DE3110117A1 - Herstellung von cellulose aus holz oder andern lignocellulosehaltigen pflanzen durch mikrobiologischen abbau der lignocellulose - Google Patents

Herstellung von cellulose aus holz oder andern lignocellulosehaltigen pflanzen durch mikrobiologischen abbau der lignocellulose

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Description

Herstellung von Cellulose aus Holz oder anderen Lignocellulosehaitigen Pflanzen durch mikrobiologischen Abbau der Lignocellu-
lose
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff in technischem Maßstab, vorzugsweise für die Papier-, und Pappeherstellung, aus Holz oder anderen Lignocellulosehaltigen Pflanzen (z.B. Stroh, Schilf, Bagasse usw.) mit Hilfe eines Weißfäulepilzes. Zur Lenkung des erfindungsgemäßen Abbauprozesses gehört die Zugabe geeigneter Enzyme (bevorzugt "Laccasen" und "Peroxydasen") unter Temperaturerhöhung, damit das eingeleitete Wachstum des Weißfäulpilzes (bevorzugt der "Pleurotus ostreatus") gestoppt, damit die enzymatische Hydrolyse der Cellulose zu löslichen Zuckern stark eingeschränkt und der alleinige Abbau des Lignins stark gefördert wird.
Die bekanntesten, technisch durchgeführten chemischen Verfahren zur Herstellung von Zellstoff aus Holz oder holzähnlichen Stoffen sind das Sulfit- und das Sulfatverfahren. Beide Verfahren v/enden zum Herauslösen des Lignins basische bzw. saure wäßrige Lösungen von Chemikalien bei über 100 Grad Celsius und hohem Druck an. Sie sind beide äußerst anlageintensiv und nur bei großen Kapazitäten rentabel, benötigen enorme Mengen an Wasser und Energie, insbesondere zur Verhinderung der Umweltverschmutzung durch das in großen Mengen anfallende Abwasser und der übelriechenden, schwefelhaltigen Abgase.
Nach weiteren bekannten chemischen Verfahren wird das Lignin unter Anwendung von Druck und/oder hohen Temperaturen mit Hilfe organischer Lösungsmittel, z.B. wäßrigen äthylalkoholischen Lösungen, Gemischen aus Dimethylsulfoxid und Äthanol ami η, und paraffinischem Mineralöl herausgelöst. Alle diese Verfahren sind wegen ihrer komplizierten Technologie sehr anlageintensiv und erfordern einen hohen Kostenaufwand für Energie.
Λ-
Der mikrobiologische Abbau von Ligno-Cellulose ist duch ein Verfahren bekannt geworden, das in den DOS 2 746 872 und 2 746 873 und deren äquivalenten US-Patentschriften beschrieben ist. Dieses Verfahren kommt als mikrobiologisches Verfahren dem erfindungsgemäSen Verfahren zwar am nächsten, unterscheidet sich jedoch entscheidend in der Zielsetzung, in den Mitteln und im Endprodukt.
Nach diesem Verfahren wird ein Lignocellulose-Substrat von Lignocellulose-Feststoffen in einer Nährlösung mit einem pH-Wert zwischen 4 und 5 mit einer wäßrigen Suspension von Sporen des Schimmelpilzes "Chrysosporium pruinosum" inoculiert. Nach einer gewissen Einwirkungszeit wird die Temperatur auf 50 bis 60 Grad Celsius erhöht, um das Wachstum des Pilzes zu beenden. Den weiteren Abbau der Lignocellulose besorgen die während des Wachstums erzeugten Enzyme.
Während das erfindungsgemäße Verfahren das Ziel verfolgt und auch weitgehend erfüllt, in möglichst kurzer Zeit viel Lignin abzubauen und dabei gleichzeitig so wenig wie möglich Cellulose durch enzymatische Hydrolyse in löslichen Zucker umzusetzen, werden z.B. nach dem bekannten Verfahren nach ca. 3 Tagen 20% Lignin, 40% CeIlulose+Hemicellulösen und 35% andere organische Bestandteile und nach ca. 12 Tagen (Ende des verstärkten Abbaus von Ligno-Cellulose) 50% Lignin, 80% Cellulose +Hemicellulosen und 75% anderer organischer Bestandteile abgebaut (siehe Fig. 2 der DOS 2 746 872). Das erfindungsgemäße Verfahren zur technischen Gewinnung von Zellstoff für die Papier- und Pappeherstellung aus Holz oder ligno-cellulosehaltigen Pflanzen geschieht zudem in Zeiträumen von einigen wenigen Stunden, wogegen das bekannte mikrobiologische Abbauverfahren zum Abbau derselben Menge Lignin mehrere Tage benötigt.
. 5.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die hier angeführten Nachteile der chemischen und des bekannten biologischen Ligninabbau-Verfahrens zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die lignocellulosehaltige Substanz der Einwirkung des Weißfäulepilzes "Pleurotos ostreatus" aussetzt.
Um nun einen wirkungsvollen und raschen Abbau der Lignine zu erzielen, wird die zu bearbeitende Fasersubstanz mechanisch zerkleinert. Die so zerkleinerten Lignocellulosepartikel werden in einer bestimmten Gewichtsproportion mit einer Nährlösung vermengt. Das optimale Verhältnis zwischen Fasersubstanz und Nährlösung beträgt etwa 1:4, d.h. auf einen Gewichtsteil Fasersubstanz werden 4 Gewichtsteile Nährlösung zugesetzt. Als Nährlösung wird eine Lösung bestehend aus 1,5 g K?HPO«; 0,5 g MgSO4 (7 H2O); 10 g CaCO3; 2 mg Thiamin HCl; 1,0 g Bacto-pepton und 1000 ml Leitungswasser verwendet. Der Säuregrad des Mediums soll etwa auf pH 5S6 eingestellt sein. Zu achten ist auf eine gleichmäßige Vermischung der Fasersubstanz mit der Nährlösung.
Das Substrat, bestehend aus Fasersubstanz und Nährlösung, wird nun mit Zellen und/oder Sporen des "Pleurotus ostreatus" inoculiert und einer leichten Luftzirkulation bei 95% relativer Luftfeuchtigkeit, 27 Grad Celsius Temperatur und etwa 25 Lux Beleuchtung am Substrat im Laufe von insgesamt etwa 2 Stunden ausgesetzt.
Mit dem Inoculieren beginnt das Wachstum der Weißpilzzellen und die Bildung der Enzyme, die den Abbau der Ligno-Cellulose einleiten. Um den Ligninabbau gegenüber der Hydrolyse der Cellulose zu beschleunigen, werden z.B. extracellular erzeugte Enzyme, bevorzugt "Laccasen" und "Peroxydasen" dem Substrat in Form einer gleichmäßig aufgesprühten Lösung zugeführt. Nach einer
gewissen Zeit muß die Lufttemperatur auf bevorzugt 50-55 Grad Celsius, unter Beibehaltung der etwa 95 % relativen Luftfeuchtigkeit und etwa 25 Lux Beleuchtung, erhöht werden, damit das Pilzwachstum gestoppt wird. Nachdem der gewünschte Ligninabbau erreicht ist, wird das erhaltene Faserstoffprodukt gewaschen. Nach der Entwässerung des Faserstoffproduktes erfolgt zunächst eine Trocknung (z.B.mittels infraroter Lichtstrahlen) und zum völligen Abtöten des Pilzes eine leicht ionisierende Bestrahlung.
Das Endprodukt ist bei dieser Behandlung von einem großen Teil des Lignins befreit, so wurde bei einer Bearbeitung von Buchenholz nach einem sechsstündigen Abbauprozeß der Gehalt an Lignin von 35% auf 15% gesenkt, wobei der gleichzeitig auftretende Celluloseverlust nie größer als 8% war.
Der Impfstoff wurde aus Kulturen des "Pleurotus ostreatus" auf Glucose-Agrarplatten bei 28 Grad Celsius im Laufe von 8 Tagen gezüchtet.
Das beschriebene erfindungsgemäß neuartige biologische Verfahren hat folgende Vorteile:
a) gegenüber dem Verfahren nach DOS 2 746 872 und 2 746 873:
- beschleunigter Abbau des Lignins
- nur geringfügiger Abbau der Cellulose
b) gegenüber den chemischen Verfahren:
- geringer Energieverbrauch
- beträchtliche Einsparung an Chemikalien
- keine Umweltverschmutzung
- Möglichkeit der Verwertung des Lignins aus den Abbau produkten
- Möglichkeit der Errichtung von kleineren Anlagen, die nur geringe Investitionen erfordern und die in industriellem Maßstab wirtschaftlich arbeiten können
- Bleichung des Faserstoffes durch die mit dem Entholzungsprozess gleichzeitig stattfindende Zerstörung der pigmentierenden Extraktstoffe.
Beispiel:
In einem Bunker gelagerte Hackschnitzel werden mittels einer Bunkeraustragsvorrichtung dem Bunker entnommen und gleichmäßig einer Messermühle zugeführt. Die auf dem Rotor peripher angeordneten Messer arbeiten gegen ein oder mehrere stationäre Messer und damit zerkleinern sie die Hackschnitzel. Die Größe der Holzteilchen wird durch die Lochgröße des Siebes, das sich vor der Austragsöffnung befindet, bestimmt. Insbesondere hat sich eine Größe von 5-6 mm bewährt. Die derart in ihrer Größe homogenisierten Holz- oder Pflanzenpartikel werden mittels geeigneter Vorrichtungen entstaubt und anschließend in Mischbottichen mit einer Nährlösung imprägniert.
Das optimale Gewichtsverhältnis von Nährlösung zur festen Fasersubstanz beträgt etwa 4:1, d.h. einem Gewichtsteil Fasersubstanz werden 4 Gewichtsteile Nährlösung zugesetzt. Bei Arbeiten mit gleichmäßig trockenen Hackschnitzel die vor der Einbunkerung schon entstaubt wurden, kann die Vermischung mit der Nährlösung schon in der Messermühle, während des Zerkleinerungsvorganges, erfolgen.
Dieses aus Lignocellulose und Nährlösung bestehende Substrat wird nun mit den Sporen des "Pleurotus ostreatus" inoculiert. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. durch Beimischung der Impfsubstanz zur Nährlösung oder durch Besprühen des aufgelockerten und in gleichmäßiger Höhe auf siebartigen Horden gelagerten Substrates. Die Horden können stationär ausgebildet sein, über die zur Inoculierung eine Sprühvorrichtung bewegt wird. Sie können auch in der Art von Förderbändern konstruiert sein. Beispielsweise wird ein aus Draht bestehendes, endloses Siebtuch, das sich über zwei Umkehrrollen, in einem geschlossenen Kanal bewegt, mit dem Sustrat belegt und zwar in einer Dicke von etwa 20-25 cm. An der Stelle, an der das Substrat auf das Band auftritt, wird im Gegenstrom die Impflösung aufgetragen. In dem Kanal herrscht eine relative Luftfeuchtigkeit von etwa 96% und eine Temperatur von 27 Grad Celsius. Ein Ventilator sorgt für die entsprechende Luftzirkulation
und eine Serie von Lampen gewährleisten die erforderliche 25 Lux starke Beleuchtung. Zwecks Beschleunigung des Ligninabbaus werden nach der Inoculierung extrazelluläre Enzyme in Form von Laccasen und Peroxydasen in Lösungen aufgesprüht. Nach einer Zeitspanne, die vom jeweiligen Rohstoff abhängt, wird unter Beibehaltung aller Faktoren des Mediums, die Lufttemperatur auf 50 bis 55 Grad Celsius erhöht. Anschließend wird das delignifizierte Gut gewaschen, entwässert und zur Trocknung durch einen entsprechenden Kanal mit infraroten Strahlen gefördert. Vor Einlagerung und Verpackung wird der Zellstoff kurzfristig einer leichten ionisierenden Bestrahlung ausgesetzt. Das bei der Eindickung anfallende Wasser wird dem Produktionskreislauf nach einer kurzen Ionisierung wieder zugeführt.

Claims (3)

  1. Patentansprüche
    Ι» Verfahren zur Gewinnung von Cellulose durch mikrobiologischen Abbau der Ligno-Cellulose aus Holz oder anderen Pflanzenfasermaterialiens dadjrch gekennzeichnet9
    daß das Substrats welches aus einer Mischung von zerkleinerten Ligno-Cellulos-Teilchen und einer Nährlösung für Weißfäulepilze mit einem pH-Wert von 4s0 bis S3O mit Sporen und/oder Zellen eines Weißfäulepilzes inoculiert und einer leichten Zirkulation von Warmluft mit etwa 85% bis 97% rel. Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von etwa ?o bis 35 Grad Celsius und zur Beschleunigung des Verfahrens einer Lichtquelle ausgesetzt wird. Nach etv~ '■_ . t.-nden v/erden zusätzlich noch gesondert erzeugte Enzyme zugesetzt und die Lufttemperatur bei gleichbleibender Luftfeuchtigkeit auf 50-60 Grad Celsius erhöht.
  2. 2. Verfahre r ■'■ Anspruch I5 dadurch i' "kennzeichnet-,
    daß mit Spc""~i und/odsr Zellen des Weißfäulepilzes "Pleurotus ostreatus" noc.'liort wird
  3. 3. Verfahren räch Anspruch 1s dadurch gekennzeichnet
    daß die Nährlösung für Weißfäulepilze auf einen pH-Wert von 5,6 gebracht wird»
    Verfahren n?ch Anspruch I0 dadurch gekennzeichnet;, daß als Enzyme ''Laccasen" und/oder "Peroxydasen" verwendet werden.
    5„ Verfahren nach /"-""pruch 1, dadurch gekennzeichnet:, daß die Lichtque1!0 eine Stärke von etwa 25 LUX am Substrat hat.
    Verfahren nach Anspruch 1 s dadurch gekennzeichnet,, daß als Nährlösung eine Lösung von 1 r.5 g KpHPO^s 0s5 g MgS(L; 10 g CaCO3; 2 mg Thiamin HCU Μ g Bacto-pepton in 1000 cc Leitungswasser verwendet wird»
    " 2 " BAD ORIGINAL
    7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewaschene und mechanisch entwässerte Cellulose mittels infraroter Wärmestrahlen getrocknet wird, wobei ein Teil der Wärmeenergie des Abdampfes wieder gewonnen wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgebaute, gewaschene und getrocknete Cellulose einer leicht ionisierenden Bestrahlung unterworfen wird.
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