EP3673074A2 - Lignocellulose-biomasse-presslinge zur herstellung von organischen molekülen durch enzymatische hydrolyse - Google Patents

Lignocellulose-biomasse-presslinge zur herstellung von organischen molekülen durch enzymatische hydrolyse

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EP3673074A2
EP3673074A2 EP18772734.2A EP18772734A EP3673074A2 EP 3673074 A2 EP3673074 A2 EP 3673074A2 EP 18772734 A EP18772734 A EP 18772734A EP 3673074 A2 EP3673074 A2 EP 3673074A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lignocellulosic biomass
pellets
compacts
enzymatic hydrolysis
steam explosion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18772734.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joop GROEN
Diana Lorena PAZ SAAVEDRA
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Viride Holding Bv
Original Assignee
Viride Holding Bv
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Filing date
Publication date
Application filed by Viride Holding Bv filed Critical Viride Holding Bv
Publication of EP3673074A2 publication Critical patent/EP3673074A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
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    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y02T50/678—Aviation using fuels of non-fossil origin

Definitions

  • Lignocellulosic biomass pellets for the production of organic molecules by enzymatic hydrolysis Lignocellulosic biomass pellets for the production of organic molecules by enzymatic hydrolysis
  • the present invention relates to the use of pellets as starting material for the production of organic molecules having a maximum molar mass of 1000 g / mol by enzymatic hydrolysis, wherein the pellets of lignocellulosic biomass are produced, which subjected to a substantially ammonia-free steam explosion water treatment is. Furthermore, the present invention also relates to compacts which can be produced from lignocellulosic biomass, which is subjected to a substantially ammonia-free steam explosion treatment at a pressure in the range of 5 bar (g) to 20 bar (g). ,
  • Lignocellulosic biomass is one of the most interesting materials today, as it is abundant in the world in addition to renewable energy.
  • the lignocellulosic biomass is usually only far from further processing plants, e.g. for enzymatic hydrolysis.
  • lignocellulosic biomass usually has the disadvantages of low density, instability, moisture sensitivity, dusting, and an irregular shape and inferior quality, all of which limit the possibilities of transportation. These disadvantages lead to high transport costs and make the use of lignocellulosic biomass in biorefineries economically difficult.
  • lignocellulosic biomass pellets are one way of reducing transport costs.
  • the focus here is primarily on increasing the bulk density in order to reduce the volume needed for transport while reducing transport costs.
  • small organic molecules such as monomeric sugars, ethanol, isobutanol, itaconic acid, etc.
  • the present invention provides the use of compacts as starting material for the production of organic molecules by enzymatic hydrolysis, wherein the organic molecules, a molar mass of at most 1000 g / mol, more preferably with a molar mass of at most 750 g / mol, even more - preferably of not more than 500 g / mol, the organic molecules preferably being obtained from cellulose or hemicellulose, ready, the pellets being producible from lignocellulosic biomass subjected to a substantially ammonia-free steam explosion treatment.
  • the present invention also relates to a method for producing organic molecules by enzymatic hydrolysis, wherein the organic molecules have a maximum molar mass of 1000 g / mol, stronger preferably having a molar mass of at most 750 g / mol, even more preferably of not more than 500 g / mol, wherein the organic molecules are obtained from cellulose or hemicellulose, wherein compacts are used as starting material, which can be produced from lignocellulosic biomass, the is subjected to a substantially ammonia-free steam explosion treatment. All embodiments and preferred features related to the use according to the invention herein are to apply equally to the method according to the invention.
  • the molar mass is determined according to the invention by mass spectrometry.
  • cellulose is according to the invention not only cellulose in the classical sense, namely linked cellobiose units include, but also other polysaccharides that occur in lignocellulosic biomass, such as glucan or xylan.
  • the lignocellulosic biomass is subjected to a substantially lye-free steam explosion treatment.
  • substantially free of ammonia or lye-free is understood according to the invention that in the steam explosion treatment of lignocellulosic biomass no ammonia or no lye is added, the lignocellulosic biomass but even ammonia or lyes.
  • any plant or plant material may be used, such as straw, com stover, wood, sugar cane bagasse, energy crops such as miscanthus, and empty fruit bunches, etc., wheat straw, miscanthus, and empty fruit bunches are particularly preferred. This can be the entire plant or crop waste products, such as the plant residues in the corn crop.
  • lignocellulosic biomass combinations of two or more different plants or plant materials may also be used.
  • the lignocellulosic biomass is subjected to a substantially additive-free steam explosion treatment, but optionally organic acid or mineral acid may be present in the steam explosion treatment. That is, it is preferable to use only the lignocellulosic biomass for the steam explosion treatment, optionally adding an organic acid or mineral acid.
  • substantially additive-free is meant ultimately that no additives (except organic acid or mineral acid) are added actively in the steam explosion treatment, but organic acid or mineral acid can be added.
  • the lignocellulosic biomass used for the steam explosion treatment can be used untreated, ie without sources in a liquid.
  • the lignocellulosic biomass may also be allowed to swell in water or dilute acid prior to steam explosion treatment.
  • the dilute acid is preferably 0.1% to 2% acid.
  • organic acids or mineral acids can be used, such as acetic acid, H 2 S0 4 , H 3 P0 4 , HCl or HN0 3 .
  • the lignocellulosic biomass is used either untreated or swollen in water. For reasons of water saving, it is preferred that the lignocellulosic biomass is used untreated.
  • the source leaching is preferably carried out at a temperature in the range of 15 to 30 ° C over a period of 1 sec to 15 h.
  • the lignocellulosic biomass is preferably pressed until the water content is less than 60 wt .-%.
  • the lignocellulosic biomass used for the steam explosion treatment has a water content of less than 60 wt.%, Preferably less than 50 wt.%, Even more preferably less than 30 wt.%, And most preferably less than 20 wt .-%, based on the total lignocellulosic biomass including water.
  • lignocellulosic biomass which, when suspended in water in untreated form or in the form swollen and subsequently pressed in water or dilute acid (see above), has a pH Value of the water in the range of 2 to 8.5, more preferably in the range of 5 to 8 results.
  • 0.035 g of the untreated lignocellulosic biomass or lignocellulosic biomass swollen in water or dilute acid and then pressed (see above) are suspended in 1 g of deionized water, and then the pH of the solution is measured.
  • steam explosion treatment herein is meant a process whereby the lignocellulosic biomass is exposed to an elevated temperature elevated pressure in the presence of water vapor for a given time and then subjected to a sudden pressure drop
  • the water vapor required for this purpose can be derived from the water content of the lignocellulosic biomass
  • the water added for the steam explosion treatment preferably has a pH in the range of 1 to 8, more preferably in the range of 3 to 8, and most preferably in Range from 5 to 8.
  • the terms "essentially ammonia-free” or “substantially free of lye” can thus mean according to the invention that when additionally used water is added in the steam explosion treatment, this has the previously stated pH, or if the water vapor required for the steam explosion treatment depends on the water content derived from the lignocellulosic biomass, the lignocellulosic biomass has an alkali content in the range specified above. Alternatively to the latter, a pH of a solution in which the lignocellulosic biomass is suspended may be in the above-mentioned range.
  • the steam explosion treatment is preferably conducted at a temperature in the range of 160 ° C to 210 ° C, more preferably in the range of 165 ° C to 195 ° C, and most preferably in the range of 170 ° C to 190 ° C.
  • the steam explosion blast treatment is preferably carried out over a period of from 0.5 minutes to 30 minutes, and more preferably over a period of from 1 minute to 15 minutes, the duration relating to the treatment time under elevated pressure and elevated temperature.
  • a pressure in the range of 5 bar (g) to 20 bar (g), more preferably 7 bar (g) to 12 bar (g) is preferably applied.
  • the pressures stated herein are always relative pressure, i. in relation to the ambient pressure, preferably in relation to the atmospheric pressure of 1 atm.
  • saturated or superheated steam may be used, with saturated steam being preferred in the present invention.
  • saturated steam At the end of the steam explosion treatment, the increased pressure is suddenly lowered to ambient pressure. In this way, the plant fibers can be broken.
  • the steam explosion treatment is thus a combination of water / water vapor induced hydrolysis reaction and mechanical breakage of the fibers.
  • any pressure reactors can be used which allow a sudden pressure drop, ie the pressure reactor has a pressure relief valve.
  • a batch reactor made of steel or a continuous reactor can be used.
  • the steam explosion treatment can also be carried out in a continuous process.
  • horizontal screw reactors, vertical tubular reactors or a screw conveyor reactor may be used. It is particularly preferred that the steam explosion treatment be carried out in a continuous process, in particular using a Schnecken ownedreak- gate.
  • the use of a screw conveyor thus enables continuous operation.
  • a plug screw feeder is preferably used which squeezes the air out of the lignocellulose.
  • the lignocellulosic biomass is not exposed to vacuum or pressure reduced from ambient pressure prior to or during the steam explosion treatment.
  • the lignocellulosic biomass is taken out of the reactor. Or, using a continuous process, the pressure drop occurs by discharging the biomass from the pressurized reactor to the environment. Then, the lignocellulosic biomass is preferably dried to a water content of 5 wt .-% to 15% by weight, based on the total lignocellulosic biomass including water. For this purpose, temperatures in the range of 40 ° C to 80 ° C, more preferably 55 ° C to 65 ° C, are preferably used. For this example, a ventilation dryer can be used. Pressings with a water content of more than 15% by weight have too much water for economic transport.
  • a certain amount of at least 5% by weight of water content is required in order to be able to press the biomass into pressings.
  • no binder is added to the lignocellulosic biomass prior to pressing into the compacts.
  • the lignocellulosic biomass may be further biomass added before pressing into pellets.
  • the further biomass is preferably a biomass which, without being subjected to a steam explosion treatment, is purified by enzymatic hydrolysis. see molecules with a maximum molar mass of 1000 g / mol, more preferably with a molar mass of not more than 750 g / mol, even more preferably of not more than 500 g / mol can be cleaved.
  • pellets essentially consist of the steam explosion-treated lignocellulosic biomass and water. In general, it is preferred that no additives are added to the lignocellulosic biomass before being pressed into the compacts.
  • the monomeric sugars formed in the steam explosion treatment are separated before pressing the lignocellulosic biomass to the compacts.
  • the monomeric sugars from the steam-blast-treated lignocellulosic biomass are preferably washed out with deionized water, e.g. by rinsing the biomass with water or stirring the biomass in water and subsequent filtration.
  • the compacts provided for the use according to the invention have the advantage that they can be produced in a simple manner, inexpensively and in an environmentally friendly manner without the use of additives. Ultimately, essentially only water is needed, which, however, can also be used repeatedly or reused.
  • the compacts intended for the use according to the invention are preferably produced by compression molding.
  • specially provided pressing tools such as a Holzpelletierstrom can be used.
  • the shape of the compacts is not limited in this case, for example, may have the form of any briquettes.
  • the compacts are in the form of pellets. Pellets are known to be made by pellet pressing.
  • the compacts preferably have a bulk density in the range of 600 kg / m 3 to 1 .200 kg / m 3 , preferably 800 kg / m 3 to 1000 kg / m 3 . Bulk density is determined according to DIN ISO 697. Due to the high bulk density of the compacts they are ideal as a transport form. By saving on volume transport costs can be saved.
  • pellets have the form of pellets, they preferably have a diameter of 4 mm to 8 mm and a length of 1 cm to 3 cm.
  • the high pressures during the production of the compacts can lead to a strong warming. Therefore, it is preferable to cool after preparation of the pellets.
  • the pellets are produced at a first location and for the organic molecules to be produced at a second location, the pellets being transported from the first location to the second location by a transport medium.
  • the first location is preferably a location near the cultivation of the lignocellulosic biomass.
  • the compacts intended for use according to the invention are preferably made from lignocellulosic biomass containing cellulose, hemicellulose and lignin, it being preferred that from 20% to 95% by weight of the hemicellulose (preferably 40% to 90% by weight) to monomeric sugars and at least 2% by weight of the cellulose, preferably 2% by weight to 10% by weight, of hydrolyzed to monomeric sugars. This is preferably the case when the pellets are made from lignocellulosic biomass from which the monomeric sugars are not removed.
  • the cellulose content and hemicellulose content can be determined by a so-called TAPPI analysis.
  • the proportion of monomeric sugars can be determined as follows: The monomeric sugars are washed with water from the lignocellulosic biomass and their content is determined. For this, a YSI 2900 Biochemistry Analyzer from Xylem Inc. (e.g., glucose determination) or a D-xylose assay kit (available from Megazyme) (xylose determination) may be used.
  • a YSI 2900 Biochemistry Analyzer from Xylem Inc.
  • D-xylose assay kit available from Megazyme
  • the compacts for use in accordance with the invention may preferably be made from lignocellulosic biomass containing cellulose, hemicellulose and lignin, from 20% to 95% by weight of the hemicellulosic material. (Preferably 40 wt .-% to 90 wt .-%) to monomeric sugars and 2 wt .-% to 10 wt .-% of the cellulose are hydrolyzed to monomeric sugars, wherein the monomeric sugars from the lignocellulosic biomass prior to manufacture the compacts are separated.
  • the compacts intended for the use according to the invention are preferably substantially free of ammonia, preferably substantially free of alkali and most preferably substantially free of additives.
  • the alkali content can be determined by acid titration with hydrochloric acid.
  • the preparation of the organic monomers takes place by enzymatic hydrolysis, in particular the preparation comprises the step of the enzymatic hydrolysis of cellulose or hemicellulose to monomeric sugars.
  • cellulose or hemicellulose For example, cellulases, hemicellulases and / or xylanases are used which are known to the person skilled in the art in the field of enzymatic cellulose degradation. Examples of such enzymes are: CTec2 and HTec2 of the company Novozymes.
  • the cellulose and hemicellulose are thereby degraded to glucose and xylose.
  • the pellets are added either in their full form or in ground form, preferably in their full form in deionized water, whereby a suspension is obtained.
  • the enzymes and additives necessary for the enzymatic hydrolysis are added and then the suspension is stirred or shaken.
  • the enzymatic hydrolysis is preferably carried out at a pH in the range of 4 to 6.
  • the temperature in the hydrolysis is preferably 40 ° C to 60 ° C, more preferably 45 ° C to 55 ° C.
  • the enzymatic hydrolysis is preferably carried out for a period of 3 hours to 100 hours, more preferably 20 hours to 90 hours, and most preferably 50 hours to 80 hours.
  • any conceivable stirrer or shaker such as, for example, an incubation shaker can be used.
  • stirring devices which are used for thorough mixing of suspensions with a high solids content, such as, for example, propeller stirrers.
  • the weight fraction of solid of lignocellulosic biomass is in the range of 2% to 35% by weight, more preferably in the range of 10% to 35% by weight, based on the Total weight of the suspension required for the enzymatic hydrolysis.
  • the use of compacts in enzymatic hydrolysis allows them to have a high weight solids content of lignocellulosic biomass in the range of 15% to 35%, more preferably in the range of 18% to 32% Wt .-%, even more preferably in the range of 20 wt .-% to 30 wt .-%, and most preferably in the range of 22 wt .-% to 28 wt .-% can be performed.
  • a propeller stirrer is preferably used as stirrer.
  • the use of compacts in enzymatic hydrolysis has shown that much more solid can be used per liquid volume than when using lignocellulosic biomass that has not been made into compacts. Nevertheless, equally good, sometimes even better overall sugar yields are achieved.
  • This has the advantage that with substantially less space required, the same amount of sugar can be obtained, ie the sugar-containing solutions have a much higher concentration of sugar. If solutions with higher sugar concentrations are used in the following steps, ie the sugar fermentation, this also leads to a higher concentration of the fermentation products, such as, for example, ethanol or itaconic acid.
  • the preparation of the organic monomers may comprise the step of catalytically or biocatalytically reacting the monomeric sugars downstream of or subsequent to the step of enzymatic hydrolysis.
  • the monomeric sugars can be subjected to any chemical catalysis to organic monomers.
  • the monomeric sugars are preferably converted by fermentation to organic monomers.
  • organic monomers such as succinic acid, fumaric acid and maleic acid, 5-furandicarboxylic acid (FDCA), 3-hydroxypropionic acid (3-HPA), aspartic acid, glutaric acid, glutamic acid , Itaconic acid, levulinic acid, 3-hydroxybutyrolactone, glycerol, sorbitol (sugar alcohol of glucose), xylitol / arabinitol (sugar alcohols of xylose and arabinose), ethanol and isobutanol.
  • various fungi such as yeast or A. niger can be used.
  • the enzymatic hydrolysis to monomeric sugars and the fermentation of the monomeric sugars to the organic monomers can be carried out in a one-pot reaction, i. preferably simultaneously in a single reaction vessel.
  • the present invention also relates to compacts which can be produced from lignocellulosic biomass which is a substantially ammonia-free steam explosion treatment at a pressure in the range of 5 bar (g) to 20 bar (g).
  • the compacts according to the invention may also be prepared from a lignocellulosic biomass containing cellulose, hemicellulose and lignin, wherein 20 wt .-% to 95 wt .-% of hemicellulose (preferably 40 wt .-% to 90 wt .-%) to monomeric sugars and at least 2 wt .-%, preferably 2 wt.% To 10 wt .-%, of the cellulose are hydrolyzed to monomeric sugars.
  • the present invention preferably also relates to compacts according to the invention which can be prepared from a lignocellulosic biomass containing cellulose, hemicellulose and lignin, wherein 20 wt .-% to 95 wt .-% of hemicellulose (preferably 40 wt .-% to 90 wt %) to monomeric sugars and from 2% to 10% by weight of the cellulose are hydrolyzed to monomeric sugars, the monomeric sugars being separated from the lignocellulosic biomass prior to preparation of the pellets.
  • the compacts according to the invention are preferably substantially free of ammonia, preferably substantially free of alkali, preferably substantially free of additives, it being possible for the additives to exclude organic acids, mineral acids and further biomass, as defined above.
  • the compacts of the invention preferably have a bulk density in the range of 600 kg / m 3 to 1 .200 kg / m 3 , preferably 800 kg / m 3 to 1000 kg / m 3 , on.
  • the lignocellulosic biomass used for the production of the pellets is not subjected to a detoxification process.
  • de-toxification the use of biomass for enzymatic hydrolysis means any treatment of the biomass which lowers the amount of toxic substances for the enzymes and, surprisingly, it has been found that even without such treatment of the biomass, good yields are obtained enzymatic hydrolysis can be achieved.
  • the compacts according to the invention have an average lignin content of less than 50% by weight, more preferably less than 40% Wt .-%, and most preferably in the range of 20 wt .-% to 40 wt .-%, based on the total weight of the compacts.
  • the compacts of the present invention are designed to increase in weight by less than 10% by weight, more preferably by less than 5% by weight and even more, by 2 hours after completely immersing in water at a temperature of 25 ° C for 2 hours preferably less than 3% by weight, based on the total weight of the compacts prior to immersion. Furthermore, during this dipping process, the compacts do not change their shape almost completely, i. they are dimensionally stable. The compacts thus absorb little moisture, i. are not hygroscopic. It has also been found that the pellets do not increase in weight even when stored over a period of several weeks, i. do not absorb moisture from the environment. In warm conditions or under the influence of sunlight, they even lose weight as they release moisture and dry. For this reason, the compacts according to the invention are not susceptible to rot by fungi or bacteria and to mechanical decay. Due to this moisture resistance of the compacts, care must be taken during their transport from the place of manufacture to the place of use on any special storage conditions.
  • the present invention also relates to a process for producing organic molecules having a maximum molar mass of 1000 g / mol, more preferably having a molar mass of at most 750 g / mol, even more preferably of at most 500 g / mol, wherein lignocellulosic biomass subjected to a substantially ammonia-free steam explosion treatment and then pressed into compacts, the pellets being used as starting material for the recovery of the organic molecules by enzymatic hydrolysis of the cellulose or hemicellulose. All embodiments and preferred features relating to the use according to the invention are to apply to the same extent to the last-mentioned inventive method.
  • the present invention will now be described with reference to the following figures and experimental examples, which, however, should not be construed as limiting the scope of protection:
  • Figure 1 shows three different pellets in Erlenmeyer glasses, all pellets were prepared according to Example 3. The pellets shown on the left are of untreated wheat straw of sample a), the pellets of water-swollen wheat straw of sample b) imaged in the middle and the pellets swelled on the right in 1% H 2 S0 4 according to sample c).
  • FIG. 2 shows the pellets according to FIG. 1, which were subjected to a shaking treatment at 50 ° C. for 30 minutes.
  • Figure 3 shows the pellets according to Figure 1, which another manual
  • Figure 4 shows crushed pellets with a size of ⁇ 0.5 mm
  • FIG. 5 shows the samples according to FIG. 4, which were subjected to a manual shaking treatment at 50 ° C. for 10 minutes.
  • FIG. 6 shows the glucose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis according to Example 5.
  • Figure 7 shows the glucose yield (%) after the enzymatic
  • FIG. 8 shows the xylose concentration (g / l) as a function of
  • FIG. 9 shows the xylose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 10 shows the pH values of the samples a1 to a3, b1 to b3 and c1 to c3 of the solution after the enzymatic hydrolysis.
  • Figure 1 1 shows the consumption of glucose, xylose and arabinose after 96 h in the itaconic acid fermentation according to Example 7.
  • FIG. 12 shows the glucose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis according to Example 8 and according to Comparative Example 1.
  • FIG. 13 shows the xylose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis according to Example 8 and according to Comparative Example 1.
  • FIG. 14 shows the total sugar yield (%) in the enzymatic hydrolysis according to Example 8 and according to Comparative Example 1 after 75 h.
  • FIG. 15 a shows the glucose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 91 a and 91 b according to Example 9.
  • FIG. 15b shows the xylose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 91a and 91b according to Example 9.
  • FIG. 15 c shows the total sugar concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 91 a and 91 b according to Example 9.
  • Figure 15d shows the glucose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 15e shows the xylose yield (%) in the enzymatic
  • Figure 15f shows the total sugar yield (%) in the enzymatic hydrolysis of the samples 91 a and 91 b according to Example 9 after 72 h.
  • FIG. 16a shows the glucose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 92a and 92b according to Example 9.
  • FIG. 16b shows the xylose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 92a and 92b according to Example 9.
  • FIG. 16 c shows the total sugar concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 92 a and 92 b according to Example 9.
  • Figure 16d shows the glucose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 16e shows the xylose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 16f shows the total sugar yield (%) in the enzymatic hydrolysis of the samples 92a and 92b according to Example 9 after 72 h.
  • FIG. 17a shows the glucose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 93a and 93b according to Example 9.
  • FIG. 17b shows the xylose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 93a and 93b according to Example 9.
  • FIG. 17c shows the total sugar concentration (g / l) as a function of the time of enzymatic hydrolysis of the samples 93a and 93b according to Example 9.
  • Figure 17d shows the glucose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 17e shows the xylose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 17f shows the total sugar yield (%) in the enzymatic hydrolysis of the samples 93a and 93b according to Example 9 after 72 h.
  • FIG. 18 a shows the glucose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 94 a and 94 b according to Example 9.
  • FIG. 18b shows the xylose concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 94a and 94b according to Example 9.
  • FIG. 18c shows the total sugar concentration (g / l) as a function of the time of the enzymatic hydrolysis of the samples 94a and 94b according to Example 9.
  • Figure 18d shows the glucose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 18e shows the xylose yield (%) in the enzymatic
  • FIG. 18f shows the total sugar yield (%) in the enzymatic hydrolysis of the samples 94a and 94b according to Example 9 after 72 h.
  • Wheat straw with a water content of 12% by weight is comminuted with a cutter to the extent that the longest wheat straw fibers are at most 4 cm long.
  • three different samples of this crushed wheat straw are used: a) Wheat straw untreated
  • sample a) is the crushed wheat straw, which was not further treated.
  • Samples b) and c) are each wheat straw, which was allowed to swell for 14 hours in water (sample b)) and in 1% H 2 S0 4 (sample c)). In the swelling treatments, an amount of 3% by weight of wheat straw is used, relative to the total amount of swelling medium (water or 1% H 2 S0 4 ) and wheat straw. None of the samples a) to c) is added before the steam explosion treatment another substance, neither the wheat straw nor the source medium. After the source treatments will the wheat straw samples b) and c) each filtered and pressed until the water content of the wheat straw is less than 50 wt .-%.
  • the samples a) to c) are each subjected to a steam explosion treatment. 2.5 kg each are added to a specially developed batch reactor manufactured by Process & Industriteknik from Sweden. This is a vapor pressure reactor with a quick exhaust valve. Samples a) and b) are exposed to a saturated vapor pressure at 11.5 bar (g) at 190 ° C. for 10 minutes and the sample c) to a saturated vapor pressure at 7 bar (g) at 170 ° C. for 10 minutes. At the end of this time, the pressure is suddenly reduced to room pressure.
  • the water content of the samples thus obtained varied between 40% by weight and 60% by weight. The water content can be measured with a moisture analyzer at a temperature of 105 ° C. The measurement stops automatically when the weight stops changing.
  • the samples obtained from Example 2 are dried for 4 hours in a ventilation dryer at 60 ° C. After drying, the water content is in the range of 10% by weight to 15% by weight. The water content can be measured with a moisture analyzer at a temperature of 105 ° C. The measurement stops automatically when the weight stops changing. Subsequently, pellets are pressed with a length of about 1, 5 cm and a diameter of 6 mm. For this the following device is used: Device: Kahl 14-175 (diameter of the pressing plate: 175 mm), press plate type: AKN13 chrome steel, 30 mm hole length, 60 holes, 6 mm hole width. The temperature of the pellets immediately after pressing is 40 ° C to 70 ° C.
  • All of the pellets thus prepared show, after complete immersion in water at a temperature of 25 ° C for 2 hours, a weight gain of less than 5% by weight, based on the total weight of the compacts before immersion. To The compacts are weighed before immersion and after immersion (in the dried state).
  • Example 4 Preliminary experiments on the decomposability / solubility of the pellets in water and determination of the ideal particle size in the case of pellet crushing prior to enzymatic hydrolysis.
  • pellets according to Ex. 3 of the samples a) to c) are presented in Erlenmeyer glasses.
  • the appearance of the pellets can be seen from FIG. 1, in which pellets from sample a) on the left, pellets from sample b) in the middle and pellets from sample c) on the right are depicted.
  • 5 g of the pellets are used and water is added until a total weight of 30 g is reached.
  • the samples are shaken for 30 min at 50 ° C.
  • FIG. 2 shows the samples thus treated according to FIG. 1. It can be observed that pellets prepared from sample a) have the best decomposability.
  • the samples are shaken manually at a temperature of 100 ° C for 10 minutes.
  • the pellets obtained from sample a) are the most easily decomposed, followed by the pellets of sample b).
  • the pellets made from the acid-treated biomass are the worst degradable.
  • pellets which are produced from untreated biomass or only biomass swollen in water, ensure a better accessibility of the biomass for the enzymatic hydrolysis.
  • the samples are ground in a mixer (Philips HR2104) for 5 min. Samples are screened manually using Häver & Boecker Sieves (0.5mm to 0.71mm). Since, in particular, the pellets from samples b) and c) do not show a very good decomposability or solubility in water, they become subjected to the grinding process.
  • the sample in which the pellets are prepared according to the sample c) (swollen in acid) shows the greatest resistance to the grinding process. Most of the particles thus obtained are big and hard, reminiscent of stones. The thus obtained crushed pellets recovered from the sample c) are then subjected to a solubility test.
  • Figures 4 and 5 show milled pellets of different size recovered from sample c) before and after heating to 50 ° C with manual shaking for 10 minutes.
  • Particle sizes of the crushed pellets of ⁇ 0.5 mm were used in the left Erlenmeyer glass, particles of 0.5-0.71 mm in the middle glass and particles> 0.71 mm in the right Erlenmeyer glass.
  • the particles which are> 0.71 mm do not dissolve sufficiently.
  • touching these particles and pressing between the fingers one realizes that they are as hard as stones. Particles ⁇ 0.5 mm tend to stick to the walls of the Erlenmeyer glass.
  • the enzymatic hydrolysis is carried out as follows: 1, 5 g of the respective sample are placed in a 500 ml Erlenmeyer flask. For this purpose, 40 g of deionized water are added. Then 2 ml of a so-called pen-strep mixture (1, 8 mg penicillin and 3 mg streptomycin per ml) are added. The mixture is brought to pH 5 with 1 MH 2 S0 4 and 1 M NaOH. Then, 108 ⁇ CTec2 and 12 ⁇ HTec2 from Novozymes are added and a total weight of 60 g is adjusted (addition of deionized water) so that the solids content is 2.5% by weight.
  • the mixture is shaken at 150 rpm, 50 ° C for 72 hours in an incubation shaker.
  • Each enzymatic hydrolysis is carried out in triplicate and used for the evaluation of the mean value of the bushings. Samples are taken after 0, 24, 48 and 72 hours.
  • the glucose, fructose and total sugars are each measured using a Thermo scienctific, Ultimate 3000 UHPLC + (equipped with a Bio-Rad Aminex HPX-87H column (7.8 x 300 mm), a refractive index detector and a UV detector at 210 nm mobile phase: 5 mmol / L sulfuric acid at 0.6 ml column temperature: 60 ° C, detectors operating at 55 ° C, calibrated for glucose, xylose, mannose, arabinose, cellobiose, lactose, acetoacetic acid and ethanol).
  • a 1 ml sample is taken, centrifuged for 10 min at 1300 U / min, and 500 ⁇ of the supernatant are diluted by a factor of 2 and the solution filtered through a 0.2 ⁇ PTFE syringe filter. Subsequently, 25 ⁇ l injection volume is added to the device. The yield is calculated from these results.
  • Sample a1 Sample material obtained according to Example 2 a) (untreated - not pelleted)
  • Sample a2 pellets from sample a) obtained according to example 3 (untreated - pelletized)
  • Sample a3 pellets from sample a) obtained according to example 3, which are subjected to a grinding treatment according to example 4 (untreated - pelletized - ground)
  • Sample b1 material of sample b) obtained according to Example 2 (swollen in water - not pelleted)
  • Sample b2 pellets from sample b) obtained according to example 3 (swollen in water - pelleted)
  • Sample b3 pellets of sample b) obtained according to example 3, which have undergone a grinding treatment according to example 4 (swollen in water - pelletized - ground)
  • Sample c1 material of sample c) obtained according to Example 2 (swollen in acid - not pelleted)
  • Sample c2 Pellets from Sample c) obtained according to Example 3 (swollen in acid - pelleted)
  • Sample c3 pellets of sample c) obtained according to Example 3, which have undergone a grinding treatment according to Example 4 (acid-swollen - pelletized - ground)
  • the materials of the samples a1, b1 and c1 are dried after the steam explosion treatment for 4 h in a ventilation dryer at 60 ° C. After drying, the water content is in the range of 10 wt .-% to 15 wt .-%.
  • sample a2 untreated - pelleted - not ground
  • the glucose content is above 6 g / l, which is only marginally below the glucose content of sample b2 (swollen in water - pelleted - not ground).
  • the glucose content is slightly inferior when using a sample c2 pellet (acid swollen - pelleted - not ground).
  • the glucose yield from FIG. 7 can be seen for all samples. It is astonishing that the glucose yield in samples a3 and a2 is higher than in sample a1, in which the biomass was not pelleted. Although the glucose yield in the Samples b2 and b3 or c2 and c3 is lower than in the samples b1 and c1, so in the cases of samples b2 and b3, in which the biomass was swollen in water, the yield is still within an acceptable range.
  • the xylose content can be seen over the course of enzymatic hydrolysis with all samples. It is interesting to note that the xylose content of samples c1 - c3 is already relatively high even before the start of enzymatic hydrolysis. In contrast, the initial levels of xylose in the pellets whose biomass was not swelled in acid are much lower, i. the overall increase in xylose content is therefore much greater for non-acid swollen biomass. Also, the glucose levels of the non-acid swollen biomass pellets after 72 hours of enzymatic hydrolysis are in a similar range as for the acid swollen biomass pellets. It is interesting that pellets that were not ground and whose biomass was swollen in water after 72 hours of enzymatic hydrolysis have a very high xylose content.
  • pelletizing is advantageous overall in the case of non-swollen biomass. But even with water-swollen, pellet-processed biomass, a high yield can be achieved.
  • FIG. 10 shows the pH values of the solutions after the enzymatic hydrolysis, which show relatively high values for the biomass that has not been swollen and pelleted in water.
  • the ideal pH value for enzymatic hydrolysis is pH 5, so that the relatively high pH of the non-water-swollen pelleted biomass is probably the decisive factor for the unexpectedly high yields obtained here.
  • Broths according to Example 5 are prepared from the samples b1 (unpelleted) and b2 (pelletized), with the only difference to the instructions from Example 5, that the pellets of the sample b2 before enzymatic hydrolysis in a rotary shaker for 2 h at 50 ° C and 250 rpm.
  • the broths obtained after 72 hours are each centrifuged in an Eppendorf 5010 centrifuge at 3000 rpm for 20 minutes, the liquid phase being separated from the solid biomass.
  • the glucose content and the xylose content are determined as described in Example 5.
  • Konidiospores (A. niger) are applied to agar plates having the following composition: 16 g / l agar, 6 g / l NaN0 3 , 0.52 g / l KCl, 1, 52 g / l KH 2 P0 4 , 10 g / l glucose, 0.0022 g / l ZnSO 4 .7H 2 O, 0.001 1 g / l H 3 B0 3 , 0.0005 g / l MnCl 2 .4H 2 0, 0.0005 g / l FeSO 4 .7H 2 0, 0.00017 g / l CoCI 2 .6H 2 0, 0.00016 g / l CuS0 4 .5H 2 0, 0.00015 g / l NaMo0 4 .2H20, 0.005 g / l Na 2 EDTA and 0.5 g / l Mg 2 S0 4 .
  • a suspension of conidiospores is prepared using a physiological saline solution.
  • a sterile so-called "deepwell" microtiter plate (2.0 mL, Axygen) is filled with 1 ml of the broth obtained from Example 5 (Sample b2). To this is added NH 4 N0 3 until the total concentration is 1.43 g / l. Similarly, KH 2 P0 4 is added in an amount such that the total concentration is 0.1 1 g / L.
  • the conidiospores suspension is used to inoculate the plates using sterilized toothpicks.
  • the microtiter plate is sealed with a breathable film and incubated in a microtiter plate shaker incubator at 35 ° C / 850 rpm for up to 96 hours.
  • FIG. 11 shows the starting concentrations of the sugars glucose, xylose and arabinose (0 h) and the consumption of these sugars after 24 h and 96 h. After 96 h, none of the sugar can be detected. This suggests that all sugars are fully fermented.
  • the enzymatic hydrolysis is carried out as follows: 100 g of sample a2 are placed in a 1000 ml Erlenmeyer flask. For this purpose, 400 g of the enzymatic hydrolysis medium are added. The resulting mixture occupies a volume of about 500 ml.
  • the hydrolysis medium used is prepared as follows: To 281 ml of deionized water are added 16.5 ml of pen-strep mixture (1.8 mg penicillin and 3 mg streptomycin per ml deionized water). The mixture is treated with 0.5 M citrate buffer and has a pH of 5. Then 8 ml CTec2 from Novozymes are added.
  • the mixture is shaken at 150 rpm, 50 ° C for 80 hours in an incubation shaker.
  • Each enzymatic hydrolysis is carried out in triplicate and used for the evaluation of the mean value of the bushings. Samples are taken after times indicated in Figs. 12 and 13. The glucose, fructose and total sugar content and concentration are determined as described in Example 5.
  • the enzymatic hydrolysis is carried out as follows: 50 g of sample a1 are dissolved in a 1000 ml Erlenmeyer flask. For this purpose, 200 g of the enzymatic hydrolysis medium are added. The resulting mixture occupies a volume of more than 500 ml.
  • the hydrolysis medium used is prepared as follows: To 142 ml of deionized water is added 8.25 ml of pen-strep mixture (1.8 mg of penicillin and 3 mg of streptomycin per ml of deionized water). The mixture is brought to pH 5 with 0.5 M citrate buffer. Then 4 ml of CTec2 from Novozymes are added.
  • the mixture is shaken at 150 rpm, 50 ° C for 80 hours in an incubation shaker.
  • Each enzymatic hydrolysis is carried out in triplicate and used for the evaluation of the mean value of the bushings. Samples are taken after times indicated in Figs. 12 and 13. The glucose, fructose and total sugar content and yield are determined as described in Example 5.
  • pellets according to the invention With the pellets according to the invention, it is possible to use twice as large an amount of lignocellulosic biomass in the enzymatic hydrolysis with a total volume of 500 ml in comparison to unpellated material. Nevertheless, the enzymatic accessibility of the lignocellulosic biomass is not worse than in Comparative Example 1. This can be seen from the even slightly higher sugar yield in FIG. 14. In other words, with the pellets according to the invention compared to non-pelletized material, a considerable volume advantage with a concomitant higher sugar concentration in the resulting solution can be achieved.
  • lignocellulosic biomass was used in the form of pellets and in non-pelleted form:
  • Sample 91 a wheat straw, according to sample a2 (untreated - pelleted).
  • Sample 91b Wheat straw, according to sample a1 (untreated - not pelleted).
  • Sample 92a Miscanthus, prepared analogously to Sample a2 (untreated - pelleted);
  • Sample 92b Miscanthus, prepared analogously to sample a1 (untreated - not pelleted); (i.e., wheat straw is replaced by miscanthus).
  • Sample 93a empty fruit bunches, prepared analogously to sample b2
  • Sample 93b empty fruit bundles prepared analogously to sample b1 (swollen in water
  • Sample 94a empty fruit bunches, prepared analogously to sample c2
  • Sample 94b empty fruit bundles, prepared analogously to sample c1 (not pelleted - swollen in dilute acid); (i.e., wheat straw becomes empty
  • the enzymatic hydrolysis is carried out with each of the aforementioned samples as follows: 10 g (dry weight) of the sample are placed in 500 ml Erlenmeyer flasks. For this purpose, 90 g of the enzymatic hydrolysis medium are added.
  • the hydrolysis medium used is prepared as follows: To 76.4 g of deionized water are added 3.3 ml of pen-strep mixture (1.8 mg of penicillin and 3 mg of streptomycin per ml of deionized water). The mixture is brought with 9 ml of 0.5 M citrate buffer (pH 5). Then, 1 ml of CTec2 from Novozymes is added.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, gewonnen aus Cellulose oder Hemicellulose, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung bei einem Druck im Bereich von 5 bar (g) bis 20 bar (g) unterzogen ist.

Description

Lignocellulose-Biomasse-Presslinge zur Herstellung von organischen Molekülen durch enzymatische Hydrolyse
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol durch enzymatische Hydrolyse, wobei die Presslinge aus Lignocellulo- se-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasser- dampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch Presslinge, die aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung bei einem Druck im Bereich von 5 bar (g) bis 20 bar (g) unterzogen ist. .
Die Ölkrise und die globale Erwärmung machen es notwendig, sich von der ölbasierten Industrie zu erneuerbaren Materialien hinzubewegen. Lignocellulose-Biomasse ist heutzutage eines der Materialien von höchstem Interesse, da es neben den erneuerbaren Energien auf der gesamten Welt reichlich vorhanden ist. Allerdings ist die Lignocellulose-Biomasse meist nur weit von weiter verarbeitbaren Anlagen, z.B. für die enzymatische Hydrolyse, entfernt. Weiterhin hat Lignocellulose-Biomasse meist die Nachteile geringer Dichte, Instabilität, Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Staubbildung und eine irreguläre Form und minderwertige Qualität, die alle die Transportmöglichkeiten einschränken. Diese Nachteile führen zu hohen Transportkosten und machen die Verwendung von Lignocellulose-Biomasse in Bioraffinerien ökonomisch schwierig.
Die Herstellung von Presslingen aus Lignocellulose-Biomasse ist eine Möglichkeit, um die Transportkosten zu verringern. Dabei fokussiert man sich hauptsächlich auf die Erhöhung der Schüttdichte, um das für den Transport benötigte Volumen zu verringern und dabei die Transportkosten zu erniedrigen.
Es ist bereits bekannt, dass aus Lignocellulose-Biomasse Presslinge hergestellt werden können, wobei die Lignocellulose-Biomasse einer sogenannten Explosionsbehandlung unterzogen und anschließend unter Verwendung von Bindemitteln oder Zusatz weiterer Stoffe mit hohem Brennwert zu Presslingen verarbeitet wird. Alle diese Ansätze haben jedoch die Herstellung eines günstigen Brennstoffs als Ziel und offenbaren nicht die Verwendung solcher Presslinge in Bioraffinerien zur Herstellung von kleinen organischen Molekülen, wie Ethanol, Isobutanol oder Itaconsäure.
Es sind zwar Verfahren zur Herstellung von Presslingen zur Verwendung in Bioraffinerien bekannt, jedoch setzen alle diese Verfahren entweder einen hohen Wasserverbrauch, einen hohen Aufwand bei der Herstellung der Presslinge oder Herstellungsverfahren voraus, in denen Chemikalien eingesetzt werden müssen, die das Verfahren entweder teuer oder umweltschädlich machen. So ist bspw. die Herstellung von Presslingen aus Lignocellulose-Biomasse bekannt, die einer sog. Ammonium-Faser- Expansions-Behandlung unterzogen wurde. Dieses Verfahren hat den Nachteil der Verwendung von erheblichen Mengen von Ammoniak, die das Verfahren teuer und schädlich für die Umwelt macht. Es wurde bisher davon ausgegangen, dass die Verwendung von Ammoniak in der Vorbehandlung der Lignocellulose-Biomasse notwendig ist, um das Lignin an die Oberfläche der Biomasse zu transportieren, um daraus Presslinge ohne Zugabe von Bindemitteln herstellen zu können.
Keines der bisher bekannten Verfahren ermöglicht es, auf einfache Art, kostengünstig und umweltfreundlich Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse bereitzustellen, die bei der Verwendung in Bioraffinerien bei der enzymatischen Hydrolyse einen gute Gehalt von Zuckermonomeren ermöglicht und eine gute Ligninqualität hervorbringt.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung von Presslingen zur Herstellung von kleinen organischen Molekülen, wie monomeren Zuckern, Ethanol, Isobutanol, Itaconsäure usw. bereitzustellen, bei der auf einfache, kostengünstige und umweltfreundliche Art und Weise Presslinge hergestellt und diese mit einer guten Ausbeute an Zuckermonomeren in der enzymatischen Hydrolyse eingesetzt werden können.
Hierfür stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen durch enzymatische Hydrolyse, wobei die organischen Moleküle eine molare Masse von maximal 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker be- vorzugt von maximal 500 g/mol aufweisen, wobei die organischen Moleküle vorzugsweise aus Cellulose oder Hemicellulose gewonnen werden, bereit, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind bzw. hergestellt werden, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist/wird. Alternativ zu der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung kann diese auch folgendermaßen als Verfahren formuliert werden: Das heißt, die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von organischen Molekülen durch enzymatische Hydrolyse, wobei die organischen Moleküle eine maximale molare Masse von 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol aufweisen, wobei die organischen Moleküle aus Cellulose oder Hemicellulose gewonnen werden, wobei Presslinge als Ausgangsmaterial eingesetzt werden, die aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Alle hierin auf die erfindungsgemäße Verwendung bezogenen Ausführungsformen und bevorzugten Merkmale sollen in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren gelten. Die molare Masse wird erfindungsgemäß mit Massenspekt- rometrie bestimmt.
Der Begriff „Cellulose" soll erfindungsgemäß nicht nur Cellulose im klassischen Sinne, nämlich verknüpfte Cellobiose-Einheiten, umfassen, sondern auch weitere Polysaccharide, die in Lignocellulose-Biomasse vorkommen, wie beispielsweise Glucan oder Xylan.
Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass für die Wasserdampfexplosions- behandlung keine Verwendung von Ammoniak notwendig ist, um daraus Presslinge erhalten zu können, die einen ausreichenden Gehalt an Zuckermonomeren bei der enzymatischen Hydrolyse liefern.
Weiterhin bevorzugt ist es, dass die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen laugenfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist. Unter„im Wesentlichen ammoniakfrei oder laugenfrei" wird erfindungsgemäß verstanden, dass bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung der Lignocellulose-Biomasse kein Ammoniak bzw. keine Lauge zugesetzt wird, die Lignocellulose-Biomasse jedoch selbst Ammoniak oder Laugen enthalten kann.
Als Lignocellulose-Biomasse kann jegliche Pflanze oder jegliches Pflanzenmaterial verwendet werden, wie beispielsweise Stroh, Erntereste von Mais (com stover), Holz,Zuckerrohrbagasse, Energiepflanzen, wie Miscanthus, und leere Fruchtbündel (empty fruit bunches) usw., wobei Weizenstroh, Miscanthus und leere Fruchtbündel besonders bevorzugt sind. Dabei kann es sich um die gesamte Pflanze oder auch um Ernteabfallprodukte, wie beispielsweise die Pflanzenreste bei der Maisernte handeln. Als Lignocellulose-Biomasse können auch Kombinationen von zwei oder mehr verschiedenen Pflanzen oder Pflanzenmaterialien eingesetzt werden.
Die Lignocellulose-Biomasse weist vorzugsweise einen Alkaligehalt (XOH, X = Alkalioder Erdalkalimetall) von weniger als 0,2 mmol pro g Trockengewicht der Lignocellulose-Biomasse auf. Das Trockengewicht ist definiert als das Gewicht, das beim Trocknen bei 100°C bis zur Gewichtskonstanz erreicht wird.
Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen zusatzstofffreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist, wobei jedoch optional organische Säure oder Mineralsäure bei der Wasserdampfexplosions- behandlung anwesend sein kann. Das heißt, es wird vorzugsweise nur die Lignocellulose-Biomasse für die Wasserdampfexplosionsbehandlung verwendet, wobei optional eine organische Säure oder Mineralsäure zugesetzt sein kann. Unter„im Wesentlichen zusatzstofffrei" wird letztlich verstanden, dass aktiv keine Zusatzstoffe (mit Ausnahme von organischer Säure oder Mineralsäure) bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung zugegeben werden, wobei jedoch organische Säure oder Mineralsäure zugegeben werden kann.
Die für die Wasserdampfexplosionsbehandlung verwendete Lignocellulose-Biomasse kann unbehandelt, d.h. ohne Quellen-Iassen in einer Flüssigkeit verwendet werden. Die Lignocellulose-Biomasse kann jedoch auch vor der Wasserdampfexplosionsbe- handlung in Wasser oder verdünnter Säure quellen gelassen werden. Die verdünnte Säure ist vorzugsweise 0,1 % bis 2% Säure. Als Säure können organische Säuren oder Mineralsäuren verwendet werden, wie beispielsweise Essigsäure, H2S04, H3P04, HCl oder HN03. Bevorzugt wird die Lignocellulose-Biomasse entweder unbehandelt oder in Wasser gequollen verwendet. Aus Gründen der Wasserersparnis ist es bevorzugt, dass die Lignocellulose-Biomasse unbehandelt verwendet wird. Das Quellen-Iassen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 15 bis 30°C über einen Zeitraum von 1 sec bis 15 h. Nach dem Quellen-Iassen wird die Lignocellulose- Biomasse vorzugsweise gepresst, bis der Wassergehalt bei weniger als 60 Gew.-% liegt. Mit anderen Worten weist die für die Wasserdampfexplosionsbehandlung verwendete Lignocellulose-Biomasse einen Wassergehalt von weniger als 60 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 50 Gew.-%, noch stärker bevorzugt weniger als 30 Gew.-% und am stärksten bevorzugt weniger als 20 Gew.-% auf, bezogen auf die gesamte Lignocellulose-Biomasse einschließlich Wasser.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass Lignocellulose-Biomasse verwendet wird, die so beschaffen ist, dass sie, wenn sie in unbehandelter Form oder in der in Wasser oder verdünnter Säure gequollenen und anschließend gepressten Form (siehe oben) in Wasser suspendiert wird, einen pH-Wert des Wassers im Bereich von 2 bis 8,5, stärker bevorzugt im Bereich von 5 bis 8 ergibt. Hierfür werden 0,035 g der unbehandelten Lignocellulose-Biomasse oder in Wasser oder verdünnter Säure gequollenen und anschließend gepressten Lignocellulose-Biomasse (sieh oben) in 1 g entionisiertem Wasser suspendiert, und anschließend wird der pH-Wert der Lösung gemessen.
Unter„Wasserdampfexplosionsbehandlung" wird hierin ein Verfahren verstanden, bei dem die Lignocellulose-Biomasse für eine bestimmte Zeit einem erhöhten Druck bei erhöhter Temperatur unter Anwesenheit von Wasserdampf ausgesetzt und anschließend einem plötzlichen Druckabfall unterzogen wird. Dabei kann bei der Dampfexplosionsbehandlung zusätzlich Wasser zugesetzt werden, oder der hierfür benötigte Wasserdampf kann aus dem Wassergehalt der Lignocellulose-Biomasse stammen. Das Wasser, das für die Wasserdampfexplosionsbehandlung zugesetzt wird, weist vorzugsweise einen pH-Wert im Bereich von 1 bis 8, stärker bevorzugt im Bereich von 3 bis 8 und am stärksten bevorzugt im Bereich von 5 bis 8 auf. Insbesondere, wenn die Lignocellulose-Biomasse ohne die Zugabe von weiterem Wasser in der Wasser- dampfexplosionsbehandlung eingesetzt wird, ist es bevorzugt, dass diese einen Alkaligehalt (XOH, X = Alkali- oder Erdalkalimetall) von weniger als 0,2 mmol pro g Trocken- gewicht der Lignocellulose-Biomasse aufweist. Die Begriffe„im Wesentlichen ammoniakfrei" oder„im Wesentlichen laugenfrei" können somit erfindungsgemäß bedeuten, dass bei Einsatz von zusätzlich zugesetztem Wasser in der Dampfexplosionsbehandlung dieses den zuvor angegeben pH-Wert aufweist, oder dass, wenn der für die Dampfexplosionsbehandlung benötigte Wasserdampf aus dem Wassergehalt der Lignocellulose-Biomasse stammt, die Lignocellulose-Biomasse einen Alkaligehalt im zuvor angegeben Bereich aufweist. Alternativ zu Letztgenanntem kann ein pH-Wert einer Lösung, in der die Lignocellulose-Biomasse suspendiert wird, im oben genanntem Bereich liegen.
Die Wasserdampfexplosionsbehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 160°C bis 210°C, stärker bevorzugt im Bereich von 165°C bis 195°C und am stärksten bevorzugt im Bereich von 170°C bis 190°C durchgeführt. Die Wasser- dampfexplosionsbehandlung wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 0,5 min bis 30 min und stärker bevorzugt über einen Zeitraum von 1 min bis 15 min, durchgeführt, wobei sich die Zeitdauer auf die Behandlungsdauer unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur bezieht. Bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung wird vorzugsweise ein Druck im Bereich von 5 bar (g) bis 20 bar (g), stärker bevorzugt 7 bar (g) bis 12 bar (g) angelegt. Bei den hierin angegebenen Drücken handelt es ich immer um den relativen Druck, d.h. im Verhältnis zum Umgebungsdruck, vorzugsweise im Verhältnis zum Atmosphärendruck von 1 atm.
Bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung kann gesättigter oder überhitzter Dampf verwendet werden, wobei erfindungsgemäß gesättigter Dampf bevorzugt ist. Am Ende der Wasserdampfexplosionsbehandlung wird der erhöhte Druck plötzlich auf Umgebungsdruck abgesenkt. Auf diese Weise können die Pflanzenfasern aufgebrochen werden. Die Wasserdampfexplosionsbehandlung ist somit eine Kombination aus Was- ser/Wasserdampf-induzierter Hydrolysereaktion und mechanischem Aufbrechen der Fasern.
Für die Wasserdampfexplosionsbehandlung können jegliche Druckreaktoren verwendet werden, die einen plötzlichen Druckabfall ermöglichen, d.h. der Druckreaktor weist ein Druckablassventil auf. Hierfür kann beispielsweise ein Chargenreaktor aus Stahl oder auch ein kontinuierlich arbeitender Reaktor verwendet werden. Somit kann die Wasserdampfexplosionsbehandlung auch in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden. Hierfür können z.B. horizontale Schraubenreaktoren, vertikale Röhrenreaktoren oder ein Schneckenförderreaktor verwendet werden. Es ist besonders bevorzugt, dass die Wasserdampfexplosionsbehandlung in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt wird, insbesondere unter Verwendung eines Schneckenförderreak- tors. Die Verwendung einer Förderschnecke ermöglicht somit den kontinuierlichen Betrieb. Zur Einspeisung der Lignocellulose-Biomasse in den kontinuierlich arbeitenden Reaktor wird vorzugsweise ein Stopfschneckenförderer (plug screw feeder) verwendet, der die Luft aus der Lignocellulose herauspresst. Dadurch wird die Luft, und damit unerwünschter Sauerstoff, aus der Masse entfernt. In herkömmlichen Batchver- fahren wird zu Entfernung der Luft, bzw. des Sauerstoffs, vor Zugabe des Wasserdampfes oft ein Vakuum angelegt. Letzteres ist jedoch zeit- und energieaufwendig. D.h. in einer bevorzugten Ausführungsform wird die Lignocellulose-Biomasse vor oder während der Wasserdampfexplosionsbehandlung keinem Vakuum bzw. keinem gegenüber dem Umgebungsdruck verminderten Druck ausgesetzt.
Nach dem Druckabfall am Ende der Wasserdampfexplosionsbehandlung wird die Lignocellulose-Biomasse aus dem Reaktor geholt. Oder bei Verwendung eines kontinuierlichen Verfahrens erfolgt der Druckabfall, indem die Biomasse aus dem unter Druck stehenden Reaktor an die Umgebung abgegeben wird. Dann wird die Lignocellulose-Biomasse vorzugsweise bis zu einem Wassergehalt von 5 Gew.-% bis 15 Gew.- %, bezogen auf die gesamte Lignocellulose-Biomasse einschließlich Wasser, getrocknet. Hierfür werden vorzugsweise Temperaturen im Bereich von 40°C bis 80°C, stärker bevorzugt 55°C bis 65°C, verwendet. Hierfür kann beispielsweise ein Ventilationstrockner verwendet werden. Presslinge mit einem Wassergehalt von mehr als 15 Gew.-% haben für einen ökonomischen Transport zu viel Wasser. Eine gewisse Menge von mindestens 5 Gew.-% Wassergehalt wird jedoch benötigt, um die Biomasse zu Press- lingen pressen zu können. Der Lignocellulose-Biomasse wird vor dem Pressen zu den Presslingen vorzugsweise kein Bindemittel zugesetzt. Der Lignocellulose-Biomasse kann jedoch vor dem Pressen zu Presslingen weitere Biomasse zugesetzt werden. Die weitere Biomasse ist vorzugsweise eine Biomasse, die, ohne einer Wasserdampfex- plosionsbehandlung unterzogen zu werden, durch enzymatische Hydrolyse zu organi- sehen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol gespalten werden kann. Erfindungsgemäße Beispiele hierfür sind: Stärke, Zuckerpolymere oder Zuckermonomere. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Presslinge im Wesentlichen aus der wasserdampfexplosionsbehandelten Lignocellulo- se-Biomasse und Wasser bestehen. Generell ist es bevorzugt, dass der Lignocellulo- se-Biomasse vor dem Pressen zu den Presslingen keine Additive zugegeben werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist es jedoch denkbar, dass die bei der Wasserdampfexplosionsbehandlung gebildeten monomeren Zucker vor dem Pressen der Lignocellulose-Biomasse zu den Presslingen abgetrennt werden. Dazu werden die monomeren Zucker aus der dampfexplosionsbehandelten Lignocellulose-Biomasse vorzugsweise mit entionisiertem Wasser herausgewaschen, z.B. durch Spülen der Biomasse mit Wasser oder Rühren der Biomasse in Wasser und anschließende Filtration.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge weisen den Vorteil auf, dass sie ohne die Verwendung von Additiven auf einfache Art und Weise, kostengünstig und umweltschonend hergestellt werden können. Letztlich wird im Wesentlichen nur Wasser benötigt, welches jedoch auch mehrfach bzw. wiederverwendet werden kann.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge werden vorzugsweise durch Formpressen hergestellt. Hierfür können speziell vorgesehene Presswerkzeuge, wie beispielsweise eine Holzpelletieranlage verwendet werden. Die Form der Presslinge ist hierbei nicht beschränkt, können beispielsweise die Form jeglicher Briketts aufweisen. Vorzugsweise sind die Presslinge in der Form von Pellets. Pellets können bekanntermaßen durch Pelletpressen hergestellt werden. Dabei haben die Presslinge vorzugsweise eine Schüttdichte im Bereich von 600 kg/m3 bis 1 .200 kg/m3, vorzugsweise 800 kg/m3 bis 1000 kg/m3. Die Schüttdichte wird gemäß DIN ISO 697 bestimmt. Aufgrund der hohen Schüttdichte der Presslinge eignen sie sich hervorragend als Transportform. Durch die Einsparung von Volumen können somit auch Transportkosten eingespart werden. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da die Biomasse nach der Ernte meist weit transportiert werden muss, um in einer Bioraffinerie weiterverarbeitet werden zu können. Weisen die Presslinge die Form von Pellets auf, so haben diese vorzugsweise einen Durchmesser von 4 mm bis 8 mm und eine Länge von 1 cm bis 3 cm. Bei den hohen Drücken bei der Herstellung der Presslinge kann es zu einer starken Erwärmung kommen. Deshalb wird vorzugsweise nach der Herstellung der Pellets gekühlt.
Es ist deshalb in einer Ausführungsform der vorliegenden Verwendung bevorzugt, dass die Herstellung der Presslinge an einem ersten Ort und die Herstellung der organischen Moleküle an einem zweiten Ort stattfindet, wobei die Presslinge mit einem Transportmedium von dem ersten Ort zu dem zweiten Ort gebracht werden. Unter Transportmedien können erfindungsgemäß Lastkraftwagen, Züge, Schiffe oder Flugzeuge verwendet werden. Der erste Ort ist vorzugsweise ein Ort in der Nähe des Anbaus der Lignocellulose-Biomasse.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge sind vorzugsweise aus Lignocellulose-Biomasse hergestellt, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei es bevorzugt ist, dass 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-% der Cellulose, vorzugsweise 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind. Dies ist vorzugsweise dann der Fall, wenn die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse hergestellt sind, aus der die monomeren Zucker nicht entfernt sind. Dabei kann der Cellulosegehalt und Hemicellulosegehalt durch eine sogenannte TAPPI-Analyse bestimmt werden. Der Anteil an monomeren Zuckern kann folgendermaßen bestimmt werden: Die monomeren Zucker werden mit Wasser aus der Lignocellulose-Biomasse ausgewaschen und es wird deren Gehalt bestimmt. Dafür kann ein YSI 2900 Biochemistry Analyzer von Xylem Inc. (z.B. Glucosebestimmung) oder ein D-Xylose Assay Kit (erhältlich von Megazyme) (Xylosebestimmung) verwendet werden.
Alternativ dazu können die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge vorzugsweise aus Lignocellulose-Biomasse hergestellt sein, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthalten, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulo- se (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker aus der Lignocellulose-Biomasse vor der Herstellung der Presslinge abgetrennt sind.
Die für die erfindungsgemäße Verwendung vorgesehenen Presslinge sind vorzugsweise im Wesentlichen ammoniakfrei, vorzugsweise im Wesentlichen laugenfrei und am meisten bevorzugt im Wesentlichen zusatzstofffrei. Unter„im Wesentlichen ammoniakfrei" bzw. „im Wesentlichen laugenfrei" soll verstanden werden, dass die Presslinge vorzugsweise einen Alkaligehalt (XOH, X = Alkali- oder Erdalkalimetall) von weniger als 0,2 mmol pro g Trockengewicht der Lignocellulose-Biomasse aufweisen. Das Trockengewicht ist definiert als das Gewicht, das beim Trocknen bei 100°C bis zur Gewichtskonstanz erreicht wird. Der Alkaligehalt kann mittels Säuretitration mit Salzsäure bestimmt werden. Unter„im Wesentlichen zusatzstofffrei" soll verstanden werden, dass der Lignocellulose-Biomasse für das Pressen zu den Presslingen keine weiteren Zusatzstoffe zugesetzt werden, wobei hierbei Zusatzstoffe wie Biomasse, wie sie weiter oben definiert ist, ausgenommen sein können. Besonders bevorzugt ist es, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Presslinge frei von zugesetztem Kohlenstoff, vorzugsweise elementarem Kohlenstoff sind.
In der erfindungsgemäßen Verwendung erfolgt die Herstellung der organischen Monomere durch enzymatische Hydrolyse, insbesondere umfasst die Herstellung den Schritt der enzymatischen Hydrolyse von Cellulose oder Hemicellulose zu monomeren Zuckern. Hierbei werden beispielsweise Cellulasen, Hemicellulasen und/oder Xylana- sen eingesetzt, die dem Fachmann auf dem Gebiet des enzymatischen Celluloseab- baus bekannt sind. Beispiele für solche Enzyme sind: CTec2 und HTec2 der Fa. No- vozymes. Vorzugsweise werden die Cellulose und Hemicellulose dabei zu Glucose und Xylose abgebaut.
Hierfür werden die Pellets entweder in ihrer vollen Form oder in zermahlener Form, vorzugsweise in ihrer vollen Form, in entionisiertes Wasser gegeben, wobei eine Suspension erhalten wird. Dazu werden die für die enzymatische Hydrolyse notwendigen Enzyme und Additive gegeben und anschließend wird die Suspension gerührt oder geschüttelt. Die enzymatische Hydrolyse erfolgt vorzugsweise bei einem pH-Wert im Bereich von 4 bis 6. Die Temperatur bei der Hydrolyse beträgt vorzugsweise 40°C bis 60°C, stärker bevorzugt 45°C bis 55°C. Die enzymatische Hydrolyse wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 3 h bis 100 h, stärker bevorzugt 20 h bis 90 h Stunden, und am stärksten bevorzugt 50 h bis 80 h durchgeführt. Hierfür kann jegliches denkbare Rührgerät oder Schüttelgerät, wie bspw. ein Inkubationsschüttler verwendet werden. Es können aber auch Rührgeräte verwendet werden, die für Durchmischungen von Suspensionen mit hohem Feststoffanteil verwendet werden, wie bspw. Propellerrührer.
Bei dem Schritt der enzymatischen Hydrolyse liegt der Gewichtsanteil an Feststoff von Lignocellulose-Biomasse im Bereich von 2 Gew.-% bis 35 Gew.-%, stärker bevorzugt im Bereich von 10 Gew.-% bis 35 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der für die enzymatische Hydrolyse benötigten Suspension. Insbesondere ermöglicht die Verwendung von Presslingen bei der enzymatischen Hydrolyse, dass diese mit einem hohen Gewichtsanteil an Feststoff von Lignocellulose-Biomasse im Bereich von 15 Gew.-% bis 35 Gew.-%, stärker bevorzugt im Bereich von 18 Gew.-% bis 32 Gew.-%, noch stärker bevorzugt im Bereich von 20 Gew.-% bis 30 Gew.-% und am stärksten bevorzugt im Bereich von 22 Gew.-% bis 28 Gew.-% durchgeführt werden kann. Dabei wird als Rührgerät vorzugsweise ein Propellerrührer verwendet. Bei dem Einsatz von Presslingen bei der enzymatischen Hydrolyse hat sich gezeigt, dass viel mehr Festsubstanz pro Flüssigvolumen eingesetzt werden kann, als wenn Lignocellulose-Biomasse verwendet wird, die nicht zu Presslingen verarbeitet wurde. Dabei werden dennoch gleich gute, z.T. sogar bessere Zuckergesamtausbeuten erzielt. Das hat den Vorteil, dass bei wesentlich geringerem Raumbedarf die gleich Menge an Zucker erhalten werden kann, d.h. die Zucker-enthaltenden Lösungen haben eine wesentlich höhere Konzentration an Zucker. Werden in den folgenden Schritten, also der Zuckerfermentation, Lösungen mit höheren Zuckerkonzentrationen eingesetzt, führt das auch zu einer höheren Konzentration der Fermentationsprodukte, wie bspw. Ethanol oder Itaconsäure. Die Vorteile sind folglich: Höhere Produktionskapazität unter Verwendung derselben Ausrüstung (volume specific capacity) und niedrigerer Energieverbrauch durch leichtere Abtrennung des Produkts. Das zeigt, dass selbst wenn die Wasserdampfexplosionsbehand- lung im Wesentlichen ammoniakfrei/laugenfrei/zusatzstofffrei durchgeführt wird, dennoch ein ausreichender Zugang der Hydrolyseenzyme zu der Cellulose/Hemicellulose besteht.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung kann die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der katalytischen oder biokatalytischen Umsetzung der monomeren Zucker umfassen, der entweder dem Schritt der enzymatischen Hydrolyse nachgelagert ist oder währenddessen stattfindet.
Bei der katalytischen Umsetzung können die monomeren Zucker jeglicher chemischen Katalyse zu organischen Monomeren unterzogen werden.
Bei der biokatalytischen Umsetzung werden die monomeren Zucker vorzugsweise durch Fermentation zu organischen Monomeren umgesetzt. Beispielsweise können durch Fermentation von monomeren Zuckern die folgenden organischen Monomere erhalten werden: 1 ,4-Disäuren, wie bspw. Bernsteinsäure, Fumarsäure und Maleinsäure, 5-Furandicarbonsäure (FDCA), 3-Hydroxypropionsäure (3-HPA), Asparaginsäure, Glutarsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Levulinsäure, 3-Hydroxybutyrolacton, Glyce- rol, Sorbitol (Zuckeralkohol von Glucose), Xylitol/Arabinitol (Zuckeralkohole der Xylose und Arabinose), Ethanol und Isobutanol. Für die Fermentation der monomeren Zucker können verschiedene Pilze, wie Hefe oder A. niger eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung kann die enzymatische Hydrolyse zu monomeren Zuckern und die Fermentation der monomeren Zucker zu den organischen Monomeren in einer Ein-Topf-Reaktion erfolgen, d.h. vorzugsweise simultan in einem einzigen Reaktionsgefäß.
Alle Definitionen, Angaben und bevorzugten Ausführungsformen der in der erfindungsgemäßen Verwendung eingesetzten Presslinge sollen auch für die im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Presslinge gelten, und umgekehrt. Gleiches gilt auch für die Definitionen, Angaben und bevorzugten Ausführungsformen der Herstellung der in der erfindungsgemäßen Verwendung eingesetzten Presslinge.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Presslinge, die aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosions- behandlung bei einem Druck im Bereich von 5 bar (g) bis 20 bar (g) unterzogen ist.
Die erfindungsgemäßen Presslinge können auch aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sein, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthalten, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.-%, vorzugsweise 2 Gew.% bis 10 Gew.-%, der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise auch erfindungsgemäße Presslinge, die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthalten, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose (vorzugsweise 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%) zu monomeren Zuckern und 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind, wobei die monomeren Zucker aus der Lignocellulose-Biomasse vor der Herstellung der Pellets abgetrennt sind.
Die erfindungsgemäßen Presslinge sind vorzugsweise im Wesentlichen ammoniakfrei, vorzugsweise im Wesentlichen laugenfrei, vorzugsweise im Wesentlichen zusatzstofffrei, wobei von den Zusatzstoffen organische Säuren, Mineralsäuren und weitere Biomasse - wie weiter oben definiert - ausgenommen sein können.
Die erfindungsgemäßen Presslinge weisen vorzugsweise eine Schüttdichte im Bereich von 600 kg/m3 bis 1 .200 kg/m3, vorzugsweise 800 kg/m3 bis 1000 kg/m3, auf.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die für die Herstellung der Presslinge verwendete Lignocellulose-Biomasse keinem Detoxifizierungsverfahren unterzogen ist. Unter„De- toxifizierung" versteht man bei der Verwendung von Biomasse für die enzymatische Hydrolyse jegliche Behandlung der Biomasse, die die Menge der für die Enzyme toxischen Substanzen herabsetzt. Erstaunlicherweise konnte festgestellt werden, dass auch ohne eine solche Behandlung der Biomasse gute Ausbeuten bei der enzymati- schen Hydrolyse erreicht werden können.
Weiterhin ist auch bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Presslinge einen durchschnittlichen Ligningehalt von weniger als 50 Gew.-%, stärker bevorzugt weniger als 40 Gew.-% und am stärksten bevorzugt im Bereich von 20 Gew.-% bis 40 Gew.-% aufweisen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge.
Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Presslinge derart ausgebildet, dass sie nach einem vollständigen Eintauchen in Wasser mit einer Temperatur von 25°C für 2 h einen Gewichtszuwachs von weniger als 10 Gew.-%, stärker bevorzugt von weniger als 5 Gew.-% und noch stärker bevorzugt von weniger als 3 Gew.-%, erfahren, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge vor dem Eintauchen. Weiterhin verändern die Presslinge während dieses Eintauchvorgangs ihre Form nahezu nicht, d.h. sie sind formstabil. Die Presslinge nehmen somit kaum Feuchtigkeit auf, d.h. sind nicht hygroskopisch. Ebenso konnte festgestellt werden, dass die Presslinge auch bei Lagerung über einen Zeitraum von mehreren Wochen an Gewicht nicht zunehmen, d.h. keine Feuchtigkeit aus der Umgebung absorbieren. Unter warmen Bedingungen oder dem Einfluss von Sonnenlicht verlieren sie sogar Gewicht, da sie Feuchtigkeit abgeben und trocknen. Aus diesem Grund sind die erfindungsgemäßen Presslinge nicht anfällig gegenüber Verrottung durch Pilze oder Bakterien und gegenüber mechanischem Zerfall. Durch diese Feuchtigkeitsbeständigkeit der Presslinge muss bei deren Transport von dem Ort der Herstellung zu dem Ort der Verwendung auf keine speziellen Lagerungsbedingungen geachtet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol, stärker bevorzugt mit einer molaren Masse von maximal 750 g/mol, noch stärker bevorzugt von maximal 500 g/mol, wobei Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen ammoniakfreien Was- serdampfexplosionsbehandlung unterzogen und anschließend zu Presslingen gepresst wird, wobei die Presslinge als Ausgangsmaterial für die Gewinnung der organischen Moleküle durch enzymatische Hydrolyse der Cellulose oder Hemicellulose verwendet werden. Alle hierin auf die erfindungsgemäße Verwendung bezogenen Ausführungsformen und bevorzugten Merkmale sollen in gleichem Maße für das zuletzt genannte erfindungsgemäße Verfahren gelten. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden Figuren und experimentellen Beispiele beschrieben, die jedoch nicht als einschränkend für den Schutzumfang anzusehen sind:
Figuren:
Figur 1 : Figur 1 zeigt drei verschiedene Pellets in Erlenmeyer-Gläsern, wobei alle Pellets gemäß Beispiel 3 hergestellt wurden. Die links abgebildeten Pellets sind aus unbehandeltem Weizenstroh der Probe a), die in der Mitte abgebildeten Pellets aus in Wasser gequollenem Weizenstroh der Probe b) und die Pellets rechts in 1 % H2S04 gequollen gemäß der Probe c).
Figur 2: Figur 2 zeigt die Pellets gemäß Figur 1 , die für 30 Minuten bei 50°C einer Schüttelbehandlung unterzogen wurden.
Figur 3: Figur 3 zeigt die Pellets gemäß Figur 1 , die einer weiteren manuellen
Schüttelbehandlung bei 100°C bei 10 Minuten unterzogen wurden.
Figur 4: Die Figur 4 zeigt zermahlene Pellets mit einer Größe von < 0,5 mm
(links), mit einer Größe von 0,5 - 0,71 mm (Mitte) und mit einer Größe von > 0,71 mm (rechts). Diese Pellets wurden gemäß Bsp. 3 aus in 1 % H2S04 gequollenem Weizenstroh gemäß Probe c) hergestellt.
Figur 5: Die Figur 5 zeigt die Proben gemäß Figur 4, die bei 50°C für 10 Minuten einer manuellen Schüttelbehandlung unterzogen wurden.
Figur 6: Die Figur 6 zeigt die Glucosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
Figur 7: Die Figur 7 zeigt die Glucoseausbeute (%) nach der enzymatischen
Hydrolyse gemäß Beispiel 5. Figur 8 Die Figur 8 zeigt die Xylosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der
Zeit der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
Figur 9: Die Figur 9 zeigt die Xyloseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse gemäß Beispiel 5.
Figur 10: Die Figur 10 zeigt die pH-Werte der Proben a1 bis a3, b1 bis b3 und c1 bis c3 der Lösung nach der enzymatischen Hydrolyse.
Figur 1 1 : Die Figur 1 1 zeigt den Verbrauch von Glucose, Xylose und Arabinose nach 96 h bei der Itaconsäure Fermentation gemäß Beispiel 7.
Figur 12: Die Figur 12 zeigt die Glucosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 8 und gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 .
Figur 13: Die Figur 13 zeigt die Xylosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 8 und gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 .
Figur 14: Die Figur 14 zeigt die Gesamtzuckerausbeute (%) bei der enzymatischen Hydrolyse gemäß Beispiel 8 und gemäß Vergleichsbeispiel 1 nach 75 h.
Figur 15a: Die Figur 15a zeigt die Glucosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 91 a und 91 b gemäß Beispiel 9.
Figur 15b: Die Figur 15b zeigt die Xylosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 91 a und 91 b gemäß Beispiel 9. Figur 15c: Die Figur 15c zeigt die Gesamtzuckerkonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 91 a und 91 b gemäß Beispiel 9.
Figur 15d: Die Figur 15d zeigt die Glucoseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 91 a und 91 b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 15e: Die Figur 15e zeigt die Xyloseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 91 a und 91 b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 15f: Die Figur 15f zeigt die Gesamtzuckerausbeute (%) bei der enzymatischen Hydrolyse der Proben 91 a und 91 b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 16a: Die Figur 16a zeigt die Glucosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 92a und 92b gemäß Beispiel 9.
Figur 16b: Die Figur 16b zeigt die Xylosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 92a und 92b gemäß Beispiel 9.
Figur 16c: Die Figur 16c zeigt die Gesamtzuckerkonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 92a und 92b gemäß Beispiel 9.
Figur 16d: Die Figur 16d zeigt die Glucoseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 92a und 92b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 16e: Die Figur 16e zeigt die Xyloseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 92a und 92b gemäß Beispiel 9 nach 72 h. Figur 16f: Die Figur 16f zeigt die Gesamtzuckerausbeute (%) bei der enzymatischen Hydrolyse der Proben 92a und 92b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 17a: Die Figur 17a zeigt die Glucosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 93a und 93b gemäß Beispiel 9.
Figur 17b: Die Figur 17b zeigt die Xylosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 93a und 93b gemäß Beispiel 9.
Figur 17c: Die Figur 17c zeigt die Gesamtzuckerkonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 93a und 93b gemäß Beispiel 9.
Figur 17d: Die Figur 17d zeigt die Glucoseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 93a und 93b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 17e: Die Figur 17e zeigt die Xyloseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 93a und 93b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 17f: Die Figur 17f zeigt die Gesamtzuckerausbeute (%) bei der enzymatischen Hydrolyse der Proben 93a und 93b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 18a: Die Figur 18a zeigt die Glucosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 94a und 94b gemäß Beispiel 9.
Figur 18b: Die Figur 18b zeigt die Xylosekonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 94a und 94b gemäß Beispiel 9. Figur 18c: Die Figur 18c zeigt die Gesamtzuckerkonzentration (g/l) in Abhängigkeit von der Zeit der enzymatischen Hydrolyse der Proben 94a und 94b gemäß Beispiel 9.
Figur 18d Die Figur 18d zeigt die Glucoseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 94a und 94b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 18e Die Figur 18e zeigt die Xyloseausbeute (%) bei der enzymatischen
Hydrolyse der Proben 94a und 94b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Figur 18f: Die Figur 17f zeigt die Gesamtzuckerausbeute (%) bei der enzymatischen Hydrolyse der Proben 94a und 94b gemäß Beispiel 9 nach 72 h.
Beispiele:
Beispiel 1 : Vorbehandeln von Weizenstroh
Weizenstroh mit einem Wassergehalt von 12 Gew.-% wird mit einem Schneidgerät soweit zerkleinert, dass die längsten Weizenstrohfasern maximal 4 cm lang sind. Für die Wasserdampfexplosionsbehandlung werden drei verschiedene Proben dieses zerkleinerten Weizenstrohs verwendet: a) Weizenstroh unbehandelt
b) Weizenstroh, in Wasser gequollen
c) Weizenstroh in 1 % H2S04 gequollen
Die Probe a) ist das zerkleinerte Weizenstroh, das nicht weiter behandelt wurde. Die Proben b) und c) sind jeweils Weizenstroh, das für 14 Stunden in Wasser (Probe b)) und in 1 % H2S04 (Probe c)) quellen gelassen wurde. Bei den Quellbehandlungen wird eine Menge von 3 Gew.-% Weizenstroh verwendet, in Bezug auf die gesamte Menge an Quellmedium (Wasser oder 1 % H2S04) und Weizenstroh. Keiner der Proben a) bis c) wird vor der Wasserdampfexplosionsbehandlung eine weitere Substanz zugesetzt, weder dem Weizenstroh noch dem Quellmedium. Nach den Quellbehandlungen wird das Weizenstroh der Proben b) und c) jeweils filtriert und so lange gepresst, bis der Wassergehalt des Weizenstrohs bei unter 50 Gew.-% liegt.
Beispiel 2: Wasserdampfexplosionsbehandlung
Die Proben a) bis c) werden jeweils einer Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen. Dazu werden je 2,5 kg in einen speziell entwickelten Chargenreaktor der Fa. Process- & Industriteknik aus Schweden gegeben. Hierbei handelt es sich um einen Dampfdruckreaktor mit einem Schnellauslassventil. Die Proben a) und b) werden bei 190°C für 10 min einem gesättigten Dampfdruck bei 1 1 ,5 bar (g) und die Probe c) bei 170°C für 10 min einem gesättigten Dampfdruck bei 7 bar (g) ausgesetzt. Am Ende dieser Zeit wird der Druck plötzlich auf Raumdruck gesenkt. Der Wassergehalt der so erhaltenen Proben variierte zwischen 40 Gew.-% und 60 Gew.-%. Der Wassergehalt kann mit einem Feuchtigkeitsanalysator bei einer Temperatur von 105°C gemessen werden. Dabei stoppt die Messung automatisch, wenn sich das Gewicht nicht mehr verändert.
Beispiel 3: Herstellen der Presslinge in Form von Pellets
Die aus Beispiel 2 erhaltenen Proben werden 4 h in einem Ventilationstrockner bei 60°C getrocknet. Nach dem Trocknen liegt der Wassergehalt im Bereich von 10 Gew.- % bis 15 Gew.-%. Der Wassergehalt kann mit einem Feuchtigkeitsanalysator bei einer Temperatur von 105°C gemessen werden. Dabei stoppt die Messung automatisch, wenn sich das Gewicht nicht mehr verändert. Anschließend werden daraus Pellets mit einer Länge von etwa 1 ,5 cm und einem Durchmesser von 6 mm gepresst. Hierfür wird folgende Vorrichtung benutzt: Gerät: Kahl 14-175 (Durchmesser der Pressplatte: 175 mm), Pressplattentyp: AKN13 chrome steel, 30 mm Lochlänge, 60 Löcher, 6 mm Lochbreite. Die Temperatur der Pellets direkt nach dem Pressen beträgt 40°C bis 70°C.
Alle der so hergestellten Pellets zeigen nach einem vollständigen Eintauchen in Wasser mit einer Temperatur von 25°C für 2 h einen Gewichtszuwachs von weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Presslinge vor dem Eintauchen. Dazu werden die Presslinge vor dem Eintauchen und nach dem Eintauchen (im abgetrockneten Zustand) gewogen.
Beispiel 4: Vorversuche zur Zersetzbarkeit/Löslichkeit der Pellets in Wasser und Bestimmung der idealen Partikelgröße für den Fall des Zermahlens der Pellets vor der enzymatischen Hydrolyse:
Die Zersetzbarkeit bzw. Löslichkeit der Pellets in Wasser bzw. die durch Zermahlen der Pellets erhaltene ideale Partikelgröße werden durch die folgenden Versuche bestimmt:
Es werden jeweils Pellets gemäß Bsp. 3 der Proben a) bis c) in Erlenmeyer-Gläsern vorgelegt. Das Aussehen der Pellets kann der Figur 1 entnommen werden, in der Pellets aus der Probe a) links, Pellets aus der Probe b) in der Mitte und Pellets aus Probe c) rechts abgebildet sind. Hierzu werden jeweils 1 ,5 g der Pellets verwendet und so lange Wasser zugegeben, bis ein Gesamtgewicht von 30 g erreicht ist. Die Proben werden 30 min bei 50° C geschüttelt. Figur 2 zeigt die so behandelten Proben gemäß der Figur 1 . Dabei kann beobachtet werden, dass Pellets, die aus der Probe a) hergestellt werden, die beste Zersetzbarkeit aufweisen. Da die Zersetzung der Pellets noch nicht ausreichend ist, werden die Proben bei einer Temperatur von 100°C für 10 Minuten manuell geschüttelt. Wie aus Figur 3 ersichtlich, lassen sich die aus Probe a) erhaltenen Pellets am leichtesten zersetzen, gefolgt von den Pellets der Probe b). Die Pellets, die aus der säurebehandelten Biomasse hergestellt worden sind, lassen sich am schlechtesten zersetzen.
Daraus lässt sich schließen, dass die Pellets, die aus nicht vorbehandelter Biomasse bzw. nur in Wasser gequollener Biomasse hergestellt werden, eine bessere Zugänglichkeit der Biomasse für die enzymatische Hydrolyse gewährleisten.
Zur Bestimmung der idealen Partikelgröße der Pellets werden diese einem Mahlverfahren unterzogen. Dafür werden die Proben in einem Mischgerät (Philips HR2104) für 5 min zermahlen. Die Proben werden manuell unter Verwendung von Häver & Boecker Sieben (0,5mm bis 0,71 mm) gesiebt. Da insbesondere die Pellets aus den Proben b) und c) keine sehr gute Zersetzbarkeit bzw. Löslichkeit in Wasser zeigen, werden diese dem Mahlverfahren unterzogen. Die Probe, bei der die Pellets gemäß der Probe c) (in Säure gequollen) hergestellt werden, zeigt die größte Beständigkeit gegenüber dem Mahlverfahren. Die meisten der so erhaltenen Partikel sind groß und hart und erinnern an Steine. Die so erhaltenen zermahlenen Pellets, die aus der Probe c) gewonnen werden, werden anschließend einem Löslichkeitstest unterzogen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen gemahlene Pellets unterschiedlicher Größe, die aus der Probe c) gewonnen werden, vor und nach dem Erwärmen auf 50° C unter manuellem Schütteln für 10 Minuten. In dem linken Erlenmeyer-Glas wurden Partikelgrößen der zermahlenen Pellets von < 0,5 mm, in dem mittleren Glas Partikel von 0,5 - 0,71 mm und im rechten Erlenmeyer-Glas Partikel > 0,71 mm verwendet. Wie aus Figur 5 gesehen werden kann, lösen sich die Partikel, die > 0,71 mm sind, nicht ausreichend. Bei Berühren dieser Partikel und Pressen zwischen den Fingern stellt man fest, dass diese ähnlich hart wie Steine sind. Partikel, die < 0,5 mm sind, neigen dazu, an den Wänden des Erlenmeyer-Glases zu kleben. Letzteres ist ein Problem für die exakte Auswertung der enzymatischen Hydrolyse, so dass Enzyme keinen ausreichenden Zugang zu den an den Wänden klebenden Teilchen haben. Deshalb werden für den Fall der Zersetzung der Pellets durch Mahlen im folgenden Beispiel Partikel zwischen 0,5 mm und 0,71 mm für die enzymatische Hydrolyse verwendet.
Beispiel 5: Enzymatische Hydrolyse
Die enzymatische Hydrolyse wird wie folgt durchgeführt: 1 ,5 g der jeweiligen Probe werden in einen 500 ml Erlenmeyer-Kolben gegeben. Dazu werden 40 g entionisiertes Wasser gegeben. Dann werden 2 ml einer sogenannten pen-strep-Mischung (1 ,8 mg Penicillin und 3 mg Streptomycin pro ml) zugegeben. Die Mischung wird mit 1 M H2S04 und 1 M NaOH auf pH 5 gebracht. Dann werden 108 μΙ CTec2 und 12 μΙ HTec2 von Novozymes zugegeben und ein Gesamtgewicht von 60 g eingestellt (Zugabe von entionisiertem Wasser), so dass der Trockengehalt bei 2,5 Gew.-% ist. Die Mischung wird bei 150U/min, 50°C für 72 Stunden in einem Inkubationsschüttler geschüttelt. Dabei wird jede enzymatische Hydrolyse dreifach durchgeführt und für die Auswertung der Mittelwert der Durchführungen verwendet. Es werden nach 0, 24, 48 und 72 Stunden Proben genommen. Der Glucose-, Fructose- und Gesamtzuckergehalt wird jeweils unter Verwendung eines Thermo scienctific, Ultimate 3000 UHPLC+ gemessen (ausgestattet mit einer Bio-Rad Aminex HPX-87H Säule (7.8 χ 300 mm), einem Brechungsindexdetektor und einem UV Detektor bei 210 nm; mobile Phase: 5 mmol/L Schwefelsäure bei 0.6 ml/min; Säulentemperatur: 60°C, Detektoren betrieb bei 55°C; kalibriert für Glucose, Xylose, Mannose, Arabinose, Cellobiose, Lactose, Acetessigsäure und Ethanol). Dafür wird ein 1 ml Probe genommen, für 10 min bei 1300 U/min zentrifugiert, und 500 μΙ des Überstands werden um den Faktor 2 verdünnt und die Lösung durch einen 0.2 μηη PTFE syringe Filter filtriert. Anschließend werden 25 ul Injektionsvolumen in das Gerät gegeben. Die Ausbeute wird aus diesen Ergebnissen errechnet.
Folgende Proben werden der zuvor beschriebenen enzymatischen Hydrolyse unterzogen:
Probe a1 : nach Beispiel 2 erhaltenes Material der Probe a) (unbehandelt - nicht pelletiert)
Probe a2: nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe a) (unbehandelt - pelletiert) Probe a3: nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe a), die einer Mahlbehandlung gemäß Beispiel 4 unterzogen sind (unbehandelt - pelletiert - gemahlen)
Probe b1 : nach Beispiel 2 erhaltenes Material der Probe b) (in Wasser gequollen - nicht pelletiert)
Probe b2: nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe b) (in Wasser gequollen - pelletiert)
Probe b3: nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe b), die einer Mahlbehandlung gemäß Beispiel 4 unterzogen sind (in Wasser gequollen - pelletiert - gemahlen)
Probe c1 : nach Beispiel 2 erhaltenes Material der Probe c) (in Säure gequollen - nicht pelletiert)
Probe c2: nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe c) (in Säure gequollen - pelletiert)
Probe c3: nach Beispiel 3 erhaltene Pellets aus Probe c), die einer Mahlbehandlung gemäß Beispiel 4 unterzogen sind (in Säure gequollen - pelletiert - gemahlen)
Die Materialien der Proben a1 , b1 und c1 sind nach der Wasserdampfexplosionsbe- handlung 4 h in einem Ventilationstrockner bei 60°C getrocknet. Nach dem Trocknen liegt der Wassergehalt im Bereich von 10 Gew.-% bis 15 Gew.-%.
Beobachtungen der Ergebnisse:
Wie aus Figur 6 entnommen werden kann, liegt der Glucosegehalt nach 72 Stunden der enzymatischen Hydrolyse bei allen Proben a1 bis a3, b1 bis b3 und c1 bis c3 in einem Bereich von über 5 g/l. Selbst bei der Probe a2 (unbehandelt - pelletiert - nicht gemahlen) erhält man einen Glucosegehalt von über 6 g/l, das nur unwesentlich unterhalb des Glucosegehalts der Probe b2 (in Wasser gequollen - pelletiert - nicht gemahlen) liegt. Im Gegensatz dazu ist der Glucosegehalt bei Verwendung eines Pellets der Probe c2 (in Säure gequollen - pelletiert - nicht gemahlen) etwas schlechter. Interessant ist allerdings, dass Umsetzungen mit der Probe b3 (in Wasser gequollen - pelletiert - zermahlen) zu einem höheren Glucosegehalt nach 72 Stunden führt als bei den Proben a3 (unbehandelt - pelletiert - zermahlen) und c3 (in Säure gequollen - pelletiert - zermahlen), die ungefähr im gleichen Bereich liegen. Insgesamt kann daraus geschlossen werden, dass zermahlene Pellets, die aus in Wasser gequollener Biomasse hergestellt wurden, die vielversprechendste Variante für den Erhalt eines hohen Glucosegehalts ist. Allerdings zeigen die Ergebnisse auch, dass selbst die nicht zer- mahlenen Pellets, die aus unbehandelter oder in Wasser gequollener Biomasse hergestellt werden, immer noch einen relativ hohen Glucosegehalt ermöglichen, d.h. selbst mit Pellets, die auf einfache Weise ohne großen Wasserverbrauch hergestellt werden können, und für die enzymatische Hydrolyse nicht zermahlen werden müssen, kann somit ein ausreichender Glucosegehalt erzielt werden. Die Einbußen bei der Ausbeute sind gegenüber dem Vorteil hinzunehmen, dass kein Wasser für das Quellverfahren verwendet werden muss und der Schritt des Zermahlens eingespart werden kann.
Ebenso sieht man die Glucose-Ausbeute aus Figur 7 für alle Proben. Erstaunlich ist, dass die Glucose-Ausbeute bei den Proben a3 und a2 höher liegt als bei der Probe a1 , bei der die Biomasse nicht pelletiert wurde. Auch wenn die Glucose-Ausbeute bei den Proben b2 und b3 bzw. c2 und c3 niedriger liegt als bei den Proben b1 und c1 , so liegt insbesondere in den Fällen der Proben b2 und b3, bei denen die Biomasse in Wasser gequollen wurde, die Ausbeute immer noch in einem akzeptablen Bereich.
In Figur 8 kann der Xylosegehalt über den Verlauf der enzymatischen Hydrolyse mit allen Proben gesehen werden. Interessant ist hier, dass der Xylosegehalt bei den Proben c1 - c3 bereits vor Beginn der enzymatischen Hydrolyse einen relativ hohen Wert einnimmt. Im Gegensatz dazu sind die Anfangsgehalte der Xylose bei den Pellets, deren Biomasse nicht in Säure gequollen wurde, wesentlich niedriger, d.h. der Anstieg des Xylosegehalts insgesamt ist also für nicht in Säure gequollene Biomasse wesentlich größer. Auch liegen die Glucosegehalte der nicht in Säure gequollenen Biomasse-Pellets nach 72 Stunden der enzymatischen Hydrolyse in einem ähnlichen Bereich wie für die in Säure gequollene Biomasse-Pellets. Interessant ist, dass Pellets, die nicht zermahlen wurden und deren Biomasse in Wasser gequollen wurde, nach 72 Stunden der enzymatischen Hydrolyse einen sehr hohen Xylosegehalt aufweisen.
Aus Figur 9 ist ersichtlich, dass die pelletierten und nicht zermahlenen Beispiele die höchste Ausbeute zeigen, gefolgt von den pelletierten und nicht zermahlenen und nicht pelletierten Proben. Jedoch ist der Unterschied zwischen den pelletierten und zermahlenen Proben bemerkenswerter als bei den Glucose-Ergebnissen. Das zeigt, dass durch Pelletieren und Zermahlen bei dem Verfahren, bei dem nicht in Flüssigkeit gequollen wird, die Xylose-Ausbeute verbessert wird. Weiterhin kann gesehen werden, dass die drei in Wasser gequollenen Proben eine relativ hohe Xylose-Ausbeute ergeben. Die Umsetzungen mit den Pellets, bei denen die Biomasse in Säure gequollen wurde, zeigen insgesamt niedrigere Xylose-Ausbeuten.
Es kann somit aus den Ergebnissen geschlossen werden, dass Pelletieren im Falle von nicht gequollener Biomasse insgesamt vorteilhaft ist. Aber selbst bei in Wasser gequollener, zu Pellets verarbeiteter Biomasse kann eine hohe Ausbeute erzielt werden.
Figur 10 zeigt die pH-Werte der Lösungen nach der enzymatischen Hydrolyse, die für die nicht in Wasser gequollene und pelletierte Biomasse relativ hohe Werte zeigen. Der ideale pH-Wert bei der enzymatischen Hydrolyse liegt bei pH 5, sodass der relativ hohe pH-Wert bei der nicht in Wasser gequollenen, pelletierten Biomasse wohl den Ausschlag für die hier erhaltenen unerwartet hohen Ausbeuten gibt.
Beispiel 6: Ethanol Fermentation:
Es werden Brühen gemäß dem Beispiel 5 aus den Proben b1 (unpelletiert) und b2 (pelletiert) hergestellt, mit dem einzigen Unterschied gegenüber der Anleitung aus Beispiel 5, dass die Pellets der Probe b2 vor der enzymatischen Hydrolyse in einem Rotationsschüttler 2 h bei 50°C und 250 U/minbehandelt werden. Die nach 72 h erhaltenen Brühen werden jeweils in einer Eppendorf 5010 Zentrifuge bei 3000 U/minfür 20 min zentrifugiert, wobei die flüssige Phase von der festen Biomasse abgetrennt wird. Der Glucosegehalt und der Xylosegehalt werden wie in Beispiel 5 beschrieben bestimmt. Als nächstes werden 30 ml des Überstands in ein 50 ml Glasfläschchen gegeben. Zu dem Medium werden 10 g/l Hefeextrakt (Sigma, SKU Y1625) und 20 g/l Peptone (vegetable, no.1 for microbiology, Sigma, SKU 19942) gegeben, und das notwendige Volumen einer 1 mol/L NaOH-Lösung (erhältlich von VWR) wird zugegeben, bis ein pH-Wert von 5,5 erreicht ist. Die Lösung wird dann in einem Autoklaven (erhältlich von Sanamij B.V.) für 20 min bei 120°C sterilisiert, und anschließend auf 33°C abgekühlt. Dann werden 2 g/l Dr. Oetker Backhefe zugegeben. Der Glasfläschchenver- schluss wird mit einer Nadel durchstochen, damit Proben entnommen werden können und C02-Gas entweichen kann. Es wird bei 33°C für 48 h in einem Binder WTC Inkubator fermentiert und es werden jeweils 1 ml der Probe mit einer 2 ml Spritze bei 18, 24 und 48 h entnommen. Die Probe wird mit einer Haraeus Biofuge Fresco Mikrozentrifu- ge bei 13.000 x g für 10 min zentrifugiert und dann mit einem Whatman Puradisc Spritzenfilter (25 mm Durchmesser, 0,45 μηη PTFE Membran) filtriert. Die Menge des hergestellten Ethanols wird unter Verwendung eines Ethanol Assay Kits (erhältlich von Megazyme) bestimmt. Tabelle 1 :
Wie aus Tabelle 1 gesehen werden kann, sind die Ethanolausbeuten bei beiden Proben b1 und b2 nahezu gleich, wenn man die Standardabweichungen mit in Betracht zieht.
Beispiel 7: Itaconsäure Fermentation:
Es werden Konidiosporen (A. niger) auf Agarplatten aufgetragen, die die folgende Zusammensetzung aufweisen: 16 g/l Agar, 6 g/l NaN03, 0,52 g/l KCl, 1 ,52 g/l KH2P04, 10 g/l Glucose, 0,0022 g/l ZnS04.7H20, 0,001 1 g/l H3B03, 0,0005 g/l MnCI2.4H20, 0,0005 g/l FeS04.7H20, 0,00017 g/l CoCI2.6H20, 0,00016 g/l CuS04.5H20, 0,00015 g/l NaMo04.2H20, 0,005 g/l Na2EDTA und 0,5 g/l Mg2S04. Eine Suspension der Konidiosporen wird unter Verwendung einer physiologischen Salzlösung hergestellt. Eine sterile sogenannte "deepwell" Mikrotiterplatte (2.0 mL, Axygen) wird mit 1 ml der aus Beispiel 5 (Probe b2) erhaltenen Brühe gefüllt. Dazu wird NH4N03 zugegeben, bis die Gesamtkonzentration 1 ,43 g/l beträgt. Ebenso wird KH2P04 in einer Menge zugegeben, dass die Gesamtkonzentration 0,1 1 g/l beträgt. Die Suspension der Konidiosporen wird verwendet, um die Platten anzuimpfen, indem sterilisierte Zahnstocher verwendet werden. Die Mikrotiterplatte wird mit einer atmungsaktiven Folie verschlossen und in einem Schüttelinkubator für Mikrotiterplatten bei 35°C/850 U/minfür bis zu 96 h inkubiert.
Nach der Inkubation wird der Überstand durch eine 0.2 μΜ Filterplatte (Corning Inc.) gefiltert. Der Überstand wird dann durch HPLC unter Verwendung eines WATERS e2695 Separations Module mit einer Aminex HPX-87H Säule (Bio-Rad) und 5 mM H2S04 als Laufmittel analysiert. Die Detektion der Peaks erfolgt zeitgleich mit einem Brechungsindexdetektor (WATERS 2414) und einem sogenannten „Dual-wavelength detector" (WATERS UV/Vis 2489). Die Datenverarbeitung erfolgt mit Empower Pro Software (Empower 2 Software, Copyright 2005-2008, Waters Corporation, Milford, Massachusetts, USA).
Nach 96 h Fermentation weist die Lösung eine Konzentration an Itaconsäure von 1 ,3 g/l auf. Die Figur 1 1 zeigt die Ausgangskonzentrationen der Zucker Glucose, Xylose und Arabinose (0 h) sowie den Verbrauch dieser Zucker nach 24 h und 96 h. Nach 96 h kann keiner der Zucker mehr nachgewiesen werden. Das lässt darauf schließen, dass alle Zucker vollständig fermentiert werden.
Beispiel 8: Verwendung von erfindungsgemäßen Pellets bei der enzymatischen Hydrolyse mit hohem Feststoffgehalt:
Die enzymatische Hydrolyse wird wie folgt durchgeführt: 100 g der Probe a2 werden in einen 1000 ml Erlenmeyer-Kolben gegeben. Dazu werden 400 g des enzymatischen Hydrolysemediums gegeben. Die erhaltene Mischung nimmt ein Volumen von etwa 500 ml ein.
Das verwendete Hydrolysemedium wird folgendermaßen hergestellt: Zu 281 ml entionisiertes Wasser werden 16,5 ml pen-strep-Mischung (1 ,8 mg Penicillin und 3 mg Streptomycin pro ml entionisiertem Wasser) zugegeben. Die Mischung wird mit 0,5 M Zitratpuffer versetzt und hat einen pH 5. Dann werden 8 ml CTec2 von Novozymes zugegeben.
Die Mischung wird bei 150 U/min, 50°C für 80 Stunden in einem Inkubationsschüttler geschüttelt. Dabei wird jede enzymatische Hydrolyse dreifach durchgeführt und für die Auswertung der Mittelwert der Durchführungen verwendet. Es werden nach in Fig. 12 und 13 angezeigten Zeiten Proben genommen. Der Glucose-, Fructose- und Gesamtzuckergehalt und Konzentration werden wie in Beispiel 5 beschrieben bestimmt.
Vergleichsbeispiel 1 : Verwendung von Lignocellulose-Biomasse gemäß Probe a1 bei der enzymatischen Hydrolyse mit hohem Feststoffgehalt:
Die enzymatische Hydrolyse wird wie folgt durchgeführt: 50 g der Probe a1 werden in einen 1000 ml Erlenmeyer-Kolben gegeben. Dazu werden 200 g des enzymatischen Hydrolysemediums gegeben. Die erhaltene Mischung nimmt ein Volumen von mehr als 500 ml ein.
Das verwendete Hydrolysemedium wird folgendermaßen hergestellt: Zu 142 ml entionisiertes Wasser werden 8,25 ml pen-strep-Mischung (1 ,8 mg Penicillin und 3 mg Streptomycin pro ml entionisiertem Wasser) zugegeben. Die Mischung wird mit 0,5 M Zitratpuffer auf pH 5 gebracht. Dann werden 4 ml CTec2 von Novozymes zugegeben.
Die Mischung wird bei 150 U/min, 50°C für 80 Stunden in einem Inkubationsschüttler geschüttelt. Dabei wird jede enzymatische Hydrolyse dreifach durchgeführt und für die Auswertung der Mittelwert der Durchführungen verwendet. Es werden nach in Fig. 12 und 13 angezeigten Zeiten Proben genommen. Der Glucose-, Fructose- und Gesamtzuckergehalt und -ausbeute werden wie in Beispiel 5 beschrieben bestimmt.
Beobachtungen:
Mit den erfindungsgemäßen Pellets kann eine doppelt so große Menge an Lignocellulose-Biomasse bei der enzymatischen Hydrolyse bei einem Gesamtvolumen von 500 ml im Vergleich zu unpelletiertem Material eingesetzt werden. Dennoch ist die enzymatische Zugänglichkeit der Lignocellulose-Biomasse nicht schlechter als im Vergleichsbeispiel 1 . Dies kann an der sogar etwas höheren Zuckerausbeute in Fig. 14 gesehen werden. In anderen Worten kann mit den erfindungsgemäßen Pellets gegenüber unpelletiertem Material ein erheblicher Volumenvorteil mit einhergehender höherer Zuckerkonzentration in der erhaltenen Lösung erzielt werden.
Beispiel 9: Verwendung verschiedener Lignocellulose-Biomasse (pelletiert und nicht pelletiert) bei der enzymatischen Hydrolyse:
Folgende Lignocellulose-Biomasse wurde in Form von Pellets und in nicht-pelletierter Form verwendet:
Probe 91 a: Weizenstroh, entsprechend Probe a2 (unbehandelt - pelletiert). Probe 91 b: Weizenstroh, entsprechend Probe a1 (unbehandelt - nicht pelletiert).
Probe 92a: Miscanthus, analog Probe a2 hergestellt (unbehandelt - pelletiert);
(d.h. Weizenstroh wird durch Miscanthus ersetzt).
Probe 92b: Miscanthus, analog Probe a1 hergestellt (unbehandelt - nicht pelletiert); (d.h. Weizenstroh wird durch Miscanthus ersetzt).
Probe 93a: leere Fruchtbündel (empty fruit bunches), analog Probe b2 hergestellt
(in Wasser gequollen - pelletiert); (d.h. Weizenstroh wird durch leere Fruchtbündel ersetzt).
Probe 93b: leere Fruchtbündel, analog Probe b1 hergestellt (in Wasser gequollen
- nicht pelletiert); (d.h. Weizenstroh wird durch leere Fruchtbündel ersetzt).
Probe 94a: leere Fruchtbündel (empty fruit bunches), analog Probe c2 hergestellt
(in verdünnter Säure gequollen - pelletiert); (d.h. Weizenstroh wird durch leere Fruchtbündel ersetzt).
Probe 94b: leere Fruchtbündel, analog Probe c1 hergestellt (nicht pelletiert - in verdünnter Säure gequollen); (d.h. Weizenstroh wird durch leere
Fruchtbündel ersetzt).
Die enzymatische Hydrolyse wird mit jeder der zuvor angegeben Proben wie folgt durchgeführt: 10 g (Trockenmasse) der Probe werden in 500 ml Erlenmeyer-Kolben gegeben. Dazu werden 90 g des enzymatischen Hydrolysemediums gegeben.
Das verwendete Hydrolysemedium wird folgendermaßen hergestellt: Zu 76.4 g entionisiertes Wasser werden 3.3 ml pen-strep-Mischung (1 ,8 mg Penicillin und 3 mg Strep- tomycin pro ml entionisiertem Wasser) zugegeben. Die Mischung wird mit 9 ml of 0.5 M Zitratpuffer (pH 5) gebracht. Dann werden 1 ml CTec2 von Novozymes zugegeben.
Die Mischung wird bei 250 U/min, 50°C für 72 Stunden in einem Inkubationsschüttler geschüttelt. Dabei wird jede enzymatische Hydrolyse dreifach durchgeführt und für die Auswertung der Mittelwert der Durchführungen verwendet. Es werden nach 0 h, 18 h, 24 h, 48 h und 72 h Proben genommen und der Zuckergehalt und -ausbeute wie in Beispiel 5 beschrieben bestimmt. Ergebnisse:
Die Glucose-Ausbeute, Xylose-Ausbeute und die gesamte Zuckerausbeute kann den Figuren 15a-f, 16a-f, 17a-f und 18a-f entnommen werden. Bei allen Versuchen wird deutlich, dass die Ausbeute bei Verwendung der pelletierten Lignocellulose-Biomasse höher liegt als wenn unpelletierte Lignocellulose-Biomasse verwendet wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Verwendung von Presslingen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von organischen Molekülen mit einer maximalen molaren Masse von 1000 g/mol durch enzymatische Hydrolyse, wobei die Presslinge aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfex- plosionsbehandlung unterzogen ist.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , worin die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen laugenfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Lignocellulose-Biomasse einer im Wesentlichen zusatzstofffreien Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogen ist, wobei organische Säure oder Mineralsäure bei der Wasserdampfex- plosionsbehandlung anwesend sein kann.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin man die Lignocellulose- Biomasse vor der Wasserdampfexplosionsbehandlung in Wasser oder verdünnter Säure quellen lässt oder nicht in einer Flüssigkeit quellen lässt, vorzugsweise in Wasser quellen lässt oder nicht quellen lässt.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Wasserdampfexplo- sionsbehandlung in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt wird.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die der Wasser- dampfexplosionsbehandlung unterzogene Lignocellulose-Biomasse bis zu einem Wassergehalt von 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Lignocellulose-Biomasse einschließlich Wasser, getrocknet und anschließend zu Presslingen gepresst wird.
7. Verwendung nach Anspruch 6, worin die gesamte Feststoff menge der der Wasserdampfexplosionsbehandlung unterzogenen Lignocellulose-Biomasse getrocknet und zu Presslingen gepresst wird.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Herstellung der Presslinge an einem ersten Ort und die Herstellung der organischen Moleküle an einem zweiten Ort stattfinden, wobei die Presslinge mit einem Transportmedium von dem ersten Ort zu dem zweiten Ort gebracht werden.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der enzymatischen Hydrolyse von Cellulose oder Hemicellulose zu monomeren Zuckern umfasst.
10 Verwendung nach Anspruch 9, worin die Herstellung der organischen Monomere den Schritt der katalytischen oder biokatalytischen Umsetzung der monomeren Zucker umfasst.
1 1 . Presslinge, die aus Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die einer im Wesentlichen ammoniakfreien Wasserdampfexplosionsbehandlung bei einem Druck im Bereich von 5 bar (g) bis 20 bar (g) unterzogen ist.
12. Presslinge nach Anspruch 1 1 , die aus einer Lignocellulose-Biomasse herstellbar sind, die Cellulose, Hemicellulose und Lignin enthält, wobei 20 Gew.-% bis 95 Gew.-% der Hemicellulose zu monomeren Zuckern und mindestens 2 Gew.- % der Cellulose zu monomeren Zuckern hydrolysiert sind.
13. Presslinge nach Anspruch 12, worin die Presslinge im Wesentlichen ammoniakfrei, vorzugsweise im Wesentlichen laugenfrei, vorzugsweise im Wesentlichen zusatzstofffrei sind, mit Ausnahme von organischer Säure oder Mineralsäure.
14. Presslinge nach Anspruch 12 oder 13, die eine Schüttdichte im Bereich von 600 kg/m3 bis 1 .200 kg/m3, vorzugsweise 800 kg/m3 bis 1000 kg/m3, aufweisen.
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