NO780351L - Fremgangsmaate for fremstilling av aceton og butanol fra cellulosemateriale - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte til fremstilling av aceton og butanol fra et celluloseholdig materiale.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av aceton og butanol fra et celluloseholdig materiale.

Cellulose eller celluloseholdige stoffer forekommer i naturen i meget stort omfang og anvendes som råmateriale på forskjellige områder innen industrien. Som et middel for ut-nyttelse av disse materialer, er det rapportert forskjellige forslag angående fremstilling av etanol, melkesyre, aceton, butanol og lignende, ved å hydrolysere materialene til glukose, som er en bestanddel i cellulose, og anvende den fremstilte glukose som et råmateriale for fermenteringsproduktene. Til forskjell fra de tilfeller hvor molasse anvendes som råmateriale, har imidlertid den nevnte metode den ulempe at cellulosen eller det celluloseholdige materiale som er utgangssubstratet,

først må hydrolyseres til glukpse, og dermed er det nødvendig med minst to trinn, dvs. hydrolyse og fermentering. Siden" • celluloseholdige materialer er vanskelig å dekomponere, har den oppnådde glukose lav konsentrasjon, hvilket resulterer i en lav konsentrasjon av "^fermenter ingsprodukter. Når konsentra-sjonen av en fremstilt aceton-butanolblanding er lav, blir således spesielt separering og rensing av blandingen vanskelig. Denne to-trinnsmetode er følgelig upraktisk.

Det er nå funnet at større konsentrasjon av en aceton-butanolblanding kan oppnås fra et celluloseholdig materiale ved hjelp av en en-trinnsprosess når det celluloseholdige materiale samtidig innvirkes på av en cellulase og en aceton-butanolproduserende mikroorganisme. Foreliggende oppfinnelse angår derfor en metode hvorved aceton og butanol med fordel kan fremstilles fra et celluloseholdig materiale ved hjelp av en en-trinnsprosess.

"Celluloseholdige materialer" som anvendes som utgangs-materialer i foreliggende oppfinnelse, omfatter cellulose

eller stoffer sammensatt hovedsakelig av cellulose, hvilket omfatter tre, risstrå, risskall, maisstengel, maiskolber og papiravfall, slik som avispapir, korrugert papir, tidsskrift-papir, korte fibre fra papirfabrikker og fiberavfall fra byer og industrier. For at disse stoffer skal kunne anvendes på effektiv måte som substrater, er det ønskelig at de pulveri-seres eller disintegreres.

For forsukring av disse cellulosesubstrater, er det tilstrekkelig å benytte en kommersielt tilgjengelig cellulase, slik som "Cellulase Onozuka". Et væskeformig enzymatisk prepa-rat, slik som et flytende kulturfiltrat eller fast kultur-ekstrakt fra en cellulaseproduserende mikroorganisme, slik som T. viride, kan anvendes. En flytende kultur eller fast kultur

av selve mikroorganismen T. viride, kan også anvendes som en

rå hel kulturblanding uten separering, ekstrahering eller rensing.

Som aceton-butanolproduserende mikroorganisme for samtidig bruk med cellulasen, kan man f.eks. benytte den vel-kjente organisme Clostridium acetobutylicum og Clostridium saccharoacetobutylicum.

For at det celluloseholdige substrat samtidig skal

kunne utsettes for en cellulase og en aceton-butanolproduserende mikroorganisme, fremstilles en vandig suspensjon inneholdende 1-50 vekt-% celluloseholdig materiale, passende mengder av en nitrogenkilde, uorganiske salter og andre næringsstoffer, og steriliseres på konvensjonell måte for å kunne tjene som substrat. En cellulase (eller cellulaseholdig væske) tilsettes til substratet og samtidig tilsettes en aceton-butanolproduserende mikroorganisme som er dyrket på forhånd, slik at fermenteringen vil forløpe.

Temperatur- og pH-betingelser avhenger av mikroorganismen og den cellulasetype som anvendes, men det er generelt ønskelig å ha optimale forhold i området 30-55°C og pH 4-6. Fermenteringstidene er også forskjellige avhengig av .typen av celluloseholdig materiale, aceton-butanolproduserende mikroorganisme og cellulaseaktivitet, men den ønskede mengde aceton-butanol produseres vanligvis iløpet av 48 timer.

Som det fremgår fra nedenstående eksempel, representerer foreliggen.de oppfinnelse ikke bare en forenkling av produksjonen, men også en reduksjon av glukoseinhiberingen av cellulasereak-sjonen, samt av den aceton-butanolproduserende mikroorganisme, sammenlignet med den konvensjonelle metode som består av en to-trinnsprosess, dvs. forsukring og fermentering, fordi i foreliggende oppfinnelse holdes sukkerkonsentrasjonen i mediet lav gjennom hele fermenteringsprosessen. Som et resultat får man en betydelig utbytteøkning av aceton-butanol fra cellulosen.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebragt en fremgangsmåte for økonomisk og fordelaktig fremstilling i et trinn av aceton og butanol fra et celluloseholdig materiale.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives under hen-visning .til foretrukne utførelser.

