DE69224173T2

DE69224173T2 - Behandlung von lignocellulosischen Materialien

Info

Publication number: DE69224173T2
Application number: DE69224173T
Authority: DE
Inventors: Mark A Johnson; Alexander R Pokora
Original assignee: Mead Corp
Current assignee: Mead Corp
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: CA2082185C; EP0546721B1; FI110698B; FI925352A0; DE69224173D1; EP0546721A1; AT4589U2; AT4589U3; CA2082185A1; US5374555A; ES2111621T3; BR9204539A; FI925352A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Behandlung von Lignocellulosematerialien, d.h. Pulpe oder Holzschnitzeln.
In der JP-A-3220389 wird ein Verfahren zur Behandlung von Pflanzen mit einer Lösung, die Papain und/oder Pankreatin als Enzyme und Dinatriumadenosinbiphosphat und/oder Protease, die aus Bakterien der Gattung Bacillus stammen, um Verunreinigungen ohne Beschädigung der Cellulose zu entfernen, beschrieben. Die erhaltene Pulpe kann als Ganz-Papierzeug bzw. Ganzstoff verwendet werden.
Die EP-A-0430915 betrifft ein Verfahren zur Herstellung mechanischer Pulpe aus einem faserartigen Produkt. Um die Refinerenergie zu reduzieren, wird das faserartige Produkt einer Enzymbehandlung unterzogen, bei der ein Fnzym auf die Hemicellulose und/oder Cellulose in dem faserartigen Produkt einwirkt. Zusätzlich zur Verminderung des Verbrauchs an Refinerenergie verbessert die Enzymbehandlung auch die Festigkeitseigenschaften und den Weißgehalt der Pulpe.
Wie aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Beispiele hervorgeht, ermöglicht die Erfindung eine enzymatische Behandlung von Holxschnitzeln oder Holzpulpe, die die Faserung erhöht und Delignifizierung und Bleichen erleichtert.
Frühere enzymatische und biologische Aufschlußverfahren berücksichtigen nicht das Vorliegen von Extensin in Zellwänden. Extensin ist ein hochquervernetztes Protein, reich an Prolin und Hydroxyprolin, das von Xylanasen und Peroxidasen, wie Ligninasen, nicht angegriffen wird. Es wird angenommen, daß Lignin an Extensin gebunden ist und als ein Stützskelett für Zellen funktioniert. Extensin oder Lignin wird während der Bildung der zweiten Wand in Zellwänden höchstwahrscheinlich immobilisiert.
Ein partieller Abbau von Extensin scheint daher von Bedeutung zu sein, um das Lignin für die Extraktion bei chemischen Aufschlußverfahren und beim Bleichen zugänglicher zu machen oder um den Energieverbrauch und das Beschädigen von Gellulosefasern während des mechanischen Aufschlußes zu reduzieren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Behandlung einer Lignocellulosepulpe mit einer Lösung eines Protease-Enzyms umfaßt, wobei die Pulpe unter alkalischen Bedingungen hergestellt worden ist oder mit einer alkalischen Lösung vorbehandelt worden ist, wobei die Behandlung mit einer alkalischen Lösung die Infiltration der Pulpe durch das Protease-Enzym erhöht.
In einem zweiten und alternativen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, das die Behandlung von Holzschnitzeln mit einer Lösung eines Protease-Enzyms umfaßt, bevor aus den Schnitzeln Pulpe gebildet wird, wobei die Schnitzel mit einer alkalischen Lösung vorbehandelt worden sind, und wobei die Vorbehandlung mit einer alkalischen Lösung die Infiltration der Schnitzel durch das Protease-Enzym erhöht.
Holzschnitzel oder Holzpulpen bzw. Holzzellstoff können in jeder Phase eines Papier-Herstellungsverfahrens behandelt werden, vorzugsweise jedoch vor der Delignifizierung oder dem Bleichen mit dem Protease-Enzym, um die Faserung und/oder die Effizienz der Delignifizierung oder Bleiche zu erhöhen. Unsere Tests haben gezeigt, daß die Proteasen, Pepsin und Papain, die Entfernung von Lignin aus Holz fördern, möglicherweise durch Spalten der Proteinmatrix der Zellwand. Unsere Tests haben ebenfalls gezeigt, daß mit Proteasen behandelte Holzpulpen einen höheren Faserungsgrad aufweisen als Pulpen, die nicht mit Proteasen behandelt worden sind. Unsere Tests haben gezeigt, daß die Proteasebehandlung eine flachere Faser erzeugt, was die Glätte des Papiers, das von diesen Fasern stammt, verbessert. Die