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Verfahren zum kontinuierlichen Abbau von Cellulose und cellulosehaltigen
Rohstoffen Bekanntlich entsteht beim Abbau von Cellulose Glucose. Es ist schon vorgeschlagen
worden, diese ineinerersten Stufe erhaltene Glucose in einer zweiten Stufe zu vergären.
Außerdem ist es an anderer SteUe bekannt, den zu züchtenden Mikroorganismen die
Nährlösung mittels einer Membran, z. B. aus porösein Ton, zuzuführen.
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Man hat aber bisher einen kontinuierlichen Abbau der -Cellulose oder
cellulosehaltiger Rohstoffe nicht durchführen können. Die Ursache davon liegt darin,
daß man nicht in der Lage war, insbesondere bei mikrobiologischer Aufarbeitung,
die einzelnen Phasen der Umwandlung der Cellulose voneinander zu ;trennen und dennoch
eine ununterbrochene Verarbeitung der jeweils anfallenden Zwischenprodukte sicherzustellen.
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Der Säureabbau der Cellulose besitzt außerdem noch den Nachteil, daß
er zu energisch und daher viel zu weitgehend ist. Daher hat man schon frühzeitig
versucht, die Säure durch Schimmelpilze zu ersetzen. Wenn man aber mit Schimmelpilzen
den Abbau bewirkt, nehmen diese Pilze ihre Nahrung aus der gebildeten Glucost, was
zur Folge hat, daß die Glucoseausbeute bzw. die Ausbeute an Gärprodukten erheblich
verringert wird.
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Das neue Verfahren vermeidet diese Nachteile. Es verwendet zum Abbau
der Cellulose andere Mikroorganismen oder Enzyme, insbesondere das aus dem Schneckenmagen
geivonnene celluloseabhauende, Enzym CeUulase. Es gestattet hierdurch zumersterjmal
die kontinuierliche Durchführung dieses Abbaues und unmittelbar nebeneinanderlaufend
die Vergärung der gewonnenen Glucose. Nach dem neuen Verfahren wird der Abbau der
Cellulose bzw. celluloschaltigen Stoffe auf biologischem Wege in zwei nebeneinanderlaufenden
Phasen durchgeführt, wobei die ül der ersten Phase durch Mikroorganismen und/oder
Enzyme gebildete Glucose nach ihrer Entstehung durch ein-- Diaphragma diffundiert
und auf der
anderen Seite des Diaphragmas sofart mittels Mikroorganismen
und,oder Enzymen weiterverarbeitet. Die Weiten-erarbeitung besteht in erster Linie
in einer Vergärung mit Tortilahefen auf Futtereiweiß. Hierbei werden Ausbeuten von
über 6o0 !o erzielt.
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Offensichtlich stellt daher das neue Verfahren eine wertvolle Bereicherun-
der Technikdadurch dar, daß es zum erstenmal eine kontinuierliche Durchführung des
Celluloseabbaties unter Erzielung -,virtschaftlicher Ausbeuten erel mö-licht. Das
in der ersten Phase erhaltene Z-,vischenprodukt tritt durch das Diaphragma hindurch
und wird auf der anderen Seite desselben weiterverarbeitet ', während diejenigen
Stoffe, welche den Vorgang jenseits und diesseits des Diaphragmas regeln, durch
diese Wand nicht hindurch können. Es wird also mit Hilfe des Diaphra-inas eine Scheidung
zwischen den die Reaktion beeinflussenden Stoffen und den bei der Reaktion erzeugten
bzw. verbrauchten Pradukten geschaffen. Während die letzteren durch die Wand ungehindert
hindurchtreten können, bildet das Diaphra-Ina für die erstgenannten ein wirksames
Hindernis. Es ist dabei nicht erforderlich -, daß die Wand im strengen Sinne halbdurchlässig
sei. Für technische Zwecke genü-t es, wenn sie dcr einen Stoffgruppe ein größeres
Hindernis in den We« le-t als der anderen.
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Bei dem Verfahren kommt es also in scheinatischer Darstellung darauf
an, daß ein Raum durch eine halbdurchlässi j#e Wand in nvei Teile geteilt wird.
Zu beiden Seiten derWand befindet sich Wasser, das die erforderlichen anorganischen
Nährsalze enthält. In die eine der beiden auf diese Weise -ebildeten Kammern wird
Cellulose oder, wie weiter unt-cii noch erwähnt -, ein Celltiliseabbauprodtikt einge
, führt. Zu diesem Rohstoff fügt man den Pilz oder das Enzym hinzu. welche
den Abbau der Collulose bis zur Glucose durchführen sollen. Die Glucose vermag die
halbdurchlässige Wand ungehindert zu durchdringen z# und daher in die andere der
beiden Kammern einzutreten. Dage « -ert können weder die Collulose noch der
Pilz oder das Enzym die hall)-durchlässige Wand passieren. Dadiegebildete Glucose
dauernd ins der ersten Kammer in die zweite übertritt, wird ständig Glucose aus
dem Rohstoff nachgebildet.
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In der zweiten Kammer wird die durch die halbdurchlässige Wand hindurchtretende
Clucose weiterverwertet -, zweckmäßig durch #_inimpfen von Torttlaliefe. Die Hefe
verbraucht zu ihrem Wachstum die Glucose, so -daß dieser Stoff aus der zweiten Kammer
dauernd #erschwindet. Infolgedessen tritt beständig -tveitere Glucose durch die
halbdurchlässigge Wand ins dem ersten in den zweiten Raum über usw. Das neue Verfahren
bietet die Möglichkeit, in der ersten Phase an Stelle der Mikroorganismen Enzyme
anzuwenden. Man gewinnt -dabei, wenn man die Enzyme in der ersten Phase benutzt,
den Vorteil, daß die Cellulose die Enzyme absorptiv festhält und schon dadurch ihre
Wanderung durch das Diaphragma erschwert. Will man diese Adsorption noch verstärken,
so kann man den celltilosehaltigen Rohstoff durch geeignete Vorbehandlung in Hydrocellulose
überführen. Dieses Produkt besitzt eine außerordentlich starke Adsorptionskraft
für Enzyme, die infolgedessen in der ersten Phase dauernd festgehalten werden und
dort ihre Tätigkeit durch die Umwandlung des Rohstoffes in Glucose ausüben. Die
erzeugte Glucose wandert sofort durch das Diaphragma auf die andere Seite, entsprechend
dem Diffusionsgefälle, wo sie beispielsweise durch Torulahefen zu Eiweiß weiterverarbeitet
wird. Da die Torula die Glucase dauernd %-,-egschafft, entsteht in der zweiten Phase
ein Glucosemangel, der bewirkt, daß die in der ersten Phase erzeugte Glucose sofort
nach der zweiten Phase abwandert, ehe sie noch durch die in der ersten Phase tätigen
Mikroorganisinen angegriffen oder verbraucht werden kann.
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Wenn es sich uni einen Mikroorganismus und nicht um ein Enzym handelt,
wird noch der weitere Vorteil erreicht, daß die Abwanderung der Glucose den Mik-roorganismus
zwingt, seinen Kohlenstoffbedarf aus dem Rohstoff, der Cellulose, zu decken. Dadurch
werden zwangsläufig immer nette Mengen von Cellulose zugesetzt und eine sehr gute
Ausbeute erhalten.
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Die nachstehend ange.,ehenen Beisp:ele sollen die DurchführLing des
Verfahrens erläuterii.
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Beispiel i Spaltung von Hydrocellulose durch das Enzym Celltilase
(,ans Schneckenmagen) und Umwandlung der gebildeten Glucose unter Zwischenschaltun-
eines Diaphragmas in TorLilahefe.
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Dvlethodik-.-In eine Gaswaschflasche wurde Torulanährlösung ohne Glucose
gegeben. In die Nährlösung wurde ein Kollodiumschlauch gehängt, der im Innern mit
Hydrocellulose und dem Enzym Cellulase gefüllt war. Durch die Tätigkeit des Enzyms
bildete sich aus der Hydrocellulose Glucose, die durch den Kollodiumschlauch nach
außen in die Nährlösung dringt Lind hier von der eingeimpften Torula aufgenommen
und verarbeitet wird. DieNähr-ZD löSung wurde mit steriler Luft durchlüftet. Dauer
des Versuches. 2 Tage.
| Hydrocellulose Gebildete Glucose Gebildete Torula |
| in mg in mg in mg |
| vom 1 in 0/, der n Ge- aus ioo der |
| Vor- Rest 1 Enzym Ge- vorgelegte |
| I samt Hydro- vorgelegten |
| lage 1 1 samt Hydro- |
| gespalten |
| cellulose Cellulose |
| Hydrocellulose - Enzym Torula 566 0 0 |
| + - - 566 224 40,0 |
| + - + - 566 218 j48 - - 159 28,1 |
Beispiel 2 Umwandlung von Hydrocellulose zu Glucose mit Hilfe der Cellulase aus
dem Magen der Weinbergschnecke.
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ZD Methodik: 40 ccm Hydrocellulose
- Aufsch-,vemmung,
5 ccm
5,3 Pufferlösung
+ i,o ccm Toluol
+ 0,5
ccm Schneckenmagensaft. Versuchsdauer:
5 Tage.
| Vorgelegte Gebild.ete Glucose |
| Hydrocellulose |
| in mg in mg in % |
| der Hydrocellulose |
| 756 81o 107 |
Beispiel
3
Spaltung von Hydrocell-ulose durch das Enzym Cellulase (aus Schneckenmagen
und Umwandlung der gebildeten Glucose unter Zwischenschaltung eines Diaphragmas
in Torulahefe.
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Methodik: s. Beispiel i.
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Dieser Versucherstreckte sich über 17 Tage und ist als kontinuierlicher
Versuch durchgeführt. jeweils im Abstand von mehreren Tagen wurde neue Hydrocellulose
in den Diaphragmaschlauch gegeben -und die Torula aus der außen befindlichen Lösung
durch Erneuern derselben entfernt und gewogen.
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Dauer des Versuches:
17 Tage.
| Gesamte Gesamte Gebildete |
| vorgelegte gebildete Torulahefe |
| Hydrocellulose |
| in g Torulahefe in % der |
| o'getrockne in g Hydrocellulose |
| ,7 t) |
| 1,814 IJ27 62,1 |