Eksempel

Fremstillin2_av_kimkultur

Clostridium acetobutylicum, IFO 3854, aceton-butanolproduserende mikroorganisme, ble inokkulert i 10 ml av et sterilisert medium bestående av nedenstående komponenter og dyrket anaerobt ved 37°C i 3 dager.

Mediumsammensetning:

Av et medium bestående av de ovenfor angitte komponenter, ble 50 ml anbragt i en 100 ml<1>s kolbe og 5 ml av ovennevnte kulturoppløsning ble tilsatt til dette medium for anaerob dyrkning ved 37°C i 3 dager. Dette ble gjort til en kimkultur.

( 1) Medium A

Et medium med samme sammensetning som ovenfor med unntagelse av 60 g glukose isteden for 20 g.

( 2) Medium B

Et medium med samme sammensetning som angitt ovenfor, med unntagelse av 100 g cellulosepulver (under 100 mesh) isteden for glukose.

Cellulase og dens aktivitet

Kommersielt tilgjengelig cellulase ble utsaltet med ammoniumsulfat og avsaltet, og deretter liofilisert.for opp-nåelse av en ren cellulase.

Ett gram av denne cellulase ble oppløst i 100 ml vann med pH regulert til 4,5 og 10 g cellulosepulver (under 100 mesh) ble tilsatt. Deretter ble forsukring utført ved 45°C i 48 timer. Når forsukringen var ferdig, ble reaksjonsoppløsningen analysert ved væskekromatografi og 3,2 g glukose ble funnet. Denne cellulase hadde,med andre ord, den ovenfor nevnte aktivitet.

Fermenteringsprosess

Ett gram av den ovenfor angitte cellulase og 5 ml av kimkulturen fremstilt på angitt måte, ble tilsatt til 100 ml av godt omrørt medium B. Blandingen ble innstilt til pH 6,5 og fikk deretter fermenteres anaerobt ved 37°C i 48 timer, mens pH-verdien ble regulert slik at den ikke falt under 4,5. Sammenligningseksempel

(1) Det ovenfor angitte medium B ble omrørt grundig og til 100 ml av dette medium ble det tilsatt 3 g av nevnte cellulase. Blandingen ble regulert til pH 4,5 og fikk forsukres ved 45°C i 48 timer. Når den resulterende sukkeroppløsning ble analysert, fant man at 6,3 g glukose var fremstilt. Sukker-oppløsningen (glukoseinnhold 6,3 g) ble varmesterilisert og 5 ml av kimkulturen fremstilt som tidligere beskrevet, ble tilsatt. Deretter ble en aceton-butanolfermentering utført anaerobt ved 3 7°C i 48 timer. (2) 5 ml av kimkulturen fremstilt som angitt ovenfor, ble inokkulert i 100 ml av nevnte medium A som hadde blitt varmesterilisert. Blandingen ble regulert til pH 6,5 og fikk reagere anaerobt ved 37°C i 48 timer under regulering av pH-verdien, slik at den ikke falt under 4,5. De oppnådde resul-tater er angitt i nedenstående tabell. Produktene ble analysert ved gasskromatografi.

Som det fremgår fra tabellen, oppnår man med foreliggende fremgangsmåte 1,4 ganger så mye aceton og butanol som det oppnås ved den konvensjonelle metode hvorved cellulose på forhånd hydrolysres til glukose for anvendelse som substrat (eksempel 1) eller glukose anvendes i seg selv som substrat (eksempel 2). Foreliggende oppfinnelse har følgelig den fordel at aceton og butanol fremstilles ved hjelp av en enkel en-trinnsprosess, at utbyttene av de ønskede produkter er sterkt forbedret og at forbruket av cellulase er mindre sammenlignet med de konvensjonelle metoder.

Claims (2)

1. En-trinnsfremgangsmåte til fremstilling av aceton og butanol fra et celluloseholdig materiale, karakterisert ved at det celluloseholdige materiale, en cellulase og en aceton-butanolproduserende mikroorganisme, får reagere samtidig, slik at det celluloseholdige materiale forsukres og fermenteres til aceton og butanol.

2. Fremgangsmåte til fremstilling av aceton og butanol fra et celluloseholdig materiale hvorved det oppnås et utbytte som er større enn forventet, karakterisert ved at man i en reaksjonsbeholder kombinerer det celluloseholdige materiale med en cellulase og en aceton-butanolproduserende mikroorganisme, lar reaksjonen forløpe, og innvinner aceton og butanol.