DE618424C - Verfahren zur Darstellung von Butanol und Aceton durch Gaerung - Google Patents

Description

Zur Darstellung von Butanol und Aceton aus stärke- oder zuckerhaltigen Rohstoffen ist bereits eine größere Reihe von Bakterien in Vorschlag, und zur Anwendung gebracht worden, so z.B. Bacillus butylicus Fitz (deutsches Patent 323 533), der Weizmann-Bacillus (deutsches Patent 445 982), Bacillus butylicus Boinot Firmin (deutsches Patent 372762), Bacillus acetobutylicus (amerikanisches Patent ι 427 595), Bacillus butyloaceticus (amerikanisches Patent 1 537 597), Clostridium butyricum Prazmowski-Pike-Smyth (amerikanisches Patent 1 655 435) und zahlreiche Bakterien der Amylobactergruppe (britisches Patent 164023).

Es ist nun gelungen, eine Bakteriengruppe zu gewinnen, die von allen oben genannten oder anderweitig beschriebenen Arten sowohl morphologisch als auch biochemisch, insbebesondere bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit, streng unterscheidbar ist und die zur Darstellung von Butanol und Aceton vorteilhafter als andere Arten zu verwenden ist. Diese Bakteriengruppe, die nachfolgend als Butylobactergruppe bezeichnet wird, läßt sich infolgender Weise charakterisieren.

Die Bakterien der Butylobactergruppe bilden vegetative Zellen, die etwa 2 bis 3 μ lang sind und einen Durchmesser von ¹J₄₁ bis ¹Z₃ μ besitzen. Entgegen allen obigen Arten bilden diese Zellen unter normalen Umständen weder Ketten noch Fäden. Sehr charakteristisch ist die Gramfärbung. Wenn eine 5°/_oige Getreidesuppe mit Sporen beimpft wird, färben sich die jungen Zellen anfangs gram-positiv (blau). Nach 24 Stunden beginnen sie jedoch allmählich rotviolett zu werden, werden von Stunde zu Stunde röter und sind nach etwa 42 Stunden einwandfrei gram-negativ (rot). Diese Färbung behalten sie 1 bis 3 Stunden lang bei, nehmen dann aber wieder rotviolette Farbe an, um nach 48 Stunden wiederum einwandfrei gram-positiv (blau) zu sein.

Die Sporenbildung tritt bereits nach 24 Stunden ein. Die Sporen liegen exzentrisch und sind von zylindrischer Gestalt, etwa ι μ lang und ¹Z₂ bis ²/₃ μ im Durchmesser.

Sehr charakteristisch ist des weiteren die Gärleistung in konzentrierten Maischen. Die bisher beschriebenen Bakterienarten können eine 5- bis 8°Z_oige Maissuppe mit einer Ausbeute von etwa ¹Z₃ des Stärkegehaltes vergären. Dagegen kann Butylobacter eine -12- bis I4°/_Oige Maissuppe mit einer Ausbeute von 40 bis 43 °/₀ der vorhandenen Stärke vergären, ergibt also bei einer etwa doppelt so hohen Konzentration eine um rund 33 °/'_o höhere Ausbeute. Die doppelte Konzentration bedingt, daß zur Herstellung von Butanol und Aceton durch Gärung mit Butylobacter nur die Hälfte an Dampf und Energieverbrauch notwendig ist. In Anbetracht der höheren Ausbeute erhöht Butylobacter die Wirtschaftlichkeit des Betriebes auf etwa das Doppelte.

Ein weiterer Charakterzug der Butylobactergruppe ist die Anpassungsfähigkeit an

die jeweils zur Vergärung bestimmten Rohstoffe. Eine von Mais gewonnene Abart (Butylobacter zeae, Bakonyi) beispielsweise zeigt nach-4 bis 5 Überimpfungen auf eine S konzentrierte Kartoffelsuppe, in Intervallen von je 24 Stunden, reichliche Sporenbildung und ebenso gute Gärkraft wie in Maissuppe. Auch in schwer vergärbaren Rohstoffen, z. B. in verdünnter Zuckerrohrmelasse (black

ίο strap) zeigt sich ohne Nährzusätze nach vier Überimpfungen bereits eine starke Gärung und üppige Sporenbildung.

Die Gewinnung des Butylobacters erfolgt beispielsweise nach folgenden Verfahren, für dessen Durchführung prinzipiell die übliche bakteriologische Technik angewendet werden kann. Da aber Butylobacter nicht überall verbreitet ist, ist es zweckmäßig, die unten beschriebene Züchtungsmethode anzuwenden, die durch die stete Anwesenheit von wenigstens ι bis 2 °/₀ Butanol das Wachstum der weniger widerstandsfähigen Bakterien verhindert. Die gleichen wiederholt genannten Bakterien nach dem Verfahren von Weizmann zu gewinnen (deutsches Patent 445 982), ist nicht möglich, da die Sporen des Butylobacters gegen Erhitzung äußerst empfindlich sind, um vieles empfindlicher jedenfalls als die Sporen aller bisher bekannten Arten. Eine Erhitzung auf ioo°, wie sie Weizmann vorschreibt, wirkt äußerst ungünstig, meist sterben die Sporen ab, und wenn angegangen, zeigen sie eine verzögerte und schlechte Gärleistung. Des weiteren ist es notwendig, einen geeigneten Bakterienträger als Ausgangsstoff zu wählen. Bisher konnten vier Abarten des Butylobacters gewonnen werden:

i. Butylobacter zeae, Bakonyi — gewonnen von ungarischem Mais (1924).

	Bacillus Weizmann	Bacillus butyl B. F.	Bacillus butylaceticus	Bacillus Aceto- butylicus	Clostridium butyr. Pike-Smith	Butylobacter
Autor	Weizmann	Boinot	Freiberg	Horton	Pike-Smith	Bakonyi
Patent	deutsches Patent 445982	deutsches Patent 372 762	amerikan. Patent 1537597 -	amerikan. Patent 1427595	amerikan. Patent 1655435	—■
Zellen	3 — 3 72 χ o,3— ο,δ,ο	0,4 μ	3 — 4· ^- 0,4 —0,6,0	2-—-4X ι — 2μ	3 —10 χ o,75 — ι μ	2 ■ 3 x 0,25—0,3,0
Sporen 35	2,2 X 1,2 μ	I 1,2 X 0,5 μ	2,2 χ 1,2 μ	i,6 χ i,2 μ	2 2,5 X Χμ	I X 0,5 — 0,7,0
Zellform	abgerundet	eckig	abgerundet	abgerundet	abgerundet	abgerundet
Ketten bildung	vorhanden	vorhanden	vorhanden	vorhanden	vorhanden	keine
4° „ Sporen form	oval	zylindrisch	oval	oval	oval	zylindrisch
Sporen anzahl	I	I 2	I	I	I	I
45 Gram färbung	positiv	positiv	positiv	positiv	positiv, dann negativ	Dositiv, dann negativ, dann wiederpositiv

2. Butylobacter betae, Bakonyi — gewonnen von deutschen Futterrüben (Kreis Zerbst
1928).

3. Butylobacter sinense, Bakonyi — gewonnen von JafEaapfelsinen (1928).
4. Butylobacter solani, Bakonyi — gewonnen von deutschen Kartoffeln (Kreis Zerbst
1928).

Dagegen ist es nicht gelungen, von deut-.schem Mais Butylobacter zu gewinnen, da er
sich vermutlich nur auf solchen Früchten befindet, die auf einem guten Humusboden geerntet wurden oder die mit dem Boden selbst dauernd in Berührung gestanden haben (Rüben und Kartoffeln).

Auf den Boden eines sterilisierten, etwa cm langen Röhrchens bringt man ein Stück von der Oberfläche einer Futterrübe, überschichtet es etwa 20 cm hoch mit einer ι bis 2 °/₀ Butanol enthaltenden, etwa 5°/_oigen sterilen Getreidesuppe und bebrütet die evakurierten Röhrchen bei 37⁰ etwa 24 Stunden. Die Röhrchen zeigen, wenn Butylobacter oder andere Gärungserreger vorhanden sind,

eine lebhafte Angärung. Der mikroskopische Ausstrich zeigt infolge des Butanolzusatzes ein ziemlich einfaches Bild:

1. Plumpe Stäbchen, d. s. verschiedene Streptostäbchen, Buttersäurebakterien, aber keine Heubazillen, keine Mitglieder der Maceransgruppe.

2. Feine Stäbchen (Butylobacter).

3. Verschiedene Kokken.

Sind die feinen Stäbchen bereits in überwiegender Menge vorhanden, so kann man sofort versuchen, die verschiedenen Arten mit der üblichen Agarplattenmethode zu trennen, andernfalls wird die Kultur 24stündig auf frische, Butanol haltige Maissuppe überimpft, wodurch die gegen Butanol weniger widerstandsfähigen Arten rasch zurückgedrängt werden. Auf Platten wächst Butylobacter nur unter Luftabschluß (anaerob) und kann infolge folgender morphologischen Merkmale von anderen Arten leicht getrennt werden.

1. Die vegetativen Zellen sind bedeutend kürzer und schlanker als alle übrigen bisher bekannten Butanol-Aceton-Bakterien. Sie bilden keine Ketten und zeigen die erwähnte, sehr charakteristische Gramfärbung (positiv, dann negativ, dann wieder positiv).

2. Die Sporen gehören ebenfalls zu den kleinsten, von Butanol-Aceton-Bakterien je-weils gebildeten; sie sind zylindrisch,· wogegen die Sporen der übrigen Arten oval geformt sind.

Nur der Bacillus butylicus Boinot Firmin hat Sporen von etwa gleicher Größe und Form; jedoch bildet Butylobacter nur eine Spore, Bacillus Butylicus B. F. oft zwei, Butylobacter hat abgerundete, B. F. eckige Zellen, Butylobacter bildet weder Ketten noch Fäden wie B. F., und schließlich ist Butylobacter fast um die Hälfte kürzer und schlanker als B. F. In der nebenstehenden Tabelle sind die Eigenschaften der bekannten Arten zusammengefaßt, um die Identifizierung des Butylobacters zu erleichtern.

Die Herstellung von Butanol und Aceton durch Gärung mittels Butylobacters geschieht in folgender Weise:.

10 000 kg gemahlener Mais werden unter Zusatz einer etwa dreifachen Wassermenge ι bis 2 Stunden lang bei 2 Atm. gekocht, in einen Gärbottich ausgeblasen und auf etwa 80 000 1 verdünnt. Nach Abkühlung· auf etwa 37° wird die erhaltene Maissuppe mit einer Laboratoriumskultur oder mit einer größeren Vorgärung beimpft. In letzterem Falle setzt die Gärung sofort ein und ist nach 30 bis 40 Stunden vollständig beendet. Die Reingewinnung der gebildeten Gärungsprodukte (Butanol und Aceton) geschieht dann durch Destillation. Die Ausbeute beträgt 2500 bis 2700 kg.

In gleicher Weise lassen sich alle anderen Getreidearten, Kartoffeln, Melasse u. dgl. verarbeiten.

Bei Verwendung von Melasse als Gärgut genügt eine halbstündige Vorerhitzung der Melassesuppe auf ioo°, um auch hier eine in jeder Weise befriedigende Gärung in oben beschriebener Weise zu erzielen.

" Es ist schon vorgeschlagen worden, stärkehaltige Stoffe, denen auch andere Kohlehydrate zugesetzt sein können, auf Butanol und Aceton zu vergären. Nach dem neuen Verfahren können diese Produkte wahlweise aus stärke- oder zuckerhaltigen Rohstoffen durch bakterielle Vergärung gewonnen werden, was von großem technischem Wert ist, da bisher bei der Vergärung von Melasse allein nur Butanol, aber kein Aceton erhalten wurde.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Darstellung von Butanol und Aceton durch Vergärung von stärke- oder zuckerhaltigen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bakterien der Gruppe Butylobacter als Gärungserreger verwendet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen