HU202938B - Method for yielding cellulose from materials of lignine content - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás lignintartalmú anyagokból lignin átalakítására és/vagy eltávolítására.

A cellulóz vagy cellulózszerű anyagok előállításához a lignocellulóz-tartalmú anyagoknak, így például fának vagy egynyári növényeknek lignin-mentesnek kell lenni, annak érdekében, hogy a cellulózból előállított papír mechanikai és fizikai-kémiai tulajdonságai jelentős mértékben jobbak legyenek. Az ismer eljárások nagy nyomáson és magas hőmérsékleten dolgoznak, a környezetet szennyező vegyi anyagok jelenlétében.

Az ismert biológiai eljárások szerint a cellulóz anyagok előállítását mikroorganizmusok, különösen gombák segítségével végzik. így például a DE(PS) 3 110 117 számú szabadalmi leírásban olyan eljárást ismertetnek cellulóz előállítására, amelynél fából vagy más növényi szálasanyagból kiindulva a lignocellulóz lebontását szőlő szárrothadását előidéző gomba segítségével végzik. A mikroorganizmusokat alkalmazó eljárásoknak is van azonban hátrányuk. Eddig nem sikerült még elérni az alkalmazott mikroorganizmus egyidejű szaporodása nélkül, hogy a lignin az őt kísérő polimertől (cellulóz) lebontható vagy kioldható legyen. A mikroorganizmus egyidejű szaporodásával igen hosszú a lebomlási idő, amely több hétig is eltarthat.

A mikroorganizmusokkal kapcsolatos nehézségek miatt az utóbbi időben fokozott érdeklődéssel kísérik az izolált enzimek felhasználhatóságával kapcsolatos kísérleteket. Különösen sokat vizsgálják a Phanerochaete chrysosporium (szőlő szárrothadás) gomba enzimjével végzett kísérleteket.

így például ismert (1. Biotechnology in the Pulp and Paper Industry, 3. International Conference, Stockholm 1986), hogy a ligninlebontási reakciónál, megfelelő enzimrendszer alkalmazása nélkül a reakció egyensúlya a kiindulási oldalon (polimerizációs oldalon) van. Ismert továbbá az is, hogy a veratril-alkohol a Phanerochaete chrysosporium gombák jelenlétében végzett in vivő lignin lebomlási reakciót katalizálni képes [Abstract Bulletin of the Institute of Paper Chemistry, 57. kötet, 7. szám, 1987. január, (Appleton, Wisconsin, USA); P.J. Harvey és mtsai: „Lignin-degrading enzymes and the role of radical cations in lignin biodegradation, 958, összefoglalás: 8575, &

STFI/SPCI Int. Conf. Biotechnoi. Pulp & Paper Ind. (Stockholm) 3.: 11-12 (1986. június 16-19). Ismert az is, hogy a zsírsavak a Phamerochaete chrysosporium működését befolyásolni képesek, Asther és munkatársai pl. a Tween 80 jelenlétében Phanerochaete chrysosporium hatására végbemenő lignináz-képződést vizsgálták (Abstract Bulletin of the Institute of Paper Chemistry, 57. kötet, 7. szám, 1987. január (Appleton, Wisconsin, USA); M. Asther és mtársai: „Production of ligninolytic enzymes of Phanerochaete chrysosporium INA-12 in submerged agitatend cultures” 956157 oldal, összefoglalás: 8558, & STFI/SPCI Int. Conf. Biotechnoi. Pulp & Paper Ind. (Stockholm) 3.: 152-153 (1986. június 16-19). Huynh és mtsai mangánvegyületek hatását vizsgálták a ligninlebontás so2 rán és megállapították, hogy a Phanerochaete chrysosporium egy peroxidázt tartalmaz, amely a mangán (II) vegyületeket mangán (ΠΙ) vegyületekké oxidálja, amely azután a ligninmolekulákat oxidálja, azaz megállapították, hogy a peroxidáznak jelentős szerepe van a lignin-lebomlásnál (Abstract Bulletin of the Institute of Paper Chemistry, 57. kötet, 1987. január (Appleton, Wisconsin, USA); V-B. Huynh és mtsai: „Oxidation of lignin model compounds by a manganese-dependent enzyme from Phanerochaete chrysosporium as compared to chemically generated Μη(ΙΠ)”, 959 oldal, összefoglalás: 8578, & STFI/SPCI Int. Conf. Biotechnol. Pulp & Paper Ind. (Stockholm), 3.: 42-45 (1986, június 16-19). Paszczgnski A. és mtsai vizsgálatai szerint a Phanerochaete chrysosporiumból nyert Mn-függő peroxidázok működése redukálószerek adagolásával gátolható. A ditionit ugyanakkor aktivátorként hat (Paszczgnski A. és mtsai: Comparision of Ligninase-1 and Peroxidase-Mz from the White-Rot Fungus Phanerochaete chrysosporium, Arch. Biochem. Biophys. 244. kötet, 2. szám).

A találmányunk célja eljárás kidolgozása lignocellulóz-tartalmú anyagokból a lignin eltávolítására és/vagy átalakítására, amely eljárással a mikroorganizmusok, enzimek és vegyi anyagok alkalmazásával járó ismert nehézségek kiküszöbölhetők.

Ezek alapján találmányunk tárgya eljárás lignocellulóz-tartalmú anyagokból lignin vagy bomlástermékei eltávolítására és/vagy átalakítására Phanerochaete chrysosporiumból (ATCC 34541) nyert lignolitikus enzim alkalmazásával oly módon, hogy

a) a lignintartalmú anyag vizes oldatának redoxpotenciálját oxidálószerként hidrogén-peroxid, redukálószerként aszkorbinsav és fenolos vegyületként veratil-alkohol adagolásával 200-400 mV közötti értékre beállítjuk,

b) a rendszerhez lignolitikus enzimet és egyidejűleg ismert módon fehérítőszert adagolunk,

c) a reakciót 200-400 mV közötti konstans potenciálon, 20-60 ’C közötti konstans hőmérsékleten, 2-5 közötti konstans pH értéken 2-6 órán át fenttartjuk, szükség szerint hidrogén-peroxid, aszkorbinsav és veratil-alkohol adagolásával, a redoxpotenciál állandó ellenőrzése mellett, majd

d) a reakciókeverékből az enzimet ismert módon elválasztjuk, tisztítjuk és a reakciórendszerbe visszavezetjük.

A találmány szerinti eljárásnál enzimként például lignolitikus enzimeket, előnyösen például fenoloxidázokat, laktázokat vagy peroxidázokat alkalmazunk. A találmány szerinti eljárás hatásosságát például pektinázok és/vagy hemicellulázok adagolásával növelhetjük. Előnyösen Phanerochaete chrysosporium gombából nyert enzimet alkalmazunk, adott esetben magát a Phanerochaete chrysosporium-ot is alkalmazhatjuk a lebomlási reakcióhoz (4 687 741 lszámú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás).

A találmány szerinti eljárásnál a pH 2 és 5 közötti érték, előnyösen 3, a hőmérséklet előnyösen 20 ’C és 60 ’C közötti érték, előnyösen 40 ’C.

-2HU 202938 Β

Amennyiben a fenti reakciókörülményeket betartjuk, a redoxpotenciál értéke 250-350 mV közé beállítható és a találmány szerinti eljárással például a búzaszalma lignintartalma (kb. 18%) 0%-ra csökkenthető. A fenyőfa-por lignintartalma, amely kb. 28-30%, szintén hasonló értékre csökkenthető. Ez a reakció 2-6 óra alatt, de sok esetben 2 órán belül végbemegy. Ebbe nincs beleszámítva a kiindulási anyag fizikai-kémiaia előkezelése, amelyre különösen fa és egynyári növények esetében van szükség.

A redoxpotenciál értékét az adalékanyagok megfelelő arányban való adagolásával magában reakcióedényben állítjuk be, és a megfelelő méréssel és a fenti oxidáló-, redukálóanyagok, és fenol-vegyületek adagolásával a meghatározott értéket a reakció teljes ideje alatt fenntartjuk. Az ily módon beállított redox-rendszer célja, hogy a lignin repolimerizációját megakadályozza.

A találmány szerinti biológiai lebomlási elvvel sikerült először olyan lignin-eltávolítási eljárást biztosítani, mely igen rövid idő alatt (2-6 óra), fiziológiás hőmérsékleten (40 ’C), nyomás nélkül, csekély menynyiségű vegyi anyag alkalmazásával, gazdaságosan és környezetszennyezés nélkül végzi a lignin lebontását. Az eljárás másik nagy előnye, hogy a cellulóz, illetve cellulózszerű anyagok nagy kitermeléssel nyerhetők. Egynyári növények esetében a kitermelés kb. 80% és fa esetében kb. 70%, az előkezelés utáni száraztömegre számolva.

A találmány szerinti eljárás során a lebomlási és/vagy átalakítási reakció során egy jelentős fehérítő hatás is fellép, amely lehetővé teszi, hogy kevesebb környezetet károsító fehérítőanyag kerüljön felhasználásra. Fehérítőanyagként ismert anyagokat előnyösen Na-hipokloridot alkalmazunk. A találmány szerinti eljárás ily módon fehérítő- vagy utófehérítő eljárásként is alkalmazható különböző folyamatok esetében. így például alkalmazható a cellulózipar szennyvizeinek biológiai fehérítésére és/vagy biológiai kezelésére. Különösen előnyösen alkalmazható az eljárás olyan helyeken, ahol a szennyvizek színtelenítésére vagy méregtelenítésére van szükség.

A találmány szerinti eljárás másik nagy előnye, hogy folyamatos üzemmódban is alkalmazható. Különösen gazdaságosan járuk el, ha a felhasznált enzimet ismételten a reakciórendszerbe visszavezetjük. Ezt affinitásos kromatográfia segítségével végezhetjük és úgy járunk el, hogy a reakció végbemenetele után az enzimet egy elválasztó oszlopra vezetjük, ott affinitásos kromatográfiával tisztítjuk, majd a nyert tisztított enzimet a reakciófolyamatba visszavezetjük.

A találmány szerinti eljárást egy olyan berendezéssel végezzük, amely egy reaktorból, egy a mikroorganizmusok vagy enzimek adagolására alkalmas készülékből, egy, az oxidálószerek, redukálószerek, fenolos vegyületek adagolására alkalmas szerkezetből, az átalakult nyersanyag elvezetésére alkalmas levezetőből, az elhasználódott oxidálószer, redukálószer, fenolos vegyület, enzimek, mikroorganizmusok elvezetésére alkalmas levezetőből, az oldott és feloldatlan anyagok elválasztására alkalmas szerkezetből, affinitásos kromatografáló oszlopból, amelynek segítségével a ligninlebomláshoz alkalmazott enzimek «generálhatók, valamint az így regenerált enzimek visszavezetésére alkalmas szerkezetből áll. Az oldott és feloldatlan anyagok elválasztására például szűrőket vagy betöményítő készülékeket alkalmazunk.

A következőkben az ábra jelöléseire való hivatkozással a berendezést közelebbről ismertetjük. A 7 bevezetőn keresztül adagoljuk az enzimeket vagy mikroorganizmusokat a 1 reaktorba. Az enzimek vagy mikroorganizmusok adott esetben immobilizáltak is lehetnek. Az immobilizáláshoz általánosan ismert töltő vagy hordozóanyagokat alkalmazhatunk. A 4 bevezetőn át adagoljuk az oxidáló- vagy redukálószereket és a fenolos vegyületeket. Az adagolás mértékét a mindenkori redoxpotenciál értéknek megfelelően szabályozzuk. Erre a célra a 1 reaktor egy redoxelektróddal van felszerelve (az ábrán nem látható), amelynek segítségével a redoxpotenciál értéke meghatározható és állandó értéken tartható a reakció lefutása alatt szükséges adalékanyagokat egy szabályozó berendezés segítségével adagoljuk. A 7 bevezetőn keresztül adagoljuk a nyersanyagot is. Nyersanyagként bármely ismert lignintartalmú nyersanyag felhasználható, előnyösen kémiailag és/vagy fizikailag előkezelt szalmát vagy fát alkalmazunk, de lignintartalmú szennylúgok vagy szennyvizek is beadagolhatók. A 1 reaktorban a lignint lignolitikus enzimek vagy mikroorganizmusok segítségével bontjuk le. Enzimként előnyösen Phanerochaete chrysosporium gombából származó enzimet alkalmazunk. Mikroorganizmusként különösen celluláz- és hemicelluláz-mentes mutánsok alkalmazhatók, elő-nyösen a Phanerocheate chrysosporium mutánsát alkalmazzuk. A lignin lebomlásának befejeződése után az átalakulatlan nyersanyagot a fel nem használt kemikáliákkal, mikroorganizmusokkal és enzimekkel együtt a 8 lefolyón át eresztjük le. Az anyagkeveréket a 3 szűrőre vezetjük, ahol az oldott és fel nem oldott anyagokat egymástól elválasztjuk. Az enzimtartalmú anyagokat az 2 affinitásos kromatografáló oszlopra vezetjük, amelyen az enzimet tisztítással ismételt felhasználásra alkalmassá tesszük, majd az 5 vezetéken keresztül a 1 reaktorba visszavezetjük. Az enzimtől elválasztott anyagot a 6 vezetékbe juttatjuk. Az affinitásos kromatográfiához enzimspecifikus ligandumokat, így például fenolos vegyületeket vagy proteinspecifikus vegyületeket, így például tannint alkalmazunk.

A találmányt közelebbről a következő példával illusztráljuk.

1. példa g, 110 ’C hőmérsékleten szárított, 10-20 mm, hosszra darabolt szalmát 400 ml 2%-os nátrium-hidroxidban 24 órán át kezelünk, majd szűrjük és 1200ml forró vízzel átmossuk, leszivatjuk, Jokru malomba adagoljuk és még 250 ml vizet hozzáadunk és 150 fordulat/perc mellett 10 percig őröljük. Ezután 1 g száraz szalmára számolva 90 ml vizet adagolunk és állandó keverés közben 0,2 mólos sósavval a pH-értékét 3-ra

HU 202 938 Β beállítjuk. A pH-érték elérése után a térfogatot vízzel 100 ml-re kiegészítjük, majd 49 ml vízből és 4 ml H2C>2-ből álló oldatból 60 μΐ-t adagolunk hozzá. Redukálószerként ekvimoláris mennyiségű aszkorbinsavat alkalmazunk. Fehérítőszerként ismert módon Na-hipokloritot alkalmazunk. A reakciót a peroxidáz enzim adagolásával megindítjuk (Phanerochaete chiysosporium-ból nyerve, 7000 U, 1U-1 pmól veratril-alkohol veratril-aldehiddé alakulása 1 perc alatt és 40 °C hőmérsékleten 350 mV redoxpotenciálon. 2 óra múlva a lignin mennyiségének 33%-a lebomlott. A reakció befejeztével az enzimeket ismert módon affinitásos kromatográfiával elválasztjuk és tisztítjuk, majd a reaktorba visszavezetjük.

Claims (5)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás cellulóz kinyerésére lignintartalmú anyagokból Phanerochaete chrysosporiumból nyert lignolitikus enzim és veratril-alkohol alkalmazásával, azzal jellemezve, hogy

   a) a lignintartalmú anyag vizes oldatának redoxpotenciálját oxidálószerként hidrogén-peroxid, redukálószerként aszkorbinsav és fenolos vegyületként veratril-alkoholok adagolásával 200-400 mV közötti értékre beállítjuk,

   b) a rendszerhez lignolitikus enzimet és egyidejűleg ismert módon fehérítőszert adagolunk,

   c) a reakciót 200-400 mV közötti konstans potenciálon, 20-60 °C közötti konstans hőmérsékleten, 2-4 közötti konstans pH értéket 2-6 órán át fenntartjuk, szükség szerint hidrogén-peroxid, aszkorbinsav és veratril-alkohol adagolásával, a redoxipotenciál állandó ellenőrzése mellett, majd

   d) adott esetben a reakciókeverékből az enzimet ismert módon elválasztjuk, tisztítjuk és a reakciórendszerbe visszavezetjük.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az enzim elválasztását és tisztítását affinitásos kromatográfiával végezzük.
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az affinitásos kromatográfiánál enzimspecifikus ligandumot, előnyösen fenolos vegyületeket alkalmazunk.
4. 4. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az affinitásos kromatográfiánál proteinspecifikus ligandumot, előnyösen tannint alkalmazunk,
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fehérítőszerként ismert fehérítőszereket, előnyösen nátrium-hipokloridot alkalmazunk.