DE3110117C2

DE3110117C2 - Herstellung von Cellulose aus Holz oder anderen lignocellulosehaltigen Pflanzen durch mikrobiellen Abbau der Lignocellulose

Info

Publication number: DE3110117C2
Application number: DE19813110117
Authority: DE
Inventors: Adolf 5340 St. Gilgen Basler; Albin Dr.-Ing. Eisenstein; Rubin Dr.-Ing. 4000 Düsseldorf Eisenstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE3110117A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff aus Holz oder anderen lignocellulosehaltigen Pflanzen mit Hilfe eines Weißfäulepilzes (Pleurotus ostreatus) beschrieben, wobei zur Lenkung des Abbauprozesses geeignete Enzyme (bevorzugt Laccasen, Peroxydasen) verwendet werden. Die zu bearbeitende Fasersubstanz wird mechanisch zerkleinert und anschließend mit einer Nährlösung vermengt. Hierbei muß auf den Säuregrad pH 5,6 geachtet werden. Dieses Substrat, bestehend aus Fasersubstanz und Nährlösung, wird mit Sporen des "Pleurotus ostreatus" inoculiert und einer leichten Luftzirkulation bei 95 relativer Luftfeuchtigkeit, 27 ° C Temperatur und etwa 25 Lux Beleuchtung ausgesetzt. Um nach einer gewissen Zeit den Ligninabbau zu beschleunigen, werden extracelluläre Enzyme (Laccasen, Peroxydasen) dem Substrat zugeführt und die Temperatur auf etwa 50-55 ° C unter Beibehaltung der 95 relativen Luftfeuchtigkeit und 25 Lux Beleuchtung erhöht. Nachdem der gewünschte Ligninabbau erreicht ist, wird das erhaltene Faserstoffprodukt gewaschen, getrocknet und bestrahlt.

Description

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Mit der Erfindung kann man Zellstoff in technischem Maßstab, vorzugsweise für die Papier- und Pappenherstellung, aus Holz oder anderen lignocellulosehaltigen Pflanzen (z. B. Stroh, Schilf, Bagasse usw.) mit Hilfe eines Weißfäulepilzes gewinnen. Zur Lenkung des erfindungsgemäßen Abbauprozesses gehört die Zugabe geeigneter Enzyme (Laccasen und/oder Peroxydasen) unter Temperaturerhöhung, damit das eingeleitete Wachstum des Weißfäulepilzes (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 chemisehen Verfahren zur Herstellung von Zellstoff aus Holz oder holzähnlichen Stoffen sind das Sulfit- und das Sulfatverfahren. Beide Verfahren wenden 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, Gemisehen aus Dimethylsulfoxid und Äthanolamin, und paraffinischem Mineralöl herausgelöst. Alle diese Verfahren sind wegen ihrer komplizierten Technologie sehr aniageintensiv und erfordern einen hohen Kostenaufwand für Energie.

Der mikrobielle Abbau von Ligno-Cellulose ist durch ein Verfahren bekanntgeworden, das in den DE-OS 27 46 872 und 27 46 873 und deren äquivalenten US-Patentschriften beschrieben ist. Dieses Verfahren kommt als mikrobiologisches Verfahren dem erfindungsgemäßen 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 Währlösung mit einem pH-Wert zwischen 4 und 5 mit einer wäßrigen Suspension von Sporen des Schimmelpilzes Chrysosporium pruinosum inokuliert. 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% Cellulose + Hemicellulosen 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 DE-OS 27 46 872). 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 mikrobielle Abbauverfahren zum Abbau derselben Menge Lignin mehrere Tage benötigt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde die hier angeführten Nachteile der chemischen und des bekannten biologischen Ligninabbau-Verfahrens zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Die Ansprüche 2 bis 4 nennen Ausgestaltungen dieses Verfahrens.

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 vorzugsweise eine Lösung, bestehend aus 1,5 g K₂HPO₄; 0,5 g MgSO₄ (7H₂O); 10 g CaCO₃; 2 mg Thiamin ■ HCl; 1,0 g Bacto-pepton in 1000 ml Leitungswasser verwendet. Der Säuregrad des Mediums soll etwa auf pH 5,6 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 inokuliert und einer leichten Luftzirkulation bei 95% relativer Luftfeuchtigkeit, 27°C Temperatur und 25 Lux Beleuchtung am Substrat im Laufe von insgesamt etwa 2 Stunden ausgesetzt.

Mit dem Inokulieren beginnt das Wachstum der

Weißpilzzelleo und die Bildung der Enzyme, die den Abbau der Ligno-Cellulose einleiten. Um den Ligninabbau gegenüber der Hydrolyse der Cellulose zu beschleunigen, werden Laccasen und/oder Peroxydasen dem Substrat in Form einer gleichmäßig aufgesprühten Lösung zugeführt. Nach einer gewissen Zeit muß die Lufttemperatur auf 50-6O⁰C, unter Beibehaltung der 95% relativen Luftfeuchtigkeit und 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 vurde 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-Agarplatten bei 28°C im Laufe von 8 Tagen gezüchtet.

Das beschriebene erfindungsgemäß neuartige biologische Verfahren hat folgende Vorteile:

a) gegenüber dem Verfahren nach DE-OS 27 46 872 und 27 46 873:

- 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 Abbauprodukten

- 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 züge- so führt. 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 Ues 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 4 :1, d. h. einem Gewichtsteil Fasersubstanz werden 4 Gewichtsteile Nährlösung zugesetzt. Bei Arbeiten mit gleichmäßig trockenen Hackschnitzeln, 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 inokuliert. 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 Inokulierung 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 Substrat belegt und zwar in einer Dicke von 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 96% und eine Temperatur von 27°C. 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 Inokulierung 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°C 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

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung von Cellulose durch mikrobiellen Abbau der Lignocellulose aus Holz oder anderen Pflanzenfasermaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung aus zerkleinerten Lignocelluloseteilchen und einer Nährlösung für Weißfäulepilze mit einem pH-Wert von 4,0 bis 6,0 mit Sporen und/oder Zellen eines Weißfäulepilzes inokuliert und einer leichten Zirkulation von Warmluft mit 85 bis 97% relativer Luftfeuchtigkeit bei 25 bis 35°C und einer Lichtquelle von 25 Lux etwa 2 Stunden aussetzt, dann Laccasen und/oder Peroxydasen zusetzt und die Lufttemperatur bei gleichbleibender Luftfeuchtigkeit auf 50 bis 60⁰C erhöht, und, nachdem der gewünschte Ligninabbau erreicht ist, das erhaltene Faserstoffprodukt wäscht, trocknet und zur völligen Abtötung des Pilzes einer leicht ionisierenden Bestrahlung unterwirft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Sporen und/oder Zellen von Pleurotus ostreatus inokuliert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Nährlösung eine solche mit einem pH-Wert von 5,6 einsetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Nährlösung eine Lösung aus 1,5 g K₂HPO₄, 0,5 g MgSO₄ (7 H₂O), 10 g CaCO₃, 2 mg Thiamin · HCl, 1,0 g Bactopepton in 1000 ml Leitungswasser einsetzt.