DE3636208A1 - Verfahren zur delignifizierung und bleichung von lignicellulosehaltigem bzw. ligninhaltigem material bzw. lignin durch enzymatische behandlung - Google Patents

Verfahren zur delignifizierung und bleichung von lignicellulosehaltigem bzw. ligninhaltigem material bzw. lignin durch enzymatische behandlung

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Description

Das Verfahren beschreibt einen Prozeß zum enzymatischen Ab­ bau von Lignin und der Bleichung von ligninhaltigen Stoffen. Die Neuheit des Verfahrens beruht auf dem synergistischen Zusammenwirken zwischen verschiedenen Parametern.
  • 1. Optimaler pH-Wert
  • 2. Optimale Temperatur
  • 3. Optimale Enzymdosage
  • 4. Optimale Zusammensetzung der Zusatzfaktoren wie Oxydations-/ Reduktionsmitteln, Aktivatoren und Schutzfaktoren für die Enzyme etc., d. h. auf der Einstellung und Regelung eines spezifischen, für den optimalen Substratabbau notwendigen Redoxzustandes, der verhindert, daß eine Neupolymerisation des Lignins aus gebildeten Radikalen erfolgt.
Im Idealfall erhält man ein System, das in Redoxschwingungen gerät.
In den letzten Jahren ist v. a. das lignolytische Enzymsystem des Weißfäulepilzes Phanerochaete chrysosporium untersucht und in vielen Einzelheiten aufgeklärt worden.
So wird in der Literatur beschrieben, daß beim Abbau von Lignin ohne z. B. geeignete reduzierende Enzymsysteme das Gleichgewicht der Reaktion auf der Polymerisationsseite liegt (Lit 1). Der Zusatz von Reduktionsmitteln (Ascorbinsäure) wird z. B. im Falle der Mn-abhängigen Peroxidase von Phanerochaete chrysospo­ rium als Hemmstoff beschrieben, Dihionit als Aktivator (Lit 2). Ebenso wurden bereits Bleichsysteme mit diesem Pilz erstellt (Lit 3).
Die bisher bekannten Abbauverfahren bzw. Bleichverfahren von Holz, Stroh etc. arbeiten meist alle mit Pilz/Substratsystemen. Das als Patent vorliegende DE 31 10 117 C 2, Europäische Patent 00 60 462 B 1 "Herstellung von Cellulose aus Holz oder aus anderen lignocellulosehaltigen Pflanzen durch mikrobiellen Abbau der Ligno­ cellulose" ist insofern verschieden vom vorliegen­ den Verfahren, da es sich nicht um ein redoxmäßig gesteuertes und durch Aktivatoren und Enzymschutzstoffe optimiertes Ver­ fahren handelt.
Der besondere technologische Vorteil des vorlie­ genden Verfahrens liegt in einem völlig neuen Enzymreaktor­ typ zum Ligninabbau, bei dem in sehr kurzer Zeit (Stunden) kontinuierlich ligninhaltiges Material, z. B. mit Natronlauge vorbehandeltes und gemahlenes Stroh durch den Enzym- und Zusatz­ faktoren enthaltenden Reaktor geleitet werden und das Enzym nach dem Ligninabbau entweder verworfen wird oder aber mittels Rück­ leitung und Reinigung, z. B. über eine Affinitätssäule dem Prozeß wieder zugeführt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Immobilisation der abbauenden Enzyme.
Beispiel
1 g atro gehäckseltes Weizenstroh wird 24-48 Std. mit 1-2% NaOH behandelt.
Nach der Behandlung mit Natronlauge wird das Stroh abfiltriert und mit 60 ml heißem Wasser gewaschen.
Daraufhin wird das Stroh auf 90 ml mit H2O verdünnt, gerührt, mit 0,2 m HCl auf pH 3 eingestellt und auf 100 ml mit H2O auf­ gefüllt.
Anschließend wird H2O2 zugegeben (60 µl einer Lösung, die 49 ml H2O + 4 ml H2O2 enthält). Äquimolar wird Reduktionsmittel (Ascorbinsäure) zugegeben.
Die Reaktion wird durch Zugabe von Enzymen (Ligninasen) von Phanerochaete chrysosporium (< 1000 U, 1 U = 1 µ Mol Umsatz von Veratrylalkohol in Veratrylaldehyd/l/min) in Gang gesetzt. Weitere Versuchsparameter: T = 40°C; Rührung Nach 2 Std. wird ein Gesamtabbau von Lignin von < 33% erreicht.
  • Lit 1: Biotechnology in the Pulp und Paper Industry. 3. Inter­ national Conference, Stockholm 1986.
  • Lit 2: Paszczgnski, A. et al.: Comparison of Ligninase-1 and Peroxidase-M2 from the White-Rot Fungus Phanerochaete chrysosporium, Arch, Biochem. Biophys. Vol. 244. Nr. 2. S. 750-765. 1986.
  • Lit 3: Joyce et al.: A continous biological process to decolorize bleach Plant effuents, Biological in the pulp and paper industry, London 1983.

