DE3137534A1

DE3137534A1 - Verfahren zur herstellung von zuckersirup und von daraus stammenden produkten aus pflanzlichen cellulose-substraten

Info

Publication number: DE3137534A1
Application number: DE19813137534
Authority: DE
Inventors: Michèle 92500 Rueil-Malmaison Castelli; Odile 92310 Sevres Chaude; Jean-Paul 78112 Fourqueux Vandecasteele
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1981-09-22
Publication date: 1982-06-16
Also published as: ES505761A0; IT8124055A0; FR2490677B1; ES8206627A1; US4378432A; IT1139456B; FR2490677A1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Zuckersirup und von daraus stammenden Produkten aus pflanzlichen Cellulose-Substraten, welches die Nachteile der bekannten Verfahren beseitigt. Dieses Verfahren verringert nämlich weitgehend die Problerne, die mit der bekannten Verwendung einer sauren Behandlung verbunden sind: Abbau der Zucker, Korrosionserscheinungen der Apparatur, Schwierigkeit, die sauren Lösungen nach der Verwendung zu entfernen. Das neue Verfahren beseitigt auch die Nachteile der üblichen enzymatischen Behandlung: Unzureichende Ausbeute, langsame Umwandlung.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zwei wesentliche Stufen, die im allgemeinen in derselben Reaktionszone durchgeführt werden.

a) in einer ersten Stufe behandelt man das pflanzliche Substrat mit einer wässrigen Lösung einer Säure unter sauren Hydrolyse-Bedingungen für die Cellulose-Materialien, wobei man die Behandlung unterbricht, wenn 10 bis 45 % potentielle reduzierende Zucker entstanden sind. Die verwendete Säure ist entweder Phosphorsäure oder ein Gemisch aus Phosphorsäure mit einer geringen Menge Schwefelsäure.

b) in der zweiten Stufe wird das in der ersten Stufe erhaltene Gemisch auf solche Temperatur- und pH^ Bedinr gungen gebracht, daß eine enzymatische Hydrolyse der Cellulose erfolgt, worauf man ein Enzym zusetzt, das Cellulose hydrolysieren kann (Oellulase), und diese Bedingungen eine ausreichende"Zeit aufrechterhält, so daß die entsprechende Menge reduzierender Zucker gebildet wird.

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Definitionsgemäß ist eine 100 $ige Ausbeute an reduzierendem Zucker eine solche, die einer totalen Hydrolyse der in den Pflanzen enthaltenen Cellulose und Hemicellulose entspricht; sie werden durch die klassische An&ron-Methode bestimmt (Jlerbert D₅Phipps P.J, und Strange E.E. Methods in Microbiology, 5B, 267 , Rapport DRGST).

Dank der ersten Stufe, welche das wesentliche Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist, kann man Ausbeuten an reduzierenden Zuckern erhalten, die 50 bis 80 % oder mehr des theoretischen Werts erreichen, und das beim Arbeiten unter milden, besonders energie- und materialsparenden Bedingungen, wobei praktisch keine Zersetzungsprodukte der Zucker, insbesondere Furfural (der auch als Furfurol bezeichnet wird) entstehen.

Die Behandlung der ersten Stufe wird wie folgt durchgeführt:

Die eingesetzte Säure ist entweder Phosphorsäure allein oder im Gemisch mit Schwefelsäure. Die Phosphorsäure besitzt im Vergleich zu einer anderen Säure (Schwefelsäure, Salzsäure) den Vorteil, daß eine weniger harte Wirkung mit verminderter Korrosion stattfindet. Die Phosphorsäure hat ferner den Vorteil, dem Milieu das Element Phosphor zuzufügen, welches man anschließend zusetzen müsste, wenn man den Zuckersirup einer letztendlichen Fermentation unterwerfen will; sie besitzt außerdem den Vorteil, daß eine leichte Ausbreitung der endgültigen Restlösungen ermöglicht wird_s undzwar wegen des erhöhten Gehalts an Nährelementen» Wegen dieser zwei letztgenannten Gesichtspunkte und insbesondere je nach den Nährbedürfnissen der Mikroorganismen_s die man bei den schließlich durchgeführten Fermentationen verwendet, besteht manchmal ein Interesse daran, daß man die Phos-

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phorsäure mit geringen Mengen Schwefelsäure versetzt, welche - wenngleich in einer weniger hohen Konzentration - ein wesentliches Nährelement darstellt und gleichzeitig die Verwendung von geringeren Mengen Phosphorsäure für die Behandlung der pflanzlichen Substrate gestattet. ; - -

Schließlich bringt die Verwendung von Phosphorsäure (entweder allein oder im Gemisch mit Schwefelsäure) den wesentlichen Vorteil, daß das Auftreten von beträchtliehen Spuren Furfurol (welches sich durch Dehydratation der Zucker bildet) im Gemisch der ersten Stufe verhindert wird; I¹UTfurol würde anschließend die gute Durchführung der durch enzymatisch^ Hydrolyse bewirkten End-Fermentation schädlich beeinflussen. Die Konzentration an Phosphorsäure (gegebenenfalls im Gemisch mit Schwefelsäure) wird so gewählt, daß im Gemisch der ersten Stufe (d.h. nach der Vorbehandlung) weniger als 500 ppm I¹UTfUTOl, vorzugsweise weniger als 400 ppm, insbesondere weniger als 300 ppm gebildet werden. Die Verwendung einer starken Säure, z.B. Salzsäure oder Schwefelsäure, ohne Anwesenheit von Phosphorsäure führt zwangsläufig zu viel höheren Mengen Furfurol.

Die Menge Säure (Phosphorsäure oder ein Gemisch aus Phosphorsäure / Schwefelsäure) beträgt 2 bis 10 Gew.-^ bezogen auf das Cellulose-Material (pflanzliches Cellulose-Substrat^, vorzugsweise 4- bis 8 #. Die Konzentration der Säure,in der in der ersten Stufe verwendeten wässrigen Hydrolyse-Lösung ,beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5_? insbesondere 0,25 ois 2 Gew.-^. Verwendet man ein Gemisch aus Phosphorsäure und Schwefelsäure, so enthält diese Mischung höchstens 30 Gew.-% Schwefelsäure oder besser weniger als 20 Gew.-% Schwefelsäure.

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Die Bedingungen der säuren Hydrolyse können in einem weiten Bereich gewählt werden; wesentlich ist die Beschränkung der Umwandlung zu reduzierenden Zuckern auf einen Wert von 10 bis 50 # der Theorie* Man kann also z*B. bei 100 bis 180° C innerhalb von 10 Stunden bis 10 Minuten arbeiten. Vorzugsweise arbeitet man bei 120 bis I5O⁰ C. Die Umwandlung ist umso schneller, je höher die Temperatur ist; man bevorzugt daher kurze Reaktionszeiten in Kombination mit höheren Temperaturen und umgekehrt.

Nach dem Angriff der Säure auf die pflanzlichen Substrate und vor der enzymatischen Hydrolyse, welche vorzugsweise bei einem pH-Wert von 3»5 bis 7 und zweckmäßig bei einem pH-Wert von 4· bis 6 stattfindet, ist es auch wichtig, daß die Neutralisation des Sirups mit einer oder mehreren Basen durchgeführt wird, welche Elemente enthalten, die für die letztendliche Fermentation der Zucker sowie schließlich als Dünger verwendet werden, z.B. Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniak, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Ammoniumcarbonat oder ihre Mischungen.

Die für die vorliegende Erfindung als Ausgangsmaterialien verwendeten Pflanzen sind vorzugsweise landwirtschaftliche Rückstände, die in großer Menge produziert werden, wie Stroh oder Getreideballen, Plachsschabsel, Stiele oder Halme der Mais, Trester von Zuckerrohr, ölige Resthalme etc, oder auch verschiedene schlecht verwertete und leicht erntbare Pflanzen, wie Buschholz₉ verschiedene Abfälle der Holzfällung oder von Sägemühlen. Diese Materialien enthalten oft gleichzeitig Cellulose und Hemicellulose, z.B. 35 his 40 % Cellulose und 25 bis 30 # Hemicellulose im Fall von Stroh.

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Je nach der Art der eingesetzten pflanzlichen Substrate kann man vorher eine Vermahlung der Pflanzen durchführen, die jedoch nicht so stark sein muß, wie bei der allein durchgeführten enzymatischen Behandlung. (In diesem Fall wird eine Vermahlung bis auf Teilchen von weniger als 150 ^i oder sogar 25 ^i empfohlen:US Patent 3 642 58o). Bei der vorliegenden Erfindung kann man • sich mit einer groben Vermahlung oder nur mit einem einfachen Schneiden zufrieden geben, welche z.B. zu Teilchen von 0,1 mm bis 5 cm führen.

Je nach der Art der Substrate und nach der Art der ursprünglichen Ernte kann es auch interessant sein, wenn man die Verfahren der Grobvermahlung und der Säure behandlung zusammen durchführt, wobei man einen geeigneten Apparat verwendet, wie einen Zylindermischer, eine Strangpresse, eine Kolloidalmühle etc. .

Wenn die Säurehydrolyse den gewünschten Umwandlungsgrad an reduzierenden.Zuckern erreicht hat, neutralisiert man das Milieu bis auf einen pE>-Wert von 3»5 his 7» vorzugsweise 4 bis 6 (wie oben angegeben), versetzt mit dem Enzym Cellulase und hält das Gemisch unter den Bedingungen der enzymatischen Hydrolyse, die als solche bereits bekannt sind.

Typische Bedingungen sind z.B. eine Temperatur von 30 bis 65°C, vorzugsweise 45 bis 55°G» eine Dauer der enzymatischen Hydrolyse von 6 bis 120 Stunden, vorzugsweise 20 bis 50 Stunden. Auch hier ist es vorteilhaft, erhöhte Temperatüren mit relativ kurzen Reaktionszeiten zu kombinieren und umgekehrt.

Die verwendeten Enzyme sind solche, die eine hydrolysierende Wirkung auf Cellulose haben. Vorteilhaft sollten sie auch eine hydrolysierende Wirkung auf Hemicellulose haben. Derartige Enzyme sind insbesondere Produkte von Pilzen verschiedener Arten (Production of cellulolytic enzyme by fungi T-M Enari und P. Markkanen, Advances in Biochemical Engineering, 5» 3-24 (1977) ).

In den folgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert:

Beispiel 1; (Vergleichsversuch)

In diesem Beispiel wird keine Vorbehandlung durchgeführt.

Man verwendet 1 g Getreidestroh, das grob geschnitten in Form von Teilchen mit 0,1 bis mehreren mm vorliegt und eine Feuchtigkeit von 7 % hat· Es wird in 25 ml eines wässrigen Acetat-Puffers mit dem pH-Wert von 4,8 suspendiert und mit einer handelsüblichen Zubereitung von Cellulase (NOVO SP 122) in einer solchen Menge versetzt, daß die Cellulase-Aktivität des Hydrolyse-Milieus 0,34· UI (internationale Cellulase-Einheiten, Papierfilter) pro ml beträgt; man hält das Milieu auf 4-6° C. Man bestimmt die Menge Zucker, die in der Lösung enthalten ist, in der Zeit 0 und nach 40 Stunden_e Diese Zuckermenge wird als reduzierende #r sowie als Glucose Wk und Pentosen Mf** ausgedrückt. Die erhaltenen Resultate sind in der ersten Kolonne der Tabelle I angegeben«,

* "Miller G.L., Anal. Chemistry, 1959, ü, 426 -

** Ü.Bergmeyer und E.Berat (Ϊ974) in "Methode in Enzymatic Analysis"H.U. Bergmeyer, Verl.Chemie/Academic Press,Band 3, S. 12o5-1214.
*** Ashwell G. (1966) Methods in Enzymol, 8, 85-95.

Wie ersichtlich, haben sich 5»5 g/l reduzierende Zucker gebildet, eine Zahl, die der theoretischen Ausbeute (an potentiellen reduzierenden Zuckern) von 26 g/l angenähert ist. (Die Resultate für Zeit 0 sind die Resultate, die man nach der Vorbehandlung erhält).

Beispiel 2 und 2 bis;

Man verwendet 1 g des gleichen, grob geschnittenen Getreidestrohs, behandelt es aber vorher mit 8 ml einer wässrigen Phosphorsäure-Lösung, wobei die Phosphorsäure eine solche Konzentration hat, daß sie 4 Gew.-# des Strohs im Beispiel 2.und 1 % im Beispiel 2 bis entspricht. Man hält den Autoklaven 1 Stunde auf 120° C. In diesem Stadium ist die Menge an Furfurol in der !Fehlerbreite der Versuchsbedingungen vernachlässigbar (weniger als 100 ppm). Man läßt abkühlen und stellt den pH-Wert (durch Zusatz von Natriumhydroxid) wieder ein; die Menge Wasser und Enzym wird so eingestellt, daß die Bedingungen der enzymatischen Hydrolyse von Beispiel 1 erhalten werden. Die Temperatur wird 40 Stunden auf 46° C gehalten. Der Zuckergehalt zur Zeit 0 und 40 Stunden nach Zusatz des Enzyms ist in Tabelle I angegeben; wie ersichtlich ist der Anfangsgehalt an Zuckern höher als in Beispiel 1 (wegen der vorherigen sauren Hydrolyse), während der Gehalt nach 40 Stunden eindeutig mehr ist. Die Ausbeuten sind mit der theoretischen Ausbeute von 26 g/l zu vergleichen (identisch bei den Beispielen 1 bis 11 und 14 bis 18).

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Beispiel ??

Die Bedingungen sind die selben wie im Beispiel 2, jedoch wird die vorherige Behandlung mit 8 ml einer wässrigen Lösung von Phosphorsäure durchgeführt₉ deren Gehalt 6 # bezogen auf das Stroh entspricht. Die enzymatische Hydrolyse in diesem Beispiel (sowie in den Beispielen 4- bis 11) ist die gleiche wie im Beispiel 1 und 2. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. (Der Furfurol-Gehalt nach der ersten Stufe ist ver™ nachlässigbar, d.h. weniger als 1oo ppm).

Beispiel 4- und 4- bis;

Die Bedingungen sind die selben wie im Beispiel 2, aber man verwendet 8 ml einer wässrigen Lösung von Phosphorsäure, undzwar in einer Konzentration von 8 Gew. —% bezogen auf das Stroh_? bei Beispiel 4· bzw. 9 #, bei Beispiel 4- bis. Die Resultate von Beispiel 4-sind in Tabelle I angegeben. Hierbei ist der Furfurol-Gehalt nach der ersten Stufe vernachlässigbar, d.h. geringer als 100 ppm. Die Resultate von Beispiel 4· bis sind praktisch die gleichen wie in Beispiel 4·. Jedoch ist der Furfurol-Gehalt nachweisbar und liegt in der Größenordnung von 150 ppm nahe an der Fehlergrenze.

Beispiel 5:

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 2, verwendet aber für die Vorbehandlung 4- ml einer wässrigen Lösung von Phosphorsäure, wobei letztere 6 Gew.-^ des Strohs ausmacht. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. (Der Purfurol-Gehalt nach der ersten Stufe ist geringer als I00 ppm).

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Beispiel 6;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 2, verwendet aber 16 ml einer wässrigen Lösung von Phosphorsäure, wobei letztere 6 Gew.-# des Strohs ausmacht. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. (Der Furfurol-Gehalt nach der ersten Stufe ist geringer als 1oo ppm).

Beispiel 7;

Man wMerholt die Bedingungen von Beispiel 5» führt aber die Torbehandlung in 3.Stunden bei 120°C durch. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. (Der Furfurol-Gehalt nach der ersten Stufe beträgt etwa 150 ppm).

Beispiel 8;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel $, führt aber die Vorbehandlung eine Stunde bei 1JO⁰C durch. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. (Der Furfurol-Gehalt nach der ersten Stufe beträgt etwa 130 ppm).

20 Beispiel 9:

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 5_S führt aber die Vorbehandlung eine Stunde bei 14-5°C durch. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. (Der Furfurol-Gehalt nach der ersten Stufe beträgt etwa 250 ppm).

Beispiel 9 bis;

Man wiederholt Beispiel 9 mit einer Konzentration an Phosphorsäure von 10 Gew.-^ des Strohs» Man erhält nach der Vorbehandlung, d.h. zur Zeit 0, 11,5 g/l reduzierende Zucker, wobei die Mengen an Glucose und Pentose nach der Vorbehandlung 3^7 bzw. 7,9 g/l betragen. Die Menge an Furfurol liegt in der Größenordnung von 5oo ppm.

Beispiel 10:

Man arbeitet unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 8, führt j-edoch die Vorbehandlung mit einer Mischung aus Phosphorsäure und Schwefelsäure in einer Menge von 2,5 Gew.-f bzw. 0,5 Gew.-# bezogen auf das Stroh durch; d.h. im Gemisch der beiden Säuren sind 17 Gew.-^ Schwefelsäure enthalten. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. Der Gehalt an Furfurol nach der Vorbehandlung beträgt 2oo ppm. Wiederholt man dieses Beispiel unter ausschließlicher Verwendung von Schwefelsäure (3 % H^SO^), so erhält man nach der Vorbehandlung 12,5 g/l reduzierende Zucker, während die Mengen an Glucose und Pentose 3j3 g/l bzw. 7»6 g/l betragen; die Menge an Furfurol am Ende der Vorbehandlung ist aber I600 ppm.

Beispiel 11;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 7_S führt aber die Vorbehandlung mit einem Gemisch aus Phosphorsäure und Schwefelsäure in einer Menge von 3,5 bzw. 0,5 Gew.-^ bezogen auf das Stroh durch. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben. Der Furfurol-Gehalt nach

30 der Vorbehandlung beträgt etwa 22o ppm.

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Die folgenden Beispiele 12 bis 18 betreffend insbesondere die Auswahl der Reaktionsbedingungen der zweiten Stufe (b) für eine gute Durchführung der Kombination von Stufe Ca) und (b).

5 Beispiel 12;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 10, jedoch ist das Volumen der Endlösung, in welcher die enzyraatische Hydrolyse durchgeführt wird, 10 ml statt 25 ml, und die enzymatische Wirkung beträgt dann 0,85 internationale Einheiten (TJI) pro ml. Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle I angegeben und zeigen, daß die Endkonzentration an reduzierenden Zuckern eindeutig höher ist.

Beispiel 13>:

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 12, führt aber die Neutralisation nicht mehr mit Natriumhydroxid sondern mit einem Gemisch von 35 S Kaiiumhydroxid pro • 1» 0,6 g Natriumhydroxid pro 1 und 6,5 g Ammoniumhydroxid pro 1 durch, wobei der pH-Wert vor der enzymatischen Hydrolyse immer auf 4,8 gebracht wird. Die in Tabelle I angegebenen Resultate zeigen, daß die Art des Milieus für die Neutralisation der Säure die Endresultate praktisch nicht ändert.

Beispiel 14:

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 8, führt jedoch die enzymatische Hydrolyse statt in 40 Stunden in 80 Stunden durch. Die in Tabelle I dargestellten Resultate zeigen eine Verbesserung des Gehalts an Zucker.

Beispiel 15 und 16t

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 8, führt jedoch die enzymatische Hydrolyse bei 50 bzw. 40°C durch. Die Resultate sind in Tabelle I angegeben.

Beispiel 17;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 8, führt jedoch die enzymatische Hydrolyse mit einer doppelten Konzentration an Cellulase durch. Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle I angegeben.

Beispiel 18;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 8, führt jedoch die Neutralisation des Milieus vor der enzymatischen Hydrolyse bis zu einem pH-Wert von 5,5 durch. Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle I angegeben.

Die Beispiele 19 bis 21 betreffen die Verwendung der Erfindung bei verschiedenen Fermentationen zur Gewinnung von Proteinen oder eines Treibstoff oder Düngers durch.

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Beispiel 19;

Dieses Beispiel betrifft die Umwandlung der erhaltenen Zucker zu Proteinen. Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 13 unter Anwendung auf 1 kg Stroh. Nach der h Vorbehandlung und der anschließenden enzymatischen Hydrolyse mit einer Cellulase-Lösung erhält man 10 1 einer Lösung, welche 41 g/l reduzierende Zucker enthält. Der Strohrückstand wird abfiltriert und dann zweimal mit 1 1 Wasser gewaschen; auf diese Weise erhält man eine Lösung, die 32 g/l reduzierende Zucker enthält und die man mit Oligo-Elementen so ergänzt, daß sie folgende Mengen enthält: MgCl₂(7,85 g/l, FeSO^, 7 H₂O (0,2 g/l), Cu SO₄, 3 H₂O (4,5 mg/1) und Zn SO₄, 7 H₃O ( 53,7 mg/1).

Die erhaltene Lösung wird in einem belüfteten, mit einer mechanischen Rührung versehenen 2o 1-Fermentationsapparat eingeführt und mit einer Präkultur der Hefe Candida utilis versetzt.

Der pH-Wert wird durch periodischen Zusatz von 1 N-Ammoniak auf 4,8 und die Temperatur des Fermentationsgefäßes auf 34-°C gehalten. Nach I5 stündiger aerober Fermentation ist keine Ammoniak-Zugabe mehr nötig und man stellt fest, daß der Gehalt des Milieus an reduzierenden Zuckern 1»5 g/l überschreitet. Man sammelt dann die Zellen durch Zentrifugieren und erhält einen Bodensatz der 7oo g Hefe (Feuchtgewicht) enthält. Nach dem Trocknen erhält man schließlich 140 g Hefe, welche als Proteinquelle, insbesondere für die tierische Ernährung, verwendet werden kann.

Beispiel 20;

Dieses Beispiel betrifft ebenso wie Beispiel 21 die Gewinnung eines Treibstoff-Gemisches.

Man wiederholt die Bedingungen der Vorbehandlung von Beispiel 10 und wendet sie auf 1 kg Stroh an· Anschließend neutralisiert man mit einem Gemisch aus Kaiiumhydroxid (35 ß/1)» Natriumhydroxid (0,6 g/l) und Ammoniak (6,5 g/l)_s wobei man den pH-Wert vor der enzymatxschen Stufe immer auf 4,8 bringt· Dann wird die enzymatische Stufe durchgeführt und man erhält man 40 Stunden 19 g/l reduzierende Zucker· Anschließend wird der pH-Wert mit der gleichen.Basenmischung auf 6,5 g eingestellt und man erhält eine Lösung, die 18,3 g/l reduzierende Zucker enthält und die man mit folgenden Oligo-Elementen ergänzt: MgCl₂ (2 g/l), FeSO₄, ) H₂O (0,05 g/l), MnSO₄, 5H₂O (0,02 g/l) (M₄)₆ Mo₇O₂₄, 4 H₂O (0,05 g/l), sowie einen Hefeextraktϊ 30 mg/1 und Biotin 3 pg/1·

Anschließend stellt man unter bekannten Bedingungen eine Präkultur eines Bakterienstammes Clostridium Acetobutylicum; diese Präkultur verwendet man, um ein 20 1/Fermentationsgefäß, das die oben genannte Lösung der reduzierenden Zucker enthält, steril zu beimpfen. Die Kultur wird unter Rühren 70 Stunden anaerob auf 37⁰C gehalten. Nach dieser Zeit stellt man fest, daß der Gehalt an reduzierenden Zuckern 2,5 g pro 1 überschreitet und daß man 4,ο g/l eines Gemisches erhalten hat, das 66 Gew.-# Butanol, 29 Gew_e-$ Aceton und 5 Gew.-# Äthanol enthält; dieses Gemisch trennt man anschließend durch Destillation. Der Restsirup wird nun als solcher verwendet, in dem man ihn als Dünger ausstreut, oder auch in dem er vor dem Ausstreuen und der Verwendung als Dünger einer Methan-Fermentation unterworfen wird.

Beispiel 21;

Man führt die Vorbehandlung von Beispiel 20 durch, neutralisiert anschließend mit einem Gemisch von Kaiiumhydroxid (35 g/l)_s Natriumhydroxid (0,6 g/l), I Ammoniak (6,5 g/l) bis zu einem pH-Wert von 5»5 und versetzt gleichfalls mit Oligo-Elementen, Hefeextrakt und Biotin wie im Beispiel 20» Die enzymatische Stufe wird dann wie folgt durchgeführt:

Man führt die oben erhaltene Lösung in ein anaerobes 20 1-Fermentationsgefäß ein, versetzt mit einer Cellulase-Lösung.und einer Präkultur .des Bakteriums Clostridium Acetobutylicum in den selben Mengen wie in Beispiel 20, wobei die Temperatur auf 40⁰C gehalten wird. Nach 70 Stunden erhält man einen Restgehalt an reduzierenden Zuckern von 0,9 g/lj sowie 5 g/l eines Gemisches, das aus 66 Gew.-# Butanol, 29 Gew.-% Aceton und 5 Gew.-# Äthanol besteht; diese Mischung trennt man durch Destillation. Der Restsirup wird nun als solcher verwendet, in dem man ihn als Dünger ausstreut, oder auch in dem er vor dem Ausstreuen und der Verwendung als Dünger einer Methan—Fermentation unterworfen wird.

Die Beispiele 22 und 23 betreffen die Behandlung j von Mais.

Beispiel 22; (Vergleichsversuch)

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 1, welche hier aber auf 1 g Maisrückstände angewendet werden; diese wurden vorher getrocknet (Restfeuchte 7»8$) und dann grob gemahlen und gesiebt (Löcher von 3 21m Durchmesser). Nach 40 Stunden beträgt die Menge an reduzierendem Zucker 25,75 g/l» eine Zahl, die der theoretischen Ausbeute (an potentiellen reduzierenden Zuckern)

von 84 g/l angenähert ist. Unter den gleichen Bedingungen (d.h. nach 4o Stunden) betragen die Mengen von Glucose und Pentosen 12,3 bzw. 7»7 g/l·

Beispiel 25;

Man wiederholt die Bedingungen von Beispiel 3» angewandt auf 1 g des gleichen Maisrückstandes wie im Beispiel 22. Nach 40 Stunden beträgt die Menge an reduzierenden Zuckern 58 g/l, die Menge an Glucose und Pentosen 18,3 "bzw. 24,5 g/l.

Tabelle I

Produkte bestimmt	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 4	Beispiel 5	Beispiel 6
vor und nach 40 Stunden
enzymatische Hydrolyse
reduzierende Zucker 0 h	0,35	2,5	3,5	5	3,9	3,6
(ε/ι) 40 h	5,5	12,6	14,5	15,8	13,8	15,1
Glucose ' Oh'	0,09	0,66	0,91	1,21	0,93	0,95
(ε/ι) 4o h	2,5	4,7	5,7	6,25	5,3	5,9
Pentosen 0 h	0,28	0,51	1,57	2,7	1,47	1,39
(g/l.) 4o h	™-	4,8	6,1	7,0	5,8	6,4

Tabelle I (Fortsetzung)

V · * f " τ r rf ;	Produkte bestimmt vor und nach 4o Stunden enzymatische Hydrolyse	Beispiel 7	Beispiele-	Beispiel^'	Beispiel 10	Beispiel ^11	Beispiel 12
„ t ι » - » 1 * • » 1* · » * » » * *	reduzierende Zucker O :h	9,7	9,5		9,9	8,7	21,3
	(g/l) 40 h	19	18,5,	19,8	19,5	18,3	41,1
I OJ	Glucose O h (g/l) 40 h	0,6o ⁶»²	0,81 5,5	0,92 5,8	0,65 5,7	0,79 5,1	1,51 12,5
I	Pentosen O h	8,6	7,9	8,9	8,8	8,1	18,1
	(g/l) 40 h	1o,2	9,8	1o,6	1o,5	9,7	22,3

Tabelle I (Fortsetzung)

t 4 A C fr > <B α	Produkte bestimmt vor und nach 4o Stunden enzymatische Hydrolyse	Beispiel 13	Beispiel 14	Beispiel 1.5	Beispiel16	Beispiel 17	Beispiel 18
* * * β • * 4	reduzierende Zucker 0 h	22,1	9,3	9,8	9,5	9,2	9,6
I	, (g/i) ^^{0 h}	41,5	2o,1 (8o h)	19,0	17,5	2o,8	17,5
rc\ CV I	Glucose O k (g/l) ..,,Ao h	1,62 12,7	0,82 5,2(8o h)	0,85 4,9 .	0,82 4,1	0,85 6,7	0,9o 5_r9
	Pentosen ° ^h	18,5	7,6	7,7	7,3	7,5	7,8
	(g/l) ^o h	22,6 i	11,3(8o h)	1o,2	9,2	11,7	9,1

Der in dieser Offenbarung verwendete Ausdruck ppm heißt wie üblich:
Teile pro eine Million Teile. (Gew.-Teile)

Claims

Patentansprüche --*

1. Verfahren zur Herstellung von Zuckersirup aus einem pflanzlichen Cellulose-Substrat,

dadurch gekennzeichnet,

daß es die zwei folgenden wesentlichen Stufen umfasst: a) Behandlung des pflanzlichen Substrats mit einer wässrigen Säure-Lösung, wobei diese Säure entweder Phosphorsäure oder ein Gemisch aus Phosphorsäure und Schwefelsäure ist (dieses Gemisch enthält nicht mehr als JO Gew.-^ Schwefelsäure), und die Konzentration an Säure 2 bis 10 Gew.-^ bezogen auf das pflanzliche Substrat beträgt, unter Hydrolyse-Bedingungen für Cellulose-Materialien, bis zur Bildung von 10 bis 4-5 $ potentieller reduzierender Zucker, .

h) Einstellung des Produkts von Stufe a) auf solche Temperatur- und pH-Bedingungen, daß eine enzymatische Hydrolyse der Cellulose erfolgt, Zusatz eines Enzyms, r das Cellulose hydrolysieren kann, und Aufrechterhaltung ' %._■ dieser enzymatischen Hydrolyse-Bedingungen während t& einer ausreichenden Zeit, so daß eine entsprechende Menge reduzierender Zucker entsteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Säure in einer Menge von 4· bis 8 Gew.-^ des pflanzlichen Cellulose—Substrats verwendet wird und man bei 100 bis 180° C arbeitet.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stufe a) in Gegenwart von Phosphorsäure bei 120 bis 150° C durchgeführt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stufe a) in Gegenwart eines Gemische von Phosphorsäure und Schwefelsäure bei 120 bis 150⁰ C durchgeführt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß während des Verfahrens nicht mehr als 500 ppm Furfurol (Furfural) im Produkt der Stufe a) gebildet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß in Stufe (a) die wässrige Lösung eine Konzentration von 0,1 bis 5 Gew.-^ der Säure enthält.

15 7· Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der pH-Wert für die enzymatische Hydrolyse 3,5 bis 7 beträgt und durch Zugabe von mindestens einer Base aus der Gruppe Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniak, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat und Ammoniumcarbonat zum Produkt der Stufe (a) erhalten wird.

8. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet,

daß das pflanzliche Cellulose-Material Stroh ist.

9. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet,

daß das pflanzliche Cellulose-Material Mais ist.

10. Verwendung von Zuckersirup, der nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 erhalten wurde, als Nährelement bei der Fermentation eines Mikroorganismus zur Gewinnung von Proteinen.

11. Verwendung eines Zuckersirups, der nach den Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 9 erhalten wurde, als Nährelement bei einer Acetono-Butyl-Fermentation«.