DE2924076A1 - Verfahren zur vergaerung von zellulose - Google Patents

Verfahren zur vergaerung von zellulose

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DE2924076A1 DE19792924076 DE2924076A DE2924076A1 DE 2924076 A1 DE2924076 A1 DE 2924076A1 DE 19792924076 DE19792924076 DE 19792924076 DE 2924076 A DE2924076 A DE 2924076A DE 2924076 A1 DE2924076 A1 DE 2924076A1
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Description

Unsere Nr. 22 520
Chevron Research Company San Francisco, CA, V.St.A.
Verfahren zur Vergärung von Zellulose
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Vergärung von Zellulose durch Zelluloseverdauende Mikroorganismen.
Der Einfluß chemischer Zusätze auf Vergärungsprozesse durch Mikroorganismen ist gründlich untersucht worden. So beschreiben beispielsweise P.P. Williams et al in App. Microbiology, 11.
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517 (1963) den Einfluß von Insektizid-Substraten auf die Tätigkeit von Bakterien und Protozoen im Wiederkäuermagen; J.J. O'Connor et al beschreiben in J, Animal Sei., £3, 662 (1971) den in vivo beobachteten Einfluß chemischer Additive auf die Erzeugung flüchtiger Fettsäuren durch Mikroorganismen im Wiederkäuermagen; L.W, Varner et al beschreiben in J. Animal Sei., ,3J5, 1110 (1971) den Einfluß von Ammoniumsalzen auf die Gärung im Wiederkäuermagen junger Ochsen und I.W. Dowe et al beschreiben in J, Animal Sei., ^jS, 93 (1957) den Einfluß von mit Fungiziden (N-iDrichlormethylthio-^i -tetrahydro" phthalimid) behandeltem Mais auf das Gedeihen von Mastochsen.
Erfindungsgemäss wird die Geschwindigkeit der Zellulosegärung durch zelluloseverdauende Mikroorganismen erhöht, indem die Gärung in Gegenwart einer Verbindung der Formel
Il
durchgeführt wird, worin R* ein Halogenalkylrest mit 1 bis 2 Kohlenstoffatomen und 1 bis 5 Chlor- oder Brom atomen ist ,und der carbozyklische Ring O- bis 3-fach olefinisch ungesättigt ist, d.h. Gruppen wie 1,2-Phenylen, 1,2-Dihydrophenylen, 1,2-Tetrahydrophenylen und Hexahydrophenylen (Cyclohexylen) enthält. Bevorzugte Verbindungen der Formel (l) sind diejenigen, worin R* ein Chlormethyl- oder Chloräthylrest mit 1 bis 5 Chlor atomen, insbesondere Irichlormethyl oder Tetrachloräthyl, ist. Die Verbindungen der Formel (i) können als Derivate eines Phthalimide, Dihydrophthalimids, Tetrahydrophthalimids oder Hexahydrophthalimids betrachtet werden.
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Typische Verbindungen der Formel (I) sind:
N-Trichlormethylthiophthalimid
N-Trichlormethylthio-Δ 2,Δ^-dihydrophthalimid N-Tribronrniethylthio~A1,A5-dihydrophthaliniid
N-Trichlormethylthio-^ -tetrahydröphthalimid N-Trichlormethylthio-,Δ. -tetrahydrophthalimid N-I,2,2,2-Tetrachloräthylthiophthalimid N-I,1,2,2-Tetrachloräthylthiophthalimxd
N-1,1,2,2-Tetrachloräthylthio-^2,Z\it~dihydrophthalimid N-Pentabromäthylthio-^ -tetrahydrophthalimid
A U
N-Pentachloräthylthio-Δ» -tetrahydrophthalimid und N-I,1,2,2-TetrachloräthyIthio-Ä -tetrahydrophthalimid.
Die Menge der bei dem Anwendungsverfahren eingesetzten Verbindung hängt zum Teil von der Art des Zellulosematerials und dem (den) jeweils eingesetzten Mikroorganismus(men) ab. Im allgemeinen ist ein Gewichtsverhältnis von Verbindungen zu Zellulosematerial im Bereich von etwa 1:10 bis 1:1.000.000 wirksam, während Gewichtsverhältnisse im Bereich von etwa 1:100 bis 1:10.000 bevorzugt sind.