Claims (9)

1. Verfahren zum enzymatischen Abbau und Bleichen von Lignin aus z. B. chemisch mit NaOH etc. vorbehandeltem und/oder mechanisch vorbehandeltem Material wie Ligno­ cellulose, Ligninstoffen, ligninhaltigen Ablaugen und Abwäs­ sern und Lignin zur Herstellung von Zellstoff, Zellulose, bzw. Ligninabbauprodukten durch Hinzufügen von lignolytischen Enzymen und Mikroorganismen und Oxidationsmitteln, enzym­ aktivierenden Salzen und phenolischen Verbindungen dadurch gekennzeichnet, daß in einem definierten Redoxsystem das Lignin in einem Reaktionsgefäß oder einem Enzymreak­ tor aus dem lignocellulosehaltigen Material, bzw. aus Lignin­ stoffen oder Lignin durch Hinzufügen von lignolytischen Enzymen, lignolytischen Pilzen oder Bakterien oder lignolytischen Enzymen und Pilzen oder Bakterien unter gleichzeitigem Vorhandensein von Oxidations- und Reduktionsmitteln und/oder Zudosage von Oxidations- und/oder Reduktionsmitteln und/oder Salzen und/oder phenolischen Verbindungen abgebaut und daß das lignocellulose­ haltige Material oder die ligninhaltigen Stoffe, Ablaugen oder Abwässer oder das Lignin in einer oder mehreren Stufen gebleicht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel H2O2, O2, Ozon als Reduktionsmittel Ascorbin­ säure, Dithionit, Na-Bisulfit, als Salze MnSO4 und als phenoli­ sche Verbindungen, Veratrylalkohol verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lignolytischen Enzyme aus Weißfäulepilzen oder Bakterien gewonnen werden und daß die lignolytischen Organismen Weißfäule­ pilze oder andere Pilze oder Bakterien sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Reaktion zwischen 2 und 4 und die Temperatur zwischen 20° und 60° liegen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbauprozeß durch eine Redoxpotentialmessung (Redox­ elektrode) erfolgt und eventuelle Zudosierungen über das Redoxpotential als Regelgröße geregelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Enzym nach dem Einwirkprozeß über eine Trennsäule geleitet wird, (z. B. eine Affinitätssäule mit enzymspezifischen Li­ ganden z. B. phenolischen Verbindungen oder proteinspezifischen Liganden z. B. Tannin und dann in das Reaktionsgefäß (Enzym­ reaktor) zurückgeleitet wird und erneut in den Abbauprozeß von noch vorhandenen und/oder neu hinzugefügtem Substrat eingreifen kann.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abbau von Lignocellulose zur Herstellung von Zellstoff bzw. Zellulose bei cellulose- und hemicellulosefreien Mutanten gearbeitet wird bzw. daß die lignolytischen Enzyme über eine affinitätschromatographische Trennung wie unter 5 beschrieben gereinigt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Enzym und/oder die Pilze oder Bakterien in immobilisierter Form auf Trägern zu dem lignocellulosehaltigen bzw. lignin­ haltigen Material zugefügt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der enzymatischen Bleiche eine konventionelle Bleiche mit gängigen Bleichmitteln wie Natriumhypochlorit, Chlor, Ozon, O2, Chlordioxyd etc. durchgeführt wird.
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