DE2808932A1 - Herstellung von aethanol aus cellulose - Google Patents

Herstellung von aethanol aus cellulose

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cellulose
τοη
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cellulosic material
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Description

Herstellung von Äthanol aus Cellulose
Die rorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung τοη Äthanol aus Cellulose durch die gemeinsame Züchtung eines thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen und eines Äthanol-produzierenden thermophilen Bacillus.
Cellulose ist ein natürliches festes Polymeres der Glukose. In ihrem natürlichen Zustand oder ihrer natürlichen Form hat Cellulose eine physikalische Struktur (physical structur), die aus einer Mischung von kristallinen und amorphen Bereichen oder Gebieten (areas or regions) besteht . Chemische Reagenzien reagieren mit den amorphen Bereichen wesentlich leichter oder durchdringen sie wesentlich leichter als die kristallinen Bereiche. In reiner oder relativ reiner Form kann Cellulose durch die verschiedensten Arbeitsverfahren in nutzbare Produkte, wie z. B. Papier, Zucker, Äthanol und Methan überführt werden. Der Hefekultur von Cellulose zur Herstellung von Äthanol muß ein Hydrolysenschritt vorrausgehen, da die Hefe Cellulose nicht hydroly-
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sieren kann.
Bisher waren nur mesophile cellulolytische Sporocytophagen "bekannt. Die mesophilen cellulolytischen Sporocytophagen wachsen bei einer Temperatur τοη 20 - 30° C und rerarbeiten (digest) die Cellulose mit einer Geschwindigkeit, die su niedrig ist, um "brauchbar zu sein. Die rorliegende Erfindung rerwendet eine neue thermophile cellulolytische Sporocytophage, die bei erhöhten Temperaturen wächst und die Enzyme produziert, die Cellulose mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit als die ihrer mesophilen Gegenstücke, häufig um das Zwei- bis Vierfache, rerarbeitet. Insbesondere wird in der Torliegenden Erfindung eine neue Mischkultur aus einem thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen und einem thermophilenÄthanol-produzierenden Bacillus rerwendet, um Äthanol' in einem einzigen Permentationsschritt aus Cellulose herzustellen. Die Enzyme des thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen hydrolysieren die Cellulose zu löslichen Zuckern und die Enzyme des thermophilen Bacillus überführen die löslichen Zucker in Alkohol. Durch den Ausdruck "lösliche Zucker" werden hierin Zucker bezeichnet, die bei einer Temperatur τοη 50° C in Wasser löslich sind. Einer der Vor-! teile der Torliegenden Erfindung ist, daß die recht komplexen konTentionellen Lösungen Termieden werden können, die die Anwendung τοη zusätzlichen Chemikalien unter hohen Ko ^en erfordern, was mit dem Problem der Beseitigung der durch die zugesetzten Chemikalien herTorgerufenen Rückstände begleitet ist.
Kurz gesagt umfaßt das Torliegende Verfahren das Vermischen τοη Cellulose oder einem celluloseartigen Material mit einem mineralischen Nährmedium, wobei eine Suspension mit einem pH-Wert im Bereich τοη etwa 7 bis 8 gebildet wird, das Ver-
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aischen dieser Suspension mit einer Mischkultur eines thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen und eines thermophilen Äthanol-produzierenden Bazillus und die Fermentierung der erhaltenen Mischung in einem pH-Bereich ron etwa 7 bis und bei einer Temperatur ron etwa 50 bis etwa 65° C, wobei zumindest eine beträchtliche Menge Äthanol gebildet wird. Mit "celluloseartigem Material" wird hierin Cellulose selbst oder ein MaterfaT^f 1^aS10SO rorbehandelt wurde, daß die Cellulosekomponente zumindest in größeren Mengen oder rorzugsweise fast Tollständig dem Kontakt mit der Mischkultur zugänglich gemacht wird. Weiterhin bedeutet eine beträchtliche Menge Äthanol hierin Äthanol in einer Menge ron mindestens etwa 10 Gew.-% der im Fermenter rorhandenen Cellulose.
Bei der Durchführung des Torliegenden Verfahrens ist die CeI-luloseqüelle nicht kritisch und es kann natiyes oder natürliches celluloseartiges Material genauso wie Abfallcellulose rerwendet werden.
Cellulose ist der Hauptbestandteil des pflanzlichen Gewebes. Die Hauptmasse der organischen Materie auf der Erde, die sich (im Kreislauf) erneuern kann, besteht aus Lignocellulose. Außer in der Form ron Baumwolle und einigen bakteriellen Polymeren kommt Cellulose nicht rein in der Natur ror, es ist jedoch im Gewebe ron Landpflanzen im Komplex mit Alkali-löslichen Polysacchariden ron niederem Molekulargewicht, die gemeinhin Hemicellulosen genannt werden und mit Lignin, einem dreidimensional zufällig rerteilten Polymer hohen Molekulargewichts des Phenylpropanalkohols, rorhanden. In Form einer schützenden Umhüllung rerhindert Lignin die enzymatisch^ Hydrolyse der Cellulose zu löslichen Zuckern. Je größer der Ligningehalt eines Lignocellulose-Materials ist, umso widerstandsfähiger ist deren Cellulosekomponente
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gegenüber einer eneymatischen Einwirkung. Typische Beispiele für Lignocellulose-Materialien sind Holz, Mistfaaern und Stroh. Holz enthält etwa 50 % Cellulose, während Baumwollfasern etwa 98 % Cellulose enthalten.
Typische Beispiele für Abfall-Cellulose-Material, das hierin als Cellulosequelle rerwendbar ist, sind industrielle Celluloseabfälle, wie z. B. (Papp)Schachteln (boxes), Zeitungspapier oder Papiertüten und landwirtschaftliche Abfälle, wie z. B. Zuckerrohrtrestor (Bagasse).
In der rorliegenden Erfindung muß die Cellulosequelle, das heißt die natürliche oder aus Abfall stammende, lediglich, falls notwendig, soweit behandelt werden, daß deren Cellulosekomponente zumindest in größerer Menge, vorzugsweise zu mehr als 60 Gew.-% der rorliegenden Cellulose für den Kontakt mit der Mischkultur rerfügbar gemacht wird. Eine solche Behandlung kann physikalisch oder chemisch sein.
Nach der einen Methode wird das Ligno-Cellulose-Material zu einer feinen Teilchengröße, rorzugsweise kleiner als 100 Micron,1 zerkleinert, um zumindest einen größeren Teil der Cellulösekomponente frei_zu_legen und für den Kontakt mit der Torliegenden Mischkultur während der Fermentation rerfügbar zu machen. Die Zerkleinerung kann nach üblichen Arbeitsrerfahren, z. B. durch mechanische Vermahlung oder PuI-reri sierung des lignocellulose-Materials, ausgeführt werden.
Außerdem kann das Lignocellulosematerial zur Freisetzung der Cellulosekomponente mit Säuren oder Alkalimetallhydroxiden, die das Lignin durchdringen und es hinreichend abbauen oder depolymerisieren, um die Cellulose dem Kontakt mit der
Torliegenden Mischkultur rerfügbar zu machen, behandelt werden. Beispielsweise wird das Lignocellulose-Material in seiner natürlichen Form, z. B. Schalen, Stengel oder Blätter, oder Torzugsweise in feinteiliger Form (paticulate form), Torzugsweise bei erhöhten Temperaturen, die bis zu 100° C reichen können, in ein wässriges Metallhydroxid im Konzentrationsbereich ron etwa 5 bis 50 Gew.-% Alkalimetallhydroxid, Torzugsweise Natriumhydroxid, eingetaucht.
Das Alkali-behandelte Material kann dann nach üblichen Arbeitsrerfahren, wie z. B. Dekantation oder Filtration, aufgearbeitet werden und dann mit Säure, wie z. B. Chlorwasserstoffsäure, behandelt werden, um es auf den gewünschten pH-Wert τοη 7 bis 8 zu bringen. Die zweckdienliche Konzentration an Alkalimetallhydroxid, seine Temperatur und die Zeitdauer, die das Lignocellulose-Material darin eingetaucht wird, können empirisch bestimmt werden und hängen im wesentlichen τοη der Menge des rorliegenden Lig-* nins und dem gewünschten Grad des Abbaues oder der Spaltung ab.
Die Torliegende Fermentation muß unter submersen Bedingungen durchgeführt werden. Das rorliegende Fermentationsmedium hat einen pH-Bereich τοη etwa 7 bis 8 und besteht aus einer Suspension eines festen teilchen- oder faserförmigen celluloseartigen Materials in einem wässrigen Mineral-Nährmedium. Die Suspension kann nach einem Standar&Terfahrßn durch einfaches Vermischen des teilchen- oder faserartigen Cellulosematerials mit dem Nährmedium in geeigneten Mengen erfolgen. Die Menge des celluloseartigen Materials in der Suspension soil* ausreichen, um zumindest einen bebeträchtlichen Kontakt mit der Mischkultur zu gewährleisten,
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damit die Fermentation zumindest mit einer praktisch rerwendbaren Geschwindigkeit erfolgen kann. Für die praktische Durchführung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das feste celluloseartige Material in einer Menge τοη minde stens etwa 2 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, und Torzugsweise in einer Menge τοη etwa 5 bis etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, zugegen ist. Beim Vorliegen größerer Mengen als etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Suspension, wird eine beträchtliche Menge Wasser absorbiert, sodaß es schwierig ist, eine Suspension zu bilden.
Das Ferment at ionanedium muß einen pH-Bereich τοη etwa 7 bis 8 aufweisen und sollte während der Fermentation in diesem pH-Bereich gehalten werden. Bei einem pH-Wert unterhalb τοη 7 wächst der thermophile cellulolytische Sporocytophage nicht, während er bei einem pH-Wert oberhalb τοη 8 sehr langsam wächst. Für eine optimale Wachstumsrate der Torliegenden Mischkultur sollte der pH-Wert des Fermentationsmediums Torzugsweise zwischen 7»2 und 7,8 liegen. Bar pH-Wert des Fermenterinhalts kann während der Fermentation durch übliche Einrichtungen, wie z.B. eine pH-Sonde, kontinuierlich kontrolliert werden. Falls es während der Fermentation nötig ist, kann der Fermenterinhalt auf übliche Welse durch Zugabe geeigneter Säuren oder Alkalien, wie z. B. Chlorwasserstoffsäure oder Natriumhydroxid, auf einen günstigen pH-Wert eingestellt werden.
Das zur Bildung des Fermentationsmediums geeignete feste celluloseartige Material kann, falls nötig, durch übliche ArbeitsTerfahren, wie z. B. Vermählen oder PulTerisieren zu feiner Teilchen- oder Faserform, zerkleinert werden. Das teilehenförmige celluloseartige Material soll eine Teilchen-
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größe yon weniger als etwa 1000 Mikron und vorzugsweise weniger als etwa 100 Mikron aufweisen. Das faserförmige celluloseartige Material sollte einen Durchmesser ron unter etwa 1000 Mikron und vorzugsweise noch feiner aufweisen. Je feiner das celluloseartige Material ist, umso größer ist die Oberfläche für den Kontakt mit der Mischkultur
und umso besser wird dadurch auch der Abbau der Cellulose bewirkt, das heißt, daß die Fermentationsgeschwindigkeit der Cellulose zur Herstellung ron Äthanol umso größer ist. Auch sollte aus praktischen Gründen das celluloseartige Material mindestens etwa 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens etwa 50 Gew.-% oder mehr der zur Bildung der Suspension verwendeten Gesamtmenge des celluloseartigen Materials enthalten. Außerdem sollte das celluloseartige Material Torzugsweise einen pH-Wert ron etwa 7 bis 8 aufweisen.
Das verwendete spezielle mineralische Nährmedium ist nicht kritisch, und es hat vorzugsweise einen pH-Wert von etwa 7 "bis 8, der für das Wachstum der Organismen der Mischkultur notwendig ist. Der Ausdruck "Medium" bedeutet hierin entweder eine Lösung oder eine Suspension. Insbesondere ist das Medium zum großen Teil ein anorganisches und enthält eine Anzahl von Mineralien in Lösung, um die Anwesenheit der wichtigeren Nähr-Ionen, wie z. B. Natrium, Kalium, Phosphat, Sulfat, Magnesium und Eisen, zu gewährleisten,und enthält gewöhnlich ein organisches Chelatisierungsmittel, um das Eisen ^.öst zu halten. Die absoluten Konzentrationen der Nährstoffe in dem Medium sind nicht kritisch, solange sie in den geeigneten Mengen zugegen sind, daß die Organismen der Mischkultur wachsen können, aber nicht so hoch sind, daß sie das Wachstum inhibieren. Die bakteriologischen Standard-Kulturmedien sind hierin als mineralische Nährmedien
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geeignet, da sie alle für das Bakterienwachstum notwendigen wichtigeren Ionen enthalten, und die genaue Zusammensetzung kann in üblicher Weise in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des verwendeten besonderen celluloseartigen Materials, das heißt von der Menge, in der die Nährstoffe bereits in dem Substrat enthalten sind, geändert werden.
Die Mischkultur der vorliegenden Erfindung besteht aus einem thermophilen cellulolytischen Gram-negativen Sporocytophagen und einem Ä'thanol-produzierenden Gram-positiven thermophilen Bacillus.
Der Äthanol-produzierende Gram-positive thermophile Bacillus der vorliegenden Erfindung ist ein Stamm, der bei Temperaturen von etwa 50° G bis 65° G und in einem pH-Bereich von 7 bis 8 wächst und Äthanol zumindest mit einer praktisch verwendbaren Geschwindigkeit produziert, das heißt minde atens etwa 0,25 g pro Liter χ Stunde. Die achte Ausgabe von Bergey's Manual of Determinative Bacteriology, The Williams & Wilkins Co., 1974- beschreibt auf Seite 540, daß Bacillus stereothermophilus bei Temperaturen von einem Minimalbereich von 30° C bis 4-5° C bis zu einem Maximalbereich von 65 bis 75° 0 wächst, und daß Bacillus coagulans bei Temperaturen von einem Minimumbereich von 15° C bis 25° C bis zu einem Maximalbereich von 55° C bis 60° C wächst. Deshalb umfassen die typischen Spezies, die entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, Bacillus stereothermophilus und Bacillus coagulans. Kulturen dieser Bacilli sind in der American Type Culture Collection in Washington, D.O. und in anderen Niederlegungsstellen vorhanden. Es wird angenommen, daß der vorliegende thermophile cellulolytische Grampositive Bacillus ein Bacillus stereothermophilus ist, der bei 650C langsam wächst.
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Die Torliegende Mischkultur kann in üblicher Weise gebildet werden, das heißt der thermophile cellulolytische Sporocytophage und der Äthanol-produzierende Bacillus können zusammen in einer Standard-Nährlösung bei Temperaturen τοη etwa 50° G bis etwa 65° C submers kultiTiert werden.
Die Torliegende Mischkultur, bestehend aus dem thermophilen cellulolytischen Gram-negatiTen Sporocytophagen, genannt "US" und Äthanol-produzierenden Gram-positiren thermophilen Bacillus, genannt "OK", wurde bei dem U.S. Department of Agriculture niedergelegt. Diese Mischkultur (NRRL B-11077) wird wie folgt identifiziert:
Diese Sporocytophagen-Kultur US wurde aus einer Probe aus Erdboden und faulendem Holz isoliert, die während der Suche nach thermophilen cellulolytischen Mikroorganismen im Gebiet τοη Schenectady, NY, an der Basis eines alten Ulmenstumpfes gesammelt wurde. Nach der Anreicherungskultur in einem wässrigen Medium, das aus 0,05 g Hefeextrakt, 0,05 g Trypton, zerkleinertem Filterpapier und Bodenproben in 100 ml Wasser bestand, wurde sie in einem wässrigen Medium subkultiriert, das aus 0,1 g Hefeextrakt, 1 g Trypton, M/15 Phosphatpuffer mit einem pH-Wert τοη 7,0 und zerkleinertem Filterpapier bestand. Es wurde gefunden, daß dieser Sporocytophagen-Stamm ein hellgelbes bis orangefarbenes Pigment erzeugt, wenn er auf Cellulose kultiTiert wird. In Gegenwart τοη Luft begann er nicht zu wachsen, er stieg jedoch zur Oberfläche auf, nachdem die Submerskultur begonnen wurde. Dieser Sporocytophagen-Stamm wächst als ein langes dünnes Gram-negatiTes Stäbchen mit einem Durchmesser τοη etwa 0,7 Mikron und einer unterschiedlichen Länge bis zu einigen Mikron mit einer Tergrößerten Spore am Ende. Alle Versuche, diesen Sporocytophagen in einer Reinkultur zu kultiTieren, waren Tergeblich; es
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wird stets von dem Ciraia-posltiven therniophilem Bacillus feegleitet. Dieser Stamm IS des Sporoeytopkagen ° C 10 Minuten» jedoch nicht 20 Minuten,,, und !»ei 96°C
aber nicht ? Minuten. In einem mit der vorliegenden Mischkultur frisch "beimpften Medium entwickelte der Bacillus rasch ein aerobes und anaerobes Wachstum^ der· Spörocytophage wuchs langsamer und leitete unter Bedingungen den Gelluloseabbau nm& iie eim. Wenn äeir Sporocytaphage in einem Gltikose als K©WLenhyfeafeqjuelle enthaltenden Kedium icultiTiert wireü» ereeugt er kein gelbes Pigment» Ber optimale pH-Wert ffcfcr diesen Sporaejrfeopnagen wsrde im Bereieh von T9 5 "bis T„S gefiamden; heel eine» pH-Wert van 6t5 oder oberhalb ran Se5 "beginnt er nieht eu wachsen« Es wurde geftmden» daß die optimale lachstumstemperatur feei 5-5° C "bis 65° G liegt. iHus&esendere war das Wachstum des Sporocytophagen stark "bei 45ω CS8 "bei 400C Tx&ä "70 G war es jedoch sehr langsam oder gar micM; mehr TGcrhanden«
Ber Stamm QK des Äthanol-prodxizi er enden ©r-aaa-pcssit.i.ven thermophilen Bacillus wurde aus faulender Vegetatioam. und einer Bodenpicolie isoliert, die τοη einer ungewöhnlieh. hejLBen Bodenfiäche im Yellowstone Mational Park erhalten waaräe. Es wurde gefunden, daß er auf einem nährsto-ffreichem Medium, wie ε. B. Luria-Hährmedium,, wächst. Er wuchs nicht auf einem Mineral-Hährmediuia ohne Zusätze, wuchs jedeeh auf einem Mineral-Mähriaedium, dem 0r2 % Hefeextrakt- ssugeaettt warden waren. Er wuchs bei Temperaturen v®n 4® C? bis 60® C. Er wuchs nicht "bei temperaturen vom TO® Si und 30° G. Er ist ein großes Gram-posltires Stäbchen mdt einem Durchmesser von etwa 1 Mikron und einer länge van etwa 2,5 bis S Mikron mit einer einzigen Spore. Er vergärt
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Glukose als auch Cellobiose. Bei der Kultivierung auf Lackmusmilch, entwickelt er proteolytische Wirkung.
Eine Subkultur dieser Mischkultur kann von der ständigen Sammlung der Horthern Marketing and Nutrient Research Division, Agricultural Service, TJ. S. Department of Agriculture, Peoria, Illinois, U.S.A. erhalten werden.
Die vorliegende Fermentation wird in einem Temperaturbereich von etwa 50° C bis 65° C durchgeführt. Die speziell verwendete Fermentationstemperatur hängt im wesentlichen von der Machstumsrate des speziell verwendeten Äthanol-produzierenden. Bacillus bei dieser Temperatur ab. Fermentationstemperaturen unterhalb von 50° C sind nicht zweckdienlich, da der Sporocvtophage zu langsam wächst, während bei Temperaturen oberhalb von 65° G die Bacilli überhaupt nicht mehr oder für praktische Zwecke zu langsam wachsen. Bei Fermentationstemperaturen im Bereich von etwa 55 C bis 60 C wird im allgemeinen ein optimales Wachstum der Mischkultur der vorliegenden Erfindung erhalten.
Die vorliegende Fermentation wird in einem geschlossenen Gefäß oder Fermenter durchgeführt. Die Mischkultur, die gewöhnlich in der mineralischen Nährlösung suspendiert ist, wird vorzugsweise mit dem Eermentationsmedium vermischt, sodaJS es zumindest im wesentlichen gleichmäßig in der ganzen Suspension verteilt ist. Die vorliegende Fermentation ist anaerob, es ist jedoch nicht erforderlieh, Kohlendioxidgas durch das Fermentationsmedium oder die Masse zu leiten, da die vorliegende Mischkultur der Organismen während der Fermentation. Kohlendioxidgas abgibt. Außerdem wird durch die Entwicklung dieses Kohlendioxidgases die fermentierende Kasse fcjbaareichend in Suspension gehalten, sodaß die Verwen-
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dung zusätzlicher Rühreinrichtungen nicht erforderlich ist.
Die Torliegende Fermentation kann als diskontinuierliches Verfahren durchgeführt werden. Sie kann auch als kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden, indem zusätzlich celluloseartiges Material zu dem Fermenter hinzu_gegeben wird, um die rerwertete und entfernte Cellulose zu ergänzen. Der Druck im Fermenter während der Fermentation kann Atmosphärendruclc oder ein partielles Vakuum sein. Wird bei atmosphärischem Druck gearbeitet, so sammelt sich Äthanol in dem Fermenter und Terlangsamt die Fermentation und unterbricht sie unter Umständen röllig. Wird ein diskontinuierliches Verfahren bei Atmosphärendruck durchgeführt, so kann die Verweilzeit in dem Fermenter rariieren und empirisch bestimmt werden, indem der Zeitpunkt bestimmt wird, in dem die Äthanolproduktion aufhört. Dies ist durch rerschiedene Arbeitsrerfahren möglich, z. B. dadurch, daß nach einem Zeitraum Proben aus der Fermentationsmasse entnommen werden und deren Äthanolgehalt in üblicher Weise bestimmt wird. Wenn die bei atmosphärischem Druck durgeführte Fermentation beendet ist, wird der Inhalt des Fermenters zur Abtrennung und Gewinnung der Äthanolkomponente aufbereitet. Dies kann dadurch geschehen, daß der Fermenterinhalt auf eine Temperatur ron etwa 78° C bis etwa 85° C gebracht wird, um das Äthanol abzudesttillieren oder der Fermenterinhalt bei einem partiellen Vakuum auf Temperaturen τοη unterhalb 78° C, rorzugsweise τοη etwa 50° C bis 70° C, gebracht wird.
Ein partielles Vakuum im Fermenter wird berorzugt, da die dabei erhaltenen Ausbeuten an Äthanol wesentlich höher sind als die bei Atmosphärendruck erhaltenen. Beispielsweise beträgt die Ausbeute an Äthanol, bezogen auf Cellulose, bei Atmosphärendruck etwa 10 bis etwa 20 % der Theorie, während sie bei einem partiellen Vakuum 40 % bis 80 % der Theorie oder noch mehr betragen kann. Bei einem partiellen
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Vakuum destilliert das Äthanol so schnell ab, wie es gebildet wird, und die Menge des erhaltenen Äthanols wird größtenteils durch die im Fermenter anwesende Menge der Cellulose begrenzt. Das partielle Vakuum muß lediglich so groß sein, daß das während der Fermentation gebildete Äthanol bei der speziellen Fermentationstemperatur verdampfen kann und der Äthanoldampf aus dem Fermenter abgezogen werden kann. Gewöhnlich liegt ein solches partielles Vakuum in einem Druckbereich von etwa 100 mm Hg bis etwa 400 mm Hg.
Wenn während der Fermentation ein partielles Vakuum verwendet wird, wird bevorzugt ein Gas durch die Atmosphäre des Fermenters geleitet, das hilft, den Äthanoldamp? aus dem Fermenter zu treiben. Das Gas kann entweder ein dem Inhalt des Fermenters gegenüber inertes Gas sein, wie z. B. Stickstoff, oder es kann ein basisches Gas, wie z. B. Ammoniak, oder ein saures Gas, wie z. B. COp sein, um die Aufrechterhaltung eines geeigneten pH-Wertes während der Fermentation zu unterstützen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases kann variieren und kann empirisch bestimmt werden. Das Kohlendioxidgas verstärkt auch das Wachstum der Sporocytophagen, in dem es das Carbonat oder das COp-Gas ersetzt, das durch das partielle Vakuum entfernt worden ist, da COp fü^deren kräftiges Wachstum benötigt wird.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.
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Beispiel 1
In diesem Beispiel wurde die Mischkultur Nummer NRRL B-11077 verwendet, die aus dem thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen "US" und dem thermophilen cellulolytischen Äthanol-produzierenden Bacillus "OK" bestand. Das verwendete mineralische Nährmedium enthielt 5,0 g (NH4^SO4; 1 g NaGl; 0,2 g MgSO4.7H2O; 0,008 g ZnSO4^H2O; 0,2 g FeSO4.7HgO; 0,02 g MnSO4.4H2O; 0,02 g CaCl1; 0,2 g Versenol und M/15 Phosphatpuffer pro Liter und wurde auf den pH-Wert 7,5 eingestellt.
Die verwendete Apparatur bestand aus einem 1-Liter-Fermentationsgefäß, das mit einem 500 ml Wasserabscheider und einem 50 ml Alkoholabscheider verbunden war; sowie den notwendigen Verbindungen und Kühlern. Das Fermentationsgefäß hatte eine pH-Sonde und einen Einlaß sowohl für Kohlendioxidgas als auch für Ammoniak. Der Wasserabscheider hatte einen Unterdruckmesser und der Kühler in dem Alkoholabscheider wurde mit Grundwasser von 15° C bis 18° C gespeist. Sowohl der Fermenter als auch der Wasserabscheider wurden durch thermostatisierte Glas:col -Erhitzer (glascol heaters) bei der gewünschten Temperatur gehalten. Während der Operation wurden der pH-Wert und das partielle Vakuum in dem Fermentergefäß durch manuelle Betätigung auf den gewünschten Werten gehalten. Der pH-Wert der Fermentermischung wurde durch periodische Zugabe von Ammoniak in Form von Ammoniumhydroxid bei 7,5 gehalten, da während des Wachstums organische Säuren produziert wurden. Aus einem angeschlossenen Schauzylinder wurde periodisch Kohlendioxidgas in die Fermenteratmosphäre geleitet, um das Abtreiben des Äthanoldampfes aus der Fermenteratmosphäre zu unterstützen und das durch das partielle Vakuum entfernte Kohlendioxid zu ersetzen.
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Eine Suspension aus 500 ml des mineralischen Nährmediums plus 0,5 g Hefeextrakt und 5 g Whatman # 1 Filterpapier mit einer Teilchengröße ron etwa 100 bis 1000 Mikron wurde bei Raumtemperatur mit der vorliegenden Mischkultur (NRRL B-11077) beimpft. Das Filterpapier bestand nur aus Cellulose. Obgleich dem mineralischen Nährmedium Hefeextrakt hinzugesetzt worden war, ist dies kein unbedingt erforderlicher Nährstoff für das Wachstum der Mischkultur, und insbesondere wird es für das Wachstum des in der vorliegenden Mischkultur enthaltenen Äthanol-produzierenden Bacillus nicht benötigt, da der Sporocytophage die benötigten und durch den Hefeextrakt ergänzten Nährstoffe liefert.
Die erhaltene Fermentationsmasse wurde 12 Stunden in dem geschlossenen Fermentationsgefäß bei 55° C bei einem pH-Wert Ton 7 bis 8 gehalten. Am Ende dieses Zeitraumes ergab sich ein starkes Wachstum der Mischkultur in dem Fermentationsgefäß. Der atmosphärische Druck wurde dann allmählich auf 153 mm Hg erniedrigt. Das Fermentationsgefäß wurde dann bei 55° C gehalten, der Wasserabscheider bei 40° C und der Äthanolabscheider bei Raumtemperatur, die etwa 25° C betrug, während das Kühlwasser eine Temperatur ron 15 C bis 18 C aufwies. Unter diesen Bedingungen wurden in den ersten zwei Stunden 10 ml 50 %igea Äthanol in dem Abscheider gesammelt, und während der nächsten 7 Stunden wurden ungefähr 2ml 50 %-iges Äthanol pro Stunde gesammelt. Nach dem Ablauf von 2 Stunden und 5 Stunden war es notwendig, das Wasser aus dem Wasserabscheider in das Fermentationsgefäß zurückzugeben, um den Wasserverlust auszugleichen. Die Ausbeute an Äthanol, bezogen auf die Cellulosemenge, betrug etwa 40 % der Theorie.
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Claims (10)

  1. Patentansprüche
    1, Verfahren zum Abbau τοη Cellulose zur Herstellung τοη Äthanol durch gemeinsames Wachstum einer Mischkultur eines thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen und eines thermophilen Äthanol-produzierenden Bacillus, bei dem ein teilchen- oder faserförmiges celluloseartiges Material verwendet wird, in dem zumindest ein größerer Anteil der Gellulosekomponente frei—gesetzt ist, wobei ein wässriges Mineral-Nährmedium mit dem genannten teilehenartigen celluloseartigen Material unter Ausbildung einer Suspension mit einem pH-Wert τοη etwa 7 bis 8 rermischt wird, und wobei das genannte wässrige Mineral-Nährmedium als Nährstoffquelle für die genannte Mischkultur dient, und wobei die genannte Mischkultur mit der genannten Suspension rermischt wird und die erhaltene Mischung bei einer Temperatur von etwa 50° C bis etwa 65° C und bei einem pH-Wert τοη etwa 7 bis 8 fermentiert wird, um zumindest eine wesentliche Menge Äthanol herzustellen, und wobei der genannte Alkohol gewonnen wird.
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    ORiGfMAL INSPECTED
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das celluloseartige Material Cellulose ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert im Bereich von 7,2 his 7,8 liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fermentationstemperatur zwischen 55°C und 65°C liegt.
  5. 5. Verfahren zum Abbau von Cellulose zur Herstellung von Äthanol durch gemeinsames Wachstum einer^ Mischkultur eines thermophilen cellulolytischen Sporocytophagen und eines thermophilen Äthanol-produzierenden Bacillus, bei dem ein teilchen- oder faserartiges celluloseartiges Material verwendet wird, in dem zumindest ein größerer Anteil der Cellulosekomponente freigesetzt ist, wobei ein wässriges Mineral-Nährmedium mit dem genannten teilchenförmigen celluloseartigen Material unter Ausbildung einer Suspension mit einem pH-Wert von etwa 7 bis 8 hergestellt wird, wobei das wässrige Mineral-Nährmedium eine Nährstoffquelle für die Mischkultur darstellt und diese Mischkultur mit der Suspension gemischt und die erhaltene Mischung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50 C bis etwa 65 C und bei einem pH-Wert von 7 bis 8 unter einem Druck fermentiert wird, der ein partielles Vakuum darstellt, um zumindest beträchtliche Mengen Äthanol zu erhalten, wobei das partielle Vakuum hinreicht, um das Äthanol bei der genannten Fermenta tionstemperatur zu verdampfen, so daß das Äthanol infolge des partiellen Vakuums verdampft und der Äthanoldampf aus der Fermentation abgezogen wird und der abgezogene Äthanoldampf kondensiert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das partielle Vakuum in einem Druckbereich von etwa 100 mm Hg bis etwa 400 mm Hg liegt.
    809836/0798
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas durch die Atmosphäre geleitet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert im Bereich τοη 7,2 his 7,8 liegt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das celluloseartige Material Cellulose ist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fermentationstemperatur im Bereich τοη 55 C bis 65° C liegt.
    3Q9835/0798
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