Bei der Zellulosevergärung in vitro wird die Verbindung im allgemeinen direkt in den Gärungsprozeß eingebracht. Bei der Zelluloseverdauung in vivo kann die Verbindung dem Tier oral zusammen mit dem zellulosehaltigen Futter verabreicht werden. Das zellulosehaltige Futter kann aber auch mit einer wirksamen Menge der Verbindung vorbehandelt werden, bevor es an das Tier verfüttert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ganz allgemein auf die Zellulosevergärung äurch Mikroorganismen in vivo oder in vitro anwendbar. Beispiele für die Zellulosevergärung in vitro durch Mikroorganismen sind der aerobe und/oder anaerobe
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Abbau von Zelluloseabfällen in Kläranlagen; die Umwandlung von Zellulose in Zucker durch Mikroorganismen wie Trichoderma viride; die Umwandlung von Zellulose in einzellige Proteine
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durch Mikroorganismen wie Bacteroidaceae, Gellulomonas und Alcaliginis und der Mologische Abbau von lignin- und zellulosehaltigem Pflanzenmaterial. Beispiele für die Vergärung durch Mikroorganismen in vivo sind die Zelluloseverdauung durch Mikroorganismen im Wiederkäuermagen von Wiederkäuern, durch. Blinddarm- Mikroorganismen der tierischen Eingeweide und durch andere zellulosezersetzende Organismen πα Verdauungstrakt von Pflanzenfressern,
Das erfindungsgemässe Verfahren ist anwendbar auf alle Arten von Zellulosematerial wie Papier, Stadtmüll und Pflanzenprodukte, z.B. Holz, Baumwolle, Stroh, Bagasse, Reishülsen uswo
Das erfindungsgemässe Verfahren ist "besonders geeignet zur Erhöhung der Vergärungsgeschwindigkeit von Zellulose durch Mikroorganismen im· Wiederkäuermagen und zur Erhöhung der Vergärungsgeschwindigkeit von zellulos ehaltigen Abfallprodukten durch Mikroorganismen der Abwasser. Bei den Mikroorganismen, die gewöhnlich im Klärschlamm der Kläranlagen zu finden sind, handelt es sich um anaerobe und aerobe Bakterien wie z.B» Eseherichia coli. Lactobacillus fermentans, Acetobacter viscosus. Acinetobacter calcoaceticus« Actinobacillus sp.f Alcaligenes eutrophus« Brevibacterium ammoniapenes. Bacillus subtilis. Celevibrio ^ilvus, Pseudomonas viscoaa, Oellutomonas sp., Baoillus polvmyxa.- Streptococcus haempls:ticus ? Cellulomonas flavigina« Golostridium thermocellum und Streptococcus sp.
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BEISPIELE Beispiel 1 ~ Baumwolleverdauung; durch Bacteroid.es suecinogenes
Der Organismus Bacterqides succinogenes vrarde aus der amerikanischen Kulturtypensammlung No. 19169 "bezogen. Nährmedium:
Bacto-fluid tPhioglycolat (29 g der Formulierung/Liter H0O)
Pankreas-verdautes Casein (Bacto-Casitone) 15,0 g Wasserlöslicher Anteil aus autolysierter Erischhefe
(Bacto-Yeast Extrakt) 5,0 g
Dextrose 5,0 g
NaCl 2,5 g
1-OyBtin 0,5 g
Ihioglycölsäure 0,3 ml
Agar-Agar 0,75 g
7-Hydroxy-3H-phenoxazin-3-on-10-oxid (Rezazurin) 0,001 g
Die Geschwindigkeit der Baumwolleverdauung in Gegenwart verschiedener Testverbindungen in der obigen Nährbrühe mittels Bacteroides succinogenes wurde nach folgendem Verfahren "bestimmt;
Baumwolle (100 mg) wurde in Röhrchen mit Schraubverschluß eingebracht. Die lestverbindung (1 \xg) und das Nährmedium (20 ml) wurden hinzugegeben, wobei die Röhrchen vollständig gefüllt wurden.
Die Röhrchen wurden dann sterilisiert, abgekühlt und mit der Bakterie geimpft (1 Öse der Impfnadel), mit den Schraubverschlüssen versehen und in einem Wasserbad bei etwa 4-00C bebrütet.
Die Röhrchen wurden während des Bebrütens geschüttelt und die Verschlüsse während der ersten 18 Stunden alle 2 Stunden und anschließend alle 6 Stunden gelockert, um die bei der Gärung erzeugten Gase entweichen zu lassen. Nach einer Bebrütungszeit von 70 Stunden war der Gärungsprozeß im wesentlichen beendet, was am Aufhören der Gasansanralung zu erkennen war.
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Nach verschiedenen Bebrütungszeiten wurden die Röhrchen auf ■vorher gewogenes Filterpapier entleert. Das Filterpapier wurde mehrere Male gewaschen und "bis zur Gewiehtskonstanz getrocknet. Das Gewicht der nichtverdauten Baumwolle wurde aus der Differenz ermittelt.
TABELLE I Baumwolleverdauung (in mg)
Zeit Testverbindung A JL
(Std.) Kontrolle O O
10 O 1,3 1,0
20 0,5 -4,0 3,0
30 17,0 11,0
40 3^5 30,0 23,0
50 16,0 40,0 35,0
60 30,0 44,0 42,0
70 37,5
A = ür-fTrichlormethylthio)-44-tetrahydrophthalimid
B = ÜT~(1,1,2,2-Ietrachloräthylthio)-A4-tetrahydrophthalimid
Beispiel 2 - Baumwolleverdauung durch B^cteroides succinogenes Die Geschwindigkeit der Baumwolleverdauung mittels Bacteroides, succinogenes in Gegenwart verschiedener Testverbindungen wurde nach einem Verfahren entsprechend dem von Beispiel 1 bestimmt, aber abweichend davon betrug die Bebrütungsdauer 8 Tage und es wurde nicht geschüttelt. Die Testverbindungen und die Resultate sind in Tabelle II zusammengestellt.
TABELLE II Insgesamt verdaute Zellulose (in m^),
Konzentration Testverbindung
fo) A B G
0 (Kontrolle) 80 90 105
1 ' 115,0 112,5 122,5 100 142,5 115,0 132,5 400 135,0 117,5 137,5
A und B = wie in Tabelle I
C = N-Trichlormethylthiophthalimld
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Beispiel 5 - Verdauung von Pflanzenzellulose durch Bacteroides suecinogenes
lignin- und zellulosehaltiges, krautartiges Pflanzenfutter wurde durch Bacteroides succinogenes in einem gereinigten Medium in Gegenwart von N-CTrichlormethylthioJ-A· -tetrahydrophthalimid (Captan) verdaut, wobei eine Konzentration von 10 pg/ml angewandt wurde und das Verfahren mit dem von Beispiel 1 identisch war.
Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefasst.
TABELLE III
Zelluloseverdauunp; {%) Kontrolle Oaptan
Bebrütungs- Behandlung 1,5 2,0
zeit, Std. 2,0 3,0
9 5,0 7,5
12 7,5 20,0
15 21,0 58,0
18 52,5 44,0
21 57,5 45,0
24
48
Dieses Beispiel veranschaulicht die Abtrennung von Zellulose aus lignin- und zellulosehaltigem Material in vitro durch biologischen Abbau der Zellulose.
Beispiel 4 - Baumwolleverdaming durch Ruminococcus albus Ruminococcus albus wurde aus der amerikanischen Kulturtypensammlung bezogen. Die Kultivierung erfolgte auf einer Nährbrühe für Pseudomonas. die pro Liter dest. HpO die folgenden Bestandteile enthielt:
Nitrilotriessigsäure 1,91 g KpHPO, 8,71 g
Na2SOj 0,57 g
MgSO. 0,25 g
FeSOJ 0,5 mg
Ca(NO-)2 0,5 mg
Agar J \. g
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ORIGINAL INSPECTED
Etwa 20 ml des Nährmediums und 0,1 g Baumwolle wurden jeweils in 48 Röhrchen mit Schraubverschluß eingebracht und sterilisiert. Die Röhrchen wurden dann mit je 1 Öse des Bazillus geimpft. Die Hälfte der Röhrchen wurde mit ausreichend N-(lrichlormethylthio)-4 -tetrahydrophthalimid (Oaptan) versetzt, um eine Konzentration von 10 ja.g/ml herzustellen. Die Röhrchen wurden dann verschlossen und in einem Wasserbad 70 Stunden bei 4O0C bebrütet. Nach Ablauf der Bebrütungszeit wurde das Gewicht der nichtverdauten Baumwolle bestimmt.
Bei den mit Captan behandelten Röhrchen wurde eine Baumwolleverdauung von 22,7% festgestellt (Mittel aus 24 Proben). Bei den Kontrollröhrchen wurden 16,6% Baumwolle verdaut (Mittel aus 24 Proben).
Beispiel 5 - Baumwolleverdauung durch Bacteroides suceinogenes i im Wiederkäuermagensaft i__
Die Geschwindigkeit der Baumwolleverdauung in Gegenwart von N-Trichlormethylthio-Δ -tetrahydrophthalimid in sterilisiertem Wiederkäuermagensaft mittels Bacteroides succinogenes wurde nach einem Verfahren bestimmt, das mit dem von Beispiel 1 identisch war. Nach 70stündiger Bebrütung betrug die Baumwolleverdauung 49,3%. In einem Kontrollversuch ohne Behandlung lag die Baumwolleverdauung bei 39,3%.
Beispiel 6 — !Fütterungsversuche an Kaninchen
Zehn Kaninchen wurden nach dem Geschlechtin Paare unterteilt.Von jeden Paar erhielt das eine Kaninchen eine Grundration und Wasser nach Belieben. Das andere Kaninchen jedes Paares wurde mit der gleichen Gründration gefüttert, erhielt ausserdem aber 1 ing N-Trichlormethylthio-Δ- -tetrahydrophthalimid (Captan) je 100 g
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Körpergewicht verabreicht. Allgemeiner Gesundheitszustand, tägliche Futterration, Wasserkonsum und wöchentlicher Gewichtszustand der Kaninchen wurden während eines Zeitraumes von 5 Wochen festgestellt. Anfangskörpergewicht, Gewichtszunahme, Futterkonsum und Futterverbrauch je Gramm Gewichtszunahme sind in den Tabellen IVa-IVd zusammengestellt.
Tabelle IVa — Anfangskörpergewichte Paare Kontrolle (g) Oaptan (g)
1 2 3 4
Insgesamt Mittel
Tabelle IVb — Körpergewichtszunähme Paare Kontrolle (g) Captan (g)
1 2 3 4 5
Insgesamt Mittel
Tabelle IVc — Futterkonsum Paare Kontrolle (g)
1 2 3 4 5
Insgesamt Mittel
1713 1572
1294 1507
1233 1787
1497 1527
1083 1168
6820 7561
1564 1512
1120 1632
481 1226
361 1025
1019 1068
1280 1239
4201 6173
840,2 1234
Oaptan (g)
6252 7163
4959 7030
5032 5248
6973 7144
6970 7432
30.246 36.024
6049,2 7204,8
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Tabelle- 1"Vd — ffutterkonsum/Gramm Gewichtszunahme
Paare Kontrolle (#) Captan (ff) 4,38
5,73
7,80
6,74
6,05
1
2
3
4
5		 5,58
10,31
14,11
6,84
5,71		 30,70
6,14
Insgesamt
Mittel		 42,55
8,51		 durch Abwasserbakterien
Beispiel 7 — Baumwolleverdauung
Die Geschwindigkeit der Baumwolleverdauung in Gegenwart von
N-Trichlormethylthio-Δ -tetrahydrophthalimid in einer Nährbrühe von Bacto—fluid Thioglycolat durch anaerobe Abwasserbakterien wurde nach folgendem Verfahren bestimmt.
Eine Nahrbrühe wurde hergestellt, indem ein flüssiges Thioglycolatgemisch (der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1 beschrieben) mit überschüssigem Wasser zubereitet wurde, wozu ein Gemisch von destilliertem Wasser (70^) und rohem Abwasser (30%) aus einem Schlammfaultank einer üblichen Kläranlage verwendet wurde. 20 ml der Nährlösung, die 10 pg der Testverbindung und 100 mg Baumwolle enthielten, wurden in Schraubverschlußröhrchen (24 Parallelversuche) eingebracht. Die Röhrchen wurden mit Abwasserbakterien geimpft, indem 0,5 ml des rohen Klärschlamms aus der Kläranlage in die Gläser gegeben wurden.
Die Röhrchen wurden verschlossen und in einen Schüttelapparat gestellt, wobei das Wasserbad auf einer Temperatur von 350O gehalten wurde. Die Verschlüsse wurden während der ersten 6 Stunden des Bebrütens alle 2 Stunden und anschließend in Abständen von etwa 6 Stunden gelockert, um angesammelte Gärungsgase entweichen zu lassen.
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Nach 48stündiger Bebrütung wurden die Röhrchen auf -vorher gewogenes Filterpapier entleert. Das Filterpapier wurde mehrere Male gewaschen und "bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Das Gewicht der nichtverdauten Baumwolle wurde aus der Differenz "bestimmt.
Das Experiment (mit 24 Parallelversuchen) wurde mit 6 verschiedenen Proben von Abwasserbakterien durchgeführt, die alle 2 Wochen aus der Kläranlage entnommen wurden. Die bei den 6 Experimenten erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengestellt· Die Gärungsgeschwindigkeit wurde in Gegenwart der Testverbindung im Durchschnitt um 60% erhöht.
„ Tabelle V Zellulosevorgärung mit Abwasserbakterien
Konz. der " " '
verbindung 1 2 3 4 5 6 Mittel
. 0 55,0% 52,6% 59,6% 56,5% 57,6% 55,1% 55,6%
10 vig 94,3% 94,3% 97,1% 89,3% 95,4% 96,3% 94,4%
Für: Chevron Research Company
San Franaisco/y CA, V.St.A.
DriH.J.Wolff Rechtsanwalt
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Claims (10)

JBElL, WOLFF & "BEIL ~1 ~ , RECHTSAMV// '. Vl '3 ^1·1· FRANKFUR Γ AM MAIN 80 2924076 Patentansprüche
1. Verfahren zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Zellulosevergärung durch zelluloseverdauende Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärung in Gegenwart einer die Geschwindigkeit erhöhenden Verbindung der Formel
durchgeführt wird, worin Rf ein Halogenalkylrest mit 1 bis 2 Kohlenstoffatomen und 1 Ms 5 Chlor- oder BromÄtomeri j_st, und der carbozyklische Ring 0- bis 3-fach olefinisch ungesättigt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärung in vitro durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zellulose um zellulosehaltige Abfallprodukte handelt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mikroorganismen um Abwassierbakterien handelt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zellulose um zellulosehaltiges tierfutter handelt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mikroorganismen um Bakterien des Wiederkäuermagens handelt. 909 8 61/0872
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Wiederkäuern oral verabreicht wird, zwecks Verdauung der Zellulose im Wiederkäuermagen dieser Tiere.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung verwendet, bei der RT die Trichlormethyl- oder Tetrachloräthy!gruppe ist«
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man N-Trichlormethylthio-Δ -tetrahydrophthalimid oder N-Trichlormethylthiophthalimid verwendet.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man N-I,1,2,2-TetrachloräthyIthio-Δ -tetrahydrophthalimid oder N-I,1,2,2-Tetrachloräthylthiophthalimid verwendet.
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DE19792924076 1978-06-19 1979-06-15 Verfahren zur vergaerung von zellulose Withdrawn DE2924076A1 (de)

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JPS553798A (en) 1980-01-11

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