SE439931B - Forfarande for att erhalla glukos ur cellulosahaltigt material innehallande hemicellulosa och lignin - Google Patents

Description

1Ü 40 7901398-2 2 av syror eller enzymer, men dylika försök har inte varit fullständigt framgångsrika, åtminstone inte med att ta fram en ekonomiskt attraktiv metod som ger ett tillfredsställande högt utbyte av glukos ur cellulosahaltiga material.

Föreliggande uppfinning anger ett förfarande för att erhålla glukos ur cellulosahaltiga material innehållande hemicellulosa och lignin, varvid hemicellulosa avlägsnas från det cellulosahaltiga materialet, den cellulosa som innehålles i det cellulosahaltiga materialet upplöses i ett lösningsmedel vid rumsbetingelser, varvid lösningsmedlet utgör en blandning av etylendiamin, kadmiumoxid och vatten, varvid den upplösta cellulosan återutfälles och att den återutfâllda cellulosan hydrolyseras med hjälp av ett cellulasenzym vid ett pH-värde av ca 5 för att ge glukos. Processen kan också innefatta hydrolysering av cellulosahaltiga material, upplösta i ett lösningsmedel, för att producera glukos, varefter lignin separeras av från glukosen.

Enligt vad som sagts ovan, bildar cellulosamolekyler högt ordnade kristallina strukturer. Dessutom bildar det lignin som finns i mellanskíkten i cellulosahaltiga material, en fysikalisk tätning som omger cellulosafibrerna i sådana material.

I ett utförande av processen enligt föreliggande uppfinning, utnyttjas selektiv lösningsmedelsextraktion för att fraktionera fram hemicellulosa, cellulosa och lignin , (de tre huvudkomponenterna av allt cellulosahaltigt material). Denna fraktionering är nödvändig då man har funnit att efter det att cellulosan gått i lösning, är den inte längre skyddad av den kristallina strukturen eller av lignintätningarna, och cellulosan kan därefter lätt fällas ut. Den utvunna cellulosan kan sedan utnyttjas på ett antal sätt, som t.ex. i form av "syntetisk bomull" eller "nytt papper", och har funnits speciellt användbar när cellulosan hydrolyseras för att ge ett högt utbyte av glukos.

Ett exempel på utförandet av vår process för utvinning av cellulosa ur cellulosahaltiga material, jämte användningen av densamma, inklusive utnyttjning genom hydrolysering för att producera glukos ur cellulosa följer nedan. I detta utförandet av vår process, extraheras först det cellulosahaltiga materialet, efter det att det fysikaliskt reduceras till en lämplig storlek, om så är nödvändigt eller önskvärt, med en utspädd syra eller alkali för att avlägsna hemicellulosan. Återstoden efter det att hemicellulosan avlägsnats innehåller cellulosa och lignin. Äterstoden upplöses därefter i ett lämpligt lösningsmedel. Det finns ett antal lösningsmedel rapporterade inom litteraturen som är kapabla att lösa upp cellulosa.

Efter undersökning av ett antal av dessa, befanns ett lösningsmedel känt som Cadoxen ge bäst resultat. Cadoxen uppges först av Jayme och Neuschaffer (se Jayme, G. och _ Neuschaffer, K., 1957, Die Naturwissenschafter, 44 (3), och Jayme, G. och Neuschaffer, K., 1957, Die Makromolekulare Chemie, 28:71-83). Cadoxen utgöres av -30 % etylendiamin och 70-75 % vatten och dessutom ca 4,5-7 % kadmium (tillsatt i form av oxid eller hydroxid). Cadoxen har goda lösningsegenskaper, är en klar, färglös, nästan luktfri vätska, är stabil under en, så gott som, obegränsad tid, l5 40 7901898-2 orsakar liten nedbrytning av cellulosan och är relativt enkel att framställa.

Det faktum att vatten utgör en del av Cadoxen är av stor betydelse. De flesta cellulosahaltiga rester innehåller vattenånga. Cadoxen kräver ingen förtorkning av resterna, under upplösning av cellulosa, varvid en annars mycket dyrbar operation kan undvikas.

Cirka l0 g cellulosa upplösæs i l00 g Cadoxen, i syfte att ge exempel pà effekten därav. Genom filtrering eller centrifugering, kan lignin, som inte löses, separera; bort.

Den återstående cellulosa-Cadoxenlösningen processas vidare för utvinning av cellulosa, t.ex. genom någon av följande behandlingar: a) Cellulosa-Cadoxenlösningen kan spinnas genom ett munstycke till en lämplig vätska för att återutvinna cellulosan i form av långa trådar. Detta kan vara en källa till "syntetisk bomull". b) Cellulosa-Cadoxenlösningen kan spridas i en lämplig vätska för att âterut- vinna cellulosan i form av ark. Sådana ark bör ha många användningsområden. Äterut- vunnen cellulosa omkristalliserar, vilket reducerar genomskinligheten. Efter tillsats av fyll- och täckmaterial, kan en ny typ av papper erhållas. c) Cellulosa~Cadoxenlösningen kan spinnas genom ett munstycke till en lämplig vätska, för att âterutvinna cellulosan i form av långa fibrer. Detta kan vara grunden för en “koknings"-process, som är väsentlig för avlägsnandet av lignin och hemi- cellulosa från trähaltiga material. Den äterutvunna cellulosafibern kan göras till papper liksom den utsprungliga massan.

Cellulosa~Cadoxenlösningen är fysikaliskt stabil men denna stabilitet kräver, till synes, en noggrann balans mellan cellulosa, vatten, etylendiamin och kadmium.

Det exakta balansförhâllandet är inte känt i detalj, men om t.ex. överskott av vatten användes, âterutfälles cellulosan ur lösningen. Cadoxen har högt pH-värde och vid tillsats av en syra, âterutfaller också cellulosan ur lösningen. Den äterutfällda cellulosan, liksom andra linjära polymerer, kan omkristallisera spontant. Den äter- utfallda cellulosan kan därefter lätt hydrolyseras för att ge ett högt utbyte av glukos, genom antingen en syra eller cellulosaenzym. T.ex., genom tillsats av en syra till en cellulosa-Cadoxenlösning för att dra ner dæsçuhvärde till omkring 5 (varvid cellulosan âterutfälles), följt av tillsats av Tricodermavviíjdefcellulas- lösning, hydrolyseras den âterutfällda cellulosan till glukos. Tydligen inaktiveras inte enzymet av etylendiamin och kadmiumsaltet i lösningen.

För att förbättra processens ekonomi, mäste Cadoxen återvinnas och återanvändas.

Genom olika recirkuleringstekniker, kan processen vidare indelas efter ett flertal alternativ, vilka beskrives nedan. a) Tillsats av vatten för utfällning av cellulