgenannten Mengenangaben sind diejenigen, auf denen die Gew.-%-Angaben löslichen gemachten Materials in den Figuren 1 und 2 beruhen, von denenThe abovementioned quantitative data are those on which the% by weight data of solubilized material are shown in the figures 1 and 2 are based on of which

Figur 1 den Lignin- und Celluloseabbau durch Chrysosporium pruinosum-Schimmel auf einem untergetauchten Substrat und Figur 2 den Lignin- und Celluloseabbau durch Chrysosporium pruinosum auf einem getränkten Substrat gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.FIG. 1 shows the degradation of lignin and cellulose by Chrysosporium pruinosum mold on a submerged substrate and FIG. 2 shows the degradation of lignin and cellulose by Chrysosporium pruinosum on an impregnated substrate according to the method of the present invention shows.

Für die Zubereitung des Inoculums wurden Kulturen von Chrysosporium pruinosum 5 Tage bei 38°C auf Glucosemineralagarplatten gezüchtet. 10 ml sterilen, destillierten Wassers wurden zu jeder Platte hinzugegeben, und das Oberflächenwachstum wurde mit einem Glasausbreiter leicht suspendiert. Diese Suspension, die hauptsächlich Sporen und einige Bruchstücke vegetativen Myceliums enthielt, wurde für alle Kulturen als Inoculum benutzt .Cultures of Chrysosporium were used to prepare the inoculum pruinosum grown on glucose mineral agar plates at 38 ° C for 5 days. 10 ml of sterile, distilled water was added to each Plate was added and the surface growth was slightly suspended with a glass spreader. This suspension, which mainly contained spores and some fragments of vegetative mycelium, was used as inoculum for all cultures .

Die Kulturen wurden sowohl auf in Mineralnährlösung in Schüttelflaschen untergetauchten Substraten als auch auf angefeuchteten Substraten auf der Oberfläche von Mineralagarplatten gezüchtet. Die untergetauchten Kulturen in Schüttelflaschen enthielten 50 ml Mineralmediumlösung und 50 mg trockener, gewaschener Mistfasern in 250 ml fassenden Erlenmeyerkolben. Die Kolben wurden für 20 Minuten sterilisiert und nach dem Abkühlen mit 0,1 ml der oben beschriebenen Sporensuspension inoculiert. Die Kulturen incubierte man bei 38°C und 80 % relativer Feuchtigkeit unter rotierendem Schütteln bei 230 Umdrehungen pro Minute auf einem Inkubatorschüttelgerät New Brunswick Modell G26.The cultures were both on in mineral nutrient solution in shake flasks submerged substrates as well as on moistened substrates grown on the surface of mineral agar plates. The submerged cultures in shake flasks contained 50 ml mineral medium solution and 50 mg drier, washed Manure fibers in 250 ml Erlenmeyer flasks. The flasks were sterilized for 20 minutes and after cooling with 0.1 ml of the spore suspension described above was inoculated. The cultures were incubated at 38 ° C and 80% relative humidity with rotating shaking at 230 revolutions per minute on a New Brunswick model incubator shaker G26.

Die getränkten Kulturen auf der Agaroberflache wurden folgendermaßen zubereitet: Sterile Nuklepore-Membranfilter( 5 .umPoren-The soaked cultures on the agar surface were as follows prepared: sterile nuclepore membrane filters (5 um pore

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größe, 47 mm Durchmesser) wurden mit der matten Seite nach unten auf der Oberfläche von Petrischalen (25 χ 150 mm) angeordnet, die etwa 200 ml Mineralagarmedium enthielten, das aus der Nährminerallösung, verdickt mit 1,2 Gew.-% Agar zusammengesetzt war. Pro Platte wurde ein Filter benutzt. 200 mg trockener, steriler Mistfasern wurden auf der Oberfläche jedes Filters ausgebreitet. Die 200 mg Faserproben wurden aus Pyrexrohren mit Schraubverschluß und Abmessungen von 16 χ 125 ml entnommen. Dies entsprach einer 20 Gew.-%igen Feststoffkonzentration, d.h. 20 Gew.-I Fasern auf eine Mischung aus 20 Gew.-Fasern + 80 Gew.-Nährminerallösung. Jedes Faserhäufchen wurde an der Peripherie mit 2 Tropfen (0,1 ml) der wie oben beschriebenen Sporensuspension inoculiert, und danach die Kulturen bei 38 C incubiert. Die relative Feuchtigkeit im Incubator wurde unter Verwendung von wassergefüllten Trögen bei 80 % gehalten.size, 47 mm diameter) were with the matt side facing arranged at the bottom on the surface of Petri dishes (25 χ 150 mm), which contained about 200 ml of mineral agar medium composed of the nutrient mineral solution thickened with 1.2% by weight agar was. One filter was used per plate. 200 mg of dry, sterile manure fibers were placed on the surface of each Filters spread out. The 200 mg fiber samples were taken from Pyrex tubes with screw caps and dimensions of 16 χ 125 ml taken. This corresponded to a 20% strength by weight solids concentration, i.e. 20% by weight of fibers for a mixture of 20% by weight of fibers + 80% by weight nutrient solution. Every pile of fibers was inoculated on the periphery with 2 drops (0.1 ml) of the spore suspension as described above, and then the cultures incubated at 38 ° C. The relative humidity in the incubator was determined using water-filled troughs 80% held.

Die Bestimmungen restlicher organischer und anorganischer Bestandteile der Fasern und Faserkulturen für die Figuren 1 und 2 erfolgte folgendermaßen:The determinations of the remaining organic and inorganic components of the fibers and fiber cultures for the figures 1 and 2 took place as follows:

a. Für die Agarplattenkulturen (angefeuchteten Kulturen): Die Fasern oder Faser + Mycel enthaltenden Filter wurden von den Agarplatten abgenommen und die Fasermycelmatten von den Filtern abgekratzt und mit destilliertem Wasser in geteerte Tiegel gewaschen. Die Tiegel wurden bei 65 C bis zum Erreichen eines konstanten Gewichtes getrocknet und dann über Nacht in einem Ofen bei 550 C verascht. Der organische Anteil wurde als das Material definiert, das bei 550 C verdampfte.a. For the agar plate cultures (moistened cultures): The filters containing fibers or fiber + mycelium were removed from the agar plates and the fibrous mycelium mats from the Filters scraped off and washed with distilled water in tarred crucibles. The crucibles were at 65 C until reaching of constant weight and then incinerated in an oven at 550 ° C overnight. The organic part was defined as the material that evaporated at 550C.

b. Schüttelkolbenkulturen (untergetauchte Kulturen):b. Shake flask cultures (submerged cultures):

Der Inhalt eines Paares von Schüttelkolben wurde kombiniert und durch ein Nukleporefilter mit Porenöffnungen von 0,4 μπι und 47 mm Durchmesser vakuumfiltriert, um die Festkörperteilchen zurückzuhalten. Der auf den Seiten der Kolben zurückbleibende Rest wurde mit einer geringen Menge destillierten Wassers auf das Filter gewaschen. Der filtrierte Rest wurde in dieThe contents of a pair of shake flasks were combined and μπι through a nucleus filter with pore openings of 0.4 and 47 mm diameter vacuum filtered to retain the solid particles. The one left on the sides of the pistons Remainder was washed onto the filter with a small amount of distilled water. The filtered residue was poured into the

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beteerten Tiegel überführt, getrocknet und wie oben beschrieben verascht-.Transferred the covered crucible, dried and ashed as described above.

Die Analyse auf Cellulose, Hemicellulose und Lignin für die Figuren 1 und 2 erfolgte folgendermaßen: Proben des unlöslichen Materials wurden wie oben beschrieben gesammelt, mit der Ausnahme, daß man sie in Glasgefäße mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von 50 mm überführte und bei 65 C trocknete. Trockene Proben von Fasern oder Fasern + Mycel wurden mit 10 ml 72 %-iger Schwefelsäure vermischt, und man ließ das Ganze 3 Stunden stehen, wobei man jeweils stündlich einige Sekunden mischte. Das Ganze wurde dann mit destilliertem Wasser auf 50 ml verdünnt und über Nacht stehen gelassen. Jede Probe filtrierte man danach unter Verwendung eines geteerten Nucleporefilters mit 0,4 pm Porengröße und 47 mm Durchmesser im Vakuum. Bruchteile des Filtrates wurden für Kohlenhydrat (reduzierender Zucker)-Versuche zurückbehalten. Bei diesem Versuch wurde 0,1 ml des Filtrats mit 3,9 ml eines Reagens vermischt, das 1 % Thioharnstoff und 0,05 % Anthron in 72 %-iger Schwefelsäure enthielt. Die Mischung erhitzte man für 10 Minuten auf 95 C, kühlte auf Zimmertemperatur ab und maß die optische Dichte bei 610 nyu. Glucose wurde als Standard benutzt. Diese Versuche wurden routinemäßig auf einem Autoanalysator Technicon Model AA-1 ausgeführt.The analysis for cellulose, hemicellulose and lignin for Figures 1 and 2 was carried out as follows: Samples of the insoluble material were collected as described above, with the exception that they were transferred to glass vessels with a diameter of 25 mm and a height of 50 mm and dried at 65 C. Dry samples of fibers or fibers + mycelium were mixed with 10 ml of 72% sulfuric acid and allowed to stand for 3 hours, mixing for a few seconds every hour. The whole was then diluted to 50 ml with distilled water and left to stand overnight. Each sample was then filtered using a tarred Nucleporefilters with 0.4 μm pore size and 47 mm diameter in a vacuum. Fractions of the filtrate were retained for carbohydrate (reducing sugar) experiments. In this experiment, 0.1 ml of the filtrate was 3.9 ml of a mixed Reag e ns containing 1% thiourea and 0.05% anthrone in 72% sulfuric acid. The mixture was heated to 95 ° C. for 10 minutes, cooled to room temperature and the optical density measured at 610 nyu. Glucose was used as the standard. These tests were routinely performed on a Technicon Model AA-1 autoanalyzer.

Der Rest wurde auf dem Filter mit destilliertem Wasser gewaschen, bis der Filtrat-pH-Wert 5 erreichte, was mit pH-Papier gemessen wurde.Filter + Rest wurden dann über Nacht bei 65 C getrocknet und gewogen. Filter und Proben wurden in geteerte Tiegel überführt und über Nacht bei 550 C verascht. Lignin war definiert als der Teil der Probe (ausgenommen im Filter), der verdampfte. Die Filter enthielten weniger als 0,5 mg Asche.The residue was washed on the filter with distilled water until the filtrate reached pH 5, which was done with pH paper The filter + remainder were then dried overnight at 65 C and weighed. Filters and samples were in Tarred crucibles transferred and incinerated at 550 ° C. overnight. Lignin was defined as the part of the sample (except in the Filter) that evaporated. The filters contained less than 0.5 mg of ash.

Die in den Figuren 1 und 2 in Gew.-% aufgetragenen löslich gemachten Bestandteile beruhen auf dem ursprünglichen Gehalt der Faserprobe. 809817/0798The solubilized constituents plotted in% by weight in FIGS. 1 and 2 are based on the original content the fiber sample. 809817/0798

Die Figur 1 veranschaulicht den Abbau der Bestandteile der Mistfasern durch Chysosporium pruinosum, das in untergetauchten Kulturen in Schüttelkolben gewachsen ist. Jeder Punkt repräsentiert den kombinierten Inhalt zweier Schüttelkolben. Einzelne Punkte zeigen, daß die wiederholten Proben identische Werte ergaben. Die gestrichelten Linien gelten für el ie nicht inoculierten Vergleichsproben.Figure 1 illustrates the degradation of the components of the manure fibers by Chysosporium pruinosum, which is submerged in Cultures grown in shake flasks. Each point represents the combined contents of two shake flasks. Individual points show that the repeated samples gave identical values. The dashed lines apply for the comparative samples not inoculated.

Figur 1 zeigt den Verlust an verschiedenen Faserbestandteilen mit der Zeit in untergetauchten Kulturen, und es ergibt sich, daß unter diesen Bedingungen durch Chrysosporium pruinosum wenig oder kein Lignin löslich gemacht, d.h. abgebaut wird, vergleichen mit den nicht inoculierten Kontrollproben, und dies während einer Zeit von 30 Tagen aktiven Abbaus. Während dieser Zeit wurden 50 % der Kohlehydrate (Cellulose und Hemicellulose ) und 40 % der gesamten organischen Bestandteile löslich gemacht.Figure 1 shows the loss of various fiber components with time in submerged cultures, and it is found that under these conditions by Chrysosporium pruinosum little or no lignin is solubilized, i.e. broken down, compare with the non-inoculated control samples, and this during a period of 30 days of active degradation. During this time 50% of the carbohydrates (cellulose and hemicellulose ) and solubilized 40% of the total organic components.

Figur 2 zeigt den Abbau der Mistfaser-Bestandteile durch Chrysosporium pruinosum, das in getränkten Fasern auf der Oberfläche von Minaralagarplatten gezüchtet wird. Jeder Punkt- repräsentiert den Inhalt einer Platte. Alle Versuche wurden crjppelt ausgeführt. Die gestrichelten Linien gelten für die nicht inoculierten Vergleichsprcben.Figure 2 shows the degradation of the manure fiber components through Chrysosporium pruinosum, which is grown in soaked fibers on the surface of mineral agar plates. Everyone Dot - represents the contents of a disk. All experiments were carried out in sequence. The dashed lines apply for the non-inoculated comparative samples.

Figur 2 :ieigt den Verl-ust an verschiedenen Faserkomponenten mit der Zeit in getränkten Faserkulturen auf der Oberfläche von Mineralagarplatten und zeigt, daß ein Abbau von Lignocellulose vorzugsweise auf nicht untergetauchten Substraten, d.h. auf getränkten Substraten, stattfindet und daß eine Festatoffkonzentration von etwa 20 Gew.-% einen raschen Lignocelluloseabbau gestattet. Nach 12 Tagen Incubationszeit waren 50 % des Lignins, 80 % der Kohlehydrate (Cellulose und Hemicellulose) und 75 % der gesamten organischen Bestandteile Figure 2: increases the loss of various fiber components over time in soaked fiber cultures on the surface of mineral agar plates and shows that lignocellulose is preferably broken down on non-submerged substrates, ie on soaked substrates, and that a solids concentration of about 20 wt .-% allows rapid lignocellulose degradation. After 12 days of incubation , 50% of the lignin, 80% of the carbohydrates (cellulose and hemicellulose) and 75% of the total organic components

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löslich gemacht. Nach dieser Zeit scheint der Abbau aufzuhören. Unter den vorstehenden Bedingungen wird in den nicht inoculierten Vergleichsproben weniger Material löslich gemacht als in den Schüttelkolben.made soluble. After this time, the degradation seems to stop. Under the above conditions, the will not inoculated comparison samples made less material soluble than in the shake flask.

In der folgenden Tabelle ist ein Vergleich der Abbaugeschwindigkeiten für Lignin und Cellulose durch Polyporus versicolor, einen gut untersuchten, ligninabbauenden, mesophilen Schimmel und durch Chrysosporium pruinosum, den in der vorliegenden Erfindung benutzten,ligninabbauenden,thermostabilen Schimmel angegeben.The following table compares the degradation rates for lignin and cellulose by Polyporus versicolor, a well-studied, lignin-degrading, mesophilic mold and by Chrysosporium pruinosum, the lignin degrading thermostable mold used in the present invention specified.

(a)(a) TABELLETABEL ZeitTime AbgebautesDismantled ZeitTime AbgebauteDismantled (Tage)(Days) Lignin (%)Lignin (%) (Tage)(Days) Organismusorganism Cellulose(%)Cellulose (%) 245245 5050 168168 P. versicolorP. versicolor 7676 1212th 5050 1212th C. pruinosumC. pruinosum 80-9080-90

(a) E.B. Cowling, Comparative Biochemistry Of The Decay Of Sweetgum Sapwood By White - Rot and Brown - Rot Fungi. U.S.D.A. tech. Bull No. 1258, (1961).(a) E.B. Cowling, Comparative Biochemistry Of The Decay Of Sweetgum Sapwood By White - Rot and Brown - Rot Fungi. U.S.D.A. tech. Bull No. 1258, (1961).

Die Angaben der vorstehenden Tabelle zeigen, daß unter geeigneten Kulturbedingungen genug Lignin biologisch entfernt werden kann, um 85 bis 90 % der Cellulose durch Cellulase abbaubar zu machen. Die Geschwindigkeit und Ausbeuten für den Celluloseabbau nach Figur 2 sind Minimalwerte, da die ZeIlwandzuckerreste zu den erhaltenen Cellulosewerten beitragen und die Kulturen von kleinen Sporeninocula ausgingen. Unter Verwendung eines größeren Inoculums von Cellulase und Lignase, das durch vegetative Zellen eingeführt wird, d.h. den Chrysosporium pruinosum-Schimmel, würde vermutlich die für den maximalen Celluloseabbau erforderliche Incubationszeit verkürzt.The information in the table above shows that enough lignin can be removed biologically under suitable culture conditions can to make 85 to 90% of cellulose degradable by cellulase. The speed and yields for the Cellulose degradation according to FIG. 2 are minimum values, since the cell wall sugar residues contribute to the cellulose values obtained and the cultures started from small spore inocula. Under Use of a larger inoculum of cellulase and lignase introduced by vegetative cells, i.e. the Chrysosporium pruinosum mold, would presumably die for the maximum Cellulose degradation shortens the incubation time required.

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Figur 2 zeigt, daß deutliche Mengen an Lignin abgebaut werden können und daß 80 bis 90 % des Cellulosegehaltes des Substrates der Einwirkung von Cellulaseenzymen ausgesetzt werden können. Die bei den Versuchen benutzten Mistfasern waren gegenüber anderen natürlichen organischen Materialien relativ ligninreich. Die Celluloseabbaubarkeit ist umgekehrt proportional dem Ligningehalt, und dies läßt vermuten, daß die Abbaufähigkeit des beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten thermobeständigen Schimmels, die auf einem widerstandsfähigen Substrat, wie Mistfasern,vorhanden war, bei Substraten mit weniger Ligningehalt, wie Holz, gleich oder besser sein sollte. Weitere Versuche haben tatsächlich einen guten Lignin- und Celluloseabbau bei Zeitungspapier als Wachstumssubstrat gezeigt. Zeitungspapier wird zum großen Teil aus ligninhaltigen Holzfasern hergestellt.FIG. 2 shows that significant amounts of lignin can be broken down and that 80 to 90% of the cellulose content of the substrate exposed to cellulase enzymes. The manure fibers used in the experiments were relatively rich in lignin compared to other natural organic materials. The cellulose degradability is reversed proportional to the lignin content, and this suggests that the degradability of the used in the process according to the invention heat-resistant mold that is on a resistant Substrate, such as manure fibers, was present, with substrates with less lignin content, such as wood, the same or should be better. Further attempts actually found good lignin and cellulose degradation in newsprint than Growth substrate shown. Newsprint is largely made from lignin-containing wood fibers.

In einer am gleichen Tage eingereichten anderen deutschen Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No. 734 324 vom 20. Oktober 1976 in Anspruch genommen ist, wird das Züchten eines thermobeständigen Schimmels auf einem getränken Lignocellulosesubstrat bei einer Temperatur von mindestens 20 C offenbart, wobei der Schimmel Enzyme produziert, die das Substrat abbauen, wobei man durch Erhöhen der Temperatur das Wachstum des Schimmels beenden kann, während die erzeugten Enzyme den Abbau des Substrats fortsetzen.In another German patent application filed on the same day by the applicant for which the priority of U.S. patent application serial no. 734 324 of October 20, 1976 is claimed is the cultivation of a heat resistant Schimmel disclosed on a soaked lignocellulose substrate at a temperature of at least 20 C, wherein the mold produces enzymes that degrade the substrate, increasing the temperature to allow the growth of the Mold can kill while the generated enzymes continue to break down the substrate.

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e e r s e ι t ee e r s e ι t e

Claims (5)

4382-RD-9494 GENERAL ELECTRIC COMPANY PATENTANSPRÜCHE4382-RD-9494 GENERAL ELECTRIC COMPANY PATENT CLAIMS 1.Verfahren zum Abbauen von Lignocellulose, gekennzeichnet durch folgende Stufen: Herstellen eines Lignocellulosesubstrates, das mit einer Nährminerallösung mit einem pH-Wert von 4 bis 5 getränkt ist, wobei das Substrat aus etwa 10 bis etwa 80 Gew.-% Lignocellulose-Feststoffen, bezogen auf die Gesamtmenge aus Lignocellulose-Feststoffen und Nährlösung besteht, Inoculieren des Substrates mit Chrysosporium pruinosum und Halten des inoculierten Substrates bei einer Temperatur von etwa 20 bis etwa 4 5 C, um das Chrysosporium pruinosum zu züchten, das Enzymsysteme erzeugt, die die Lignocellulose abbauen, wobei man den genannten Schimmel bei der genannten Temperatur so lange wachsen läßt, bis mindestens eine merkliche Menge der Lignocellulose abgebaut ist.1. Process for breaking down lignocellulose, characterized by the following stages: Manufacture of a lignocellulosic substrate soaked in a nutrient solution with a pH of 4 to 5 wherein the substrate comprises about 10 to about 80 weight percent lignocellulosic solids based on the total consists of lignocellulose solids and nutrient solution, inoculating the substrate with Chrysosporium pruinosum and Maintaining the inoculated substrate at a temperature of about 20 to about 45 ° C. to protect the Chrysosporium pruinosum to breed, which produces enzyme systems that break down the lignocellulose, one of the molds mentioned in the mentioned Let the temperature grow until at least a noticeable amount of the lignocellulose is broken down. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Lignocellulosesubstrat mit einer flüssigen Suspension von Sporen des Chrysosporium pruinosum inoculiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the lignocellulosic substrate with a liquid suspension of spores of Chrysosporium pruinosum is inoculated. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus 20 Gew.-% Lignocellulose-Feststof fen, bezogen auf die Gesamtmenge aus Lignocellulosefeststoffen und Nährlösung zusammengesetzt ist.3. The method according to claim 1, characterized in that that the substrate consists of 20 wt .-% lignocellulose solids, based on the total amount Lignocellulose solids and nutrient solution is composed. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das inoculierte Substrat zum Züchten des Chrysosporium pruinosum bei einer Temperatur von etwa 38 bis etwa 40°C gehalten wird.4. The method according to claim 1, characterized in that that the inoculated substrate for growing the Chrysosporium pruinosum at a temperature of about 38 to about 40 ° C. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lignocellulose in Teilchenform vorliegt.5. The method according to claim 1, characterized in that that the lignocellulose is in particulate form. 809S17/0766809S17 / 0766
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