Proteasebebandlung kann in einer kombinierten Behandlung mit einer Xylanase oder Ligninase nacheinander oder als Gemisch durchgeführt werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Theorie (auf die sich die Anmelderin nicht festlegen möchte) ist, daß Cellulosepolymer in Pflanzen in einer ineinandergewobenen Matrix aus Pektinen, Xylanen (Hemicellulose), Lignin und Protein auftritt. Die strukturelle Rolle der Proteine ist mittels eines "Kette-Schuß"-Modells erklärt worden, das ein querverbundenes Protein-Netzwerk aus Extensinen, Hydroxyprolin-reichen Proteinen (HPRPs) und Glycin-reichen Proteinen (GRP's) voraussagt, die an Lignin und Cellulose gebunden sein können. Durch Hydrolysieren irgendeines dieser Proteinsysteme wird verstärkt Lignin entfernt. Es wird auch angenommen, daß Extensin die Mikrofibrillen, die die Faser bilden, binden kann, was erklärt, warum bei der Proteasebehandlung eine erhöhte Fibrillation beobachtet wird.
Je nach ihrer Natur können die Holzschnitzel oder die Pulpe direkt mit einer Lösung des Protease-Enzyms behandelt werden. In anderen Fällen kann es erwünscht sein, die Schnitzel oder die Pulpe mit einer alkalischen Lösung oder einer Cellulase-Enzymlösung vorzubehandeln, um Stoffe zu entfernen, von denen die Fasern überzogen sein können. Dies erhöht den Zugang, den das Protease-Enzym zu dem Extensin in den Fasern hat.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren, das umfaßt, daß man Holzschnitzel in einer Lösung eines Protease-Enzymes hält, und zwar für einen Zeitraum und unter Bedingungen, die ausreichend sind, um Delignifizierung, Bleichen oder Fibrillation einer aus den Holzschnitzeln hergestellten Pulpe zu erhöhen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren, das die Inkubation von Cellulosepulpe in einer Lösung eines Protease-Enzyms für einen Zeitraum und unter Bedingungen umfaßt, die die Delignifizierung, Bleiche oder Fibrillation der Pulpe erhöhen.
Obwohl die in unseren Verfahren verwendeten Enzyme normalerweise als Proteasen bezeichnet werden, wird der Fachmann erkennen, daß nicht sämtliche Proteasen gegenüber sämtlichen Substraten unter sämtlichen Bedingungen gleichermaßen wirksam sein werden. Jede Protease, die in der Lage ist, Extensine, HPRP's und GRP's zu hydrolysieren, sollte wirksam sein. Wie in den Beispielen 1 und 2 gezeigt ist, sind zum Zeitpunkt der Anmeldung hinsichtlich erhöhter Liqninentfernung gute Ergebnisse erzielt worden mit Pepsin (CAS Nr. 9001-75-6) und Papain (GAS Nr. 9001-73-4).
Es ist jedoch gefunden worden, daß Bromelain (CAS Nr. 37189-34-7) und Pilzprotease bei der Entfernung von Lignin nicht so wirksam sind. Besonders bevorzugte Proteasen umfassen natürliche oder synthetische Proteasen, die unter weniger sauren und mehr basischen Bedingungen aktiv sind, da saure Bedingungen zum Abbau der Pulpe beitragen. Beispielsweise ist Papain bei einem pH von 6,2 aktiv und ist gegenüber Pepsin, das einen pH von 2,0 benötigt, bevorzugt. Bevorzugte Proteasen zeigen ihre maximale Aktivität bei einem pH von größer als 4,0 und bevorzugter größer als 5,0. Noch mehr bevorzugt sind Proteasen, die unter alkalischen pH-Bedingungen aktiv sind.
Typische Beispiele von Proteasen, die in praktischen Beispielen unserer Verfahren brauchbar sind, umfassen Subtilisine (CAS Nr. 9014-01-1), Thermolysine (CAS Nr. 9073-78-3), Esperase (CAS Nr. 9073-77-2), Alpase (CAS Nr. 9001-12-1). Proteasen, die Collagenaseaktivität zeigen? Proteasen, die Gelatine, Tierhufe, Hörner, Häute bzw. Felle, Ligamente, Sehnen oder Knorpel hydrolysieren oder die andere Substrate hydrolysieren, die einen Glycin- und Hydroxyprolin-Gehalt ähnlich demienigen von Pflanzenzellwand-Proteinen, Proteasen aus Schaffuß-Fäuleorganismen, Proteasen aus Pilzen, die Holz kolonisieren, wie Blaufäulepilze, Weißfäulepilze und Braunfäulepilze, aufweisen.
Geeignete Pulpen zum Durchführen unserer Verfahren umfassen Hartholz-, Weichholz- und andere Lignocellulosepulpen. Es können beispielsweise mechanische, thermomechanische, chemomechanische, Sulfit-, Kraft-, Soda- und modifizierte Sulfitpulpen verwendet werden.
Die Proteasebehandlung kann in jedem Gefäß geeigneter Größe durchqeführt werden. unter der Voraussetzung, daß der Inhalt gemischt und die Temperatur kontrolliert wird.
Die Reihenfolge der Zugabe der Reaktanten ist nicht entscheidend. Das Reaktionsgrundgemisch umfaßt Pulpe oder Holzschnitzel in Wasser bei einem pH, der für das verwendete Enzym oder Enzymgemisch geeignet ist. Im Falle einer Lignocellulosepulpe kann das Reaktiorisgemisch eine Konsistenz im Bereich von etwa 1 bis 16 % aufweisen. Die Protease liegt in einem Verhältnis von etwa 1. zu 1 000 000 Einheiten pro Gramm trockener Pulpe vor. Eine Proteaseeinheit hydrolysiert Kasein, wobei ein Farbäquivalent zu 1 umol Tyrosin pro Min. bei 37 ºC erzeugt wird (Farbe durch Folin-Ciocalteu-Reagens). Das Reaktiorisgemisch wird bei 20 bis 80 ºC etwa 0,1 bis 6 Stunden lang inkubiert. Der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, Reaktiorisbedingungen für das spezielle Enzymsystem ohne übermäßigen experimentellen Aufwand zu optimieren.
Es kann auch eine Xylanase, Ligninase, Pektinesterase, Pektinlyase oder Manganperoxidase gleichzeitig oder als Vor- oder Nachbehandlung verwendet werden. Generell scheinen diese Enzyme das Extensin mehr zugänglich zu machen. Zur Reaktion der Xylanase wird auf die internationale Anmeldung WO-A-91/05908 verwiesen. Zur Reaktion von Ligninase siehe EP-A-0418201.
Holzschnitzel können vorteilhafterweise behandelt werden, indem sie in einer Lösung des Enzyms eingeweicht werden. Die Schnitzel werden jedoch vorzugsweise destrukturiert. indem man sie durch eine Schraubenpresse leitet, wie in der US-A-4.869,783 von Prusas beschrieben ist. Durch Destrukturieren und Komprirmieren der Schnitzel und indem man die Schnitzel in einer Lösung des Enzyms quellen läßt, wird eine effektive Imprägnierung und Infiltration der Schnitzel erreicht.
Die Behandlung der Pulpe kann mit jedem Delignifizierungs- oder Bleichprozeß gekoppelt werden, um die Wirksamkeit dieser Verfahren zu erhöhen. Unter anderen Verfahren, die mit unseren derzeitigen Behandlungen zur Herstellung von Papier oder Pappe gekoppelt werden können, sind Sauerstoffdelignifizierung, Wasserstoffperoxid-Extraktion und -Bleichen, Chlordioxid-Bleichen, Chlor- und Chlordioxid-Bleichen, usw. Die spezielle Reihenfolge der Behandlung ist offen. Jede Reihenfolge, die mindestens eine Stufe umfaßt, in der Schnitzel oder Pulpen mit einer Protease inkubiert werden, sind hierbei brauchbar. Die Proteasebehandlung kann in jeder Stufe der Verfahrensfolge vorteilhaft eingesetzt werden. Um eine maximale Wirksamkeit bei der Delignifizierung zu erreichen, muß die Proteasebehandlung jedoch vor der Delignifizierungs- und Bleichstufe erfolgen.
Es ist generell wünschenswert, Pulpen vorzubehandeln, um Stoffe zu entfernen, die auf den Papierfasern abgeschieden sein können und die die Protease erschöpfen können. Viele dieser Stoffe sind alkalilöslich, und daher ist es wünschenswert, die Pulpe vor der Proteasebehandlung mit einer Natriumhydroxidlösung (pH etwa 11 bis 14) zu waschen. Wenn die Pulpe unter alkalischen Bedingungen hergestellt wird, kann dies unnötig sein. Eine alkalische Vorbehandlung von Kraftpulpen ist beispielsweise nicht notwendig. Eine Behandlung mit einem Surfactant oder Detergens kann eingesetzt werden um ein Eindringen der Protease in die Faserporen zu steigern und ein Auswaschen von Verunreinigungen und störenden Substanzen zu erhöhen. Poren können durch Vorbehandlungen mit Cellulase oder Pektinase geöffnet werden. Auch eine Behandlung mit Chelatbildnern zum Entfernen von Metallen kann das Eindringen erhöhen.
Die alkalische Vorbehandlung wird normalerweise bei 10 bis 80 ºC durchgeführt, wobei etwa 5 bis 200 Teile Alkali pro 100 Teile trockener Pulpe verwendet werden. Eine andere wirksame Vorbehandlung wird bei einem alkalischen pH durchgeführt, und es werden etwa 50 bis 5000 Cellulaseeinheiten pro 100 Gramm Pulpe oder Schnitzel verwendet.
Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele ausführlicher veranschaulicht

Beispiel 1

Cellulase-Vorbehandlung

Mechanische Refinerpulpe (Refiner mechanical pulp, RMP) (750 g, 14 %ige Konsistenz) wurde mit 5 Litern 0,1 M Natriumacetat, pH 5, und 20 g Cellulase aus Penicillium funiculm (134 000 Einheiten, Sigma Chemical Co.) gemischt und 2 Std. lang bei Raumtemperatur gerührt. Die Aufschlämmung wurde abfiltriert, mittel Liter 2 M Natriumhydroxid 30 Minuten lang gerührt, abfiltriert, mit derselben Natriumhydroxidlösung qewaschen, abfiltriert, dreimal mit Wasser gewaschen und in 10 gleiche Teile aufgeteilt.

Beispiel 2

Protease-Behandlung

Mit Cellulase behandelte und mit Alkali gewaschene Pulpe (40 q) wurde in 500 ml der in Tabelle 1 angegebenen Puffer äquilibriert Der pH der Lösungen wurde nach Zugabe der Pulpe aus Beispiel 1 auf die angegebene Höhe eingestellt.
Es wurden zu jeder Aufschlämmung Proteasen (2 g) gemäß Tabelle 1 zugegeben. Tabelle 1. Protease-Behandlung von Holzpulpe
Die Protease-Behandlung wurde durchgeführt, indem 1 Stunde bei Raumtemperatur gerührt wurde. Die Pulpe wurde abfiltriert, mit 1.00 ml 4 %igem Natruimborat in 2 M Natriumhydroxid, pH 12, und anschließend mit 100 ml 2 M Natriumhydroxid extrahiert. Die Entfernung von Lignin wurde bestimmt, indem die Absorption (OD) eines jeden Extraktes bei 280 nm bestimmt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
1/ Einheiten wie von Sigma Chemical Co. definiert. Tabelle 2
Die Ergebnisse von Tabelle 2 zeigen, daß bedeutend mehr Lignin durch die Behandlung mit Pepsin entfernt wurde, als aus der unbehandelten Pulpe entfernt wurde. Einige der gezeigten Unterschiede können eine Funktion der Extraktionszeit und des pH-Werts der Inkubation der Kontrolle (6,2) sein. Das folgende Beispiel 3 untersucht die Wirkung der Extraktionszeit und des pHs am Vergleich der Ligninentfernung mittels Protease-Behandlung.

Beispiel 3

Beispiel 3 wurde wie Beispiel 2 durchgeführt, wobei lediglich Pepsin und Papain verwendet wurden. Die Cellulase-behandelte Pulpe wurde jedoch auf 30 g naß pro Test reduziert. Die Extraktionszeit wurde auf 85 Minuten für die Boratextraktion und auf 100 Minuten für die Hydroxidextraktion verlängert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Die angegebenen Daten zeigen, daß insbesondere für Pepsin die Wirkung dieses Enzyms die Solubilisierung von Lignin bis zu nahezu dem Dreifachen erhöht. Diese Ergebnisse zeigen, daß Proteasen das Entfernen von Lignin aus Holz fördern können, möglicherweise durch Spalten der Zellwand-Proteinmatrix.

Beispiel 4

Der Zweck dieses Experiments ist es, die Wirkung der Vorbehandlung auf das Entfernen von Lignin zu demonstrieren. Eine Probe fein gemahlener (refined) mechanischer Pulpe wurde ohne Vorbehandlung hergestellt. Eine zweite Probe wurde hergestellt und in 2 M NaOH gewaschen. Eine dritte wurde mit Cellulase behandelt und mit 2 M NaOH gewaschen. Jede Probe wurde mit Papain (Phosphatpuffer, pH 6,2) in den in Tabelle 3 angegebenen Mengen behandelt und anschließend sequentiell mit Wasser gewaschen, um Protein zu entfernen, sind durch Borat bei pH 12 extrahiert, um Lignin zu entfernen, wodurch der Beitrag des Proteins bei 280 nm von dem des Lignins und jeglicher anderer Kohlenhydrate getrennt wird. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 als Kontrolle (d. h., kein Protease-Enzym) in Prozent angegeben.
Tabelle 4. Wirkung von Vorbehandlungen auf OD 280 (Lignin) Extrahierbare Stoffe aus mechanischer Refinerpulpe.
Prozent über Kontrolle (kein Enzym) - Boratextraktion OD 280

Beispiel 5

Die Wirkung der Inkubationszeit wurde bestimmt, indem eine mechanische Pulpe behandelt wurde, die mit 2 M NaOH vorbehandelt worden war und mit 1 g Papain inkubiert worden war, und zwar unter den in Tabelle 5 angegebenen Zeitbedingungen.
Tabelle 5. Wirkung der Inkubationszeit von Papain auf mit Basen extrahierbare Stoffe aus mechanischer Refinerpumpe.
Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen, daß das erhöhte Auftreten von extrahierbaren Stoffen kein Artefakt der Behandlung ist, sondern ein zeitabhängiges Ergebnis der Papainkatalyse.

Beispiel 6

Ein ungewaschener Kraft-Sulfatzellstoff wurde mit Papain oder Bromelain ohne Vorbehandlung unter den in Tabelle 6 angegebenen Bedingungen behandelt. Tabelle 6
Die Ergebnisse in Tabelle 6 zeigen eine erhöhte Wirkung der Proteasekonzentration auf die Freisetzung von Lignin aus ungewaschener Kraft-Sulfatzellstoff-Pulpe ohne weitere Vorbehandlung. Sowohl Bromelain (Protease aus Ananasstämmen) und Papain sind wirksam, jedoch wird hier die höhere Selektivität von Papain veranschaulicht.

Claims

1. Verfahren. das die Behandlunq einer Lignocellulosepulpe mit einer Lösung eines Protease-Enzyms umfaßt wobei die Pulpe unter alkalischen Bedingungen hergestellt worden ist oder mit einer alkalischen Lösung vorbehandelt worden ist, wobei diese Behandlung mit einer alkalischen Lösung die Infiltration der Pulpe durch das Protease-Enzym erhöht.

2. Verfahren nach Anspruch 4, wohei die Behandlung bei einer Temperdtur von etwa 20 bis 80 ºC durchgeführt wird

3. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 2, wobei die Vorbehandlung das Behandeln der Pulpe mit Natriumhydroxidlösung umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorbehandlung das Behandeln der Pulpe mit einer Cellulasenzymlösung umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt der Behandlung der Pulpe mit einem Xylananase-Enzym umfaßt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Protease in der Lage ist, Extensin Hydroxyprolin-reiches Protein oder Glyzin-reiche Proteine zu hydrolysieren

7. Verfahren nach Anspruch 6. wobei die Protease bei einem pH von größer als 4,0 aktiv ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Protease Papain ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Protease ausgewähl ist aus Subtililisinen, Thermolysinen, Esperase, Alpase, Collagenasen, Proteinen von Schaffuß-Fäulnisorganismen, Blaufäulepilze, Weißfäulepilze und Braunfäulepilzen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulpe eine mechanische Pulpe ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren darüber hinaus die Dilignifizierung und/oder Bleichung der Pulpe nach der Behandlung mit dem Proteasen-Enzym umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Delignifizierungs- oder Bleichungsverfahren ausgewählt ist aus Delignifizieren oder Bleichen mit Sauerstoff, Wasserstoffperoxid-Extraktion oder -Bleiche und Chlor- oder Chlordioxid-Bleiche.

13. Verfahren, umfassend die Behandlung von Holzschnitzeln mit einer Protease-Enzymlösung, bevor aus den Schnitzeln eine Pulpe gebildet wird, wobei die Schnitzel mit einer alkalischen Lösung vorbehandelt worden sind, und wobei die Vorbehandlung mit einer alkalischen Lösung die Infiltration der Scnitzel durch das Protease-Enzym erhöht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schnitzel destrukturiert werden bevor die Schnitzel mit dem Protease-Enzym in Kontakt gebracht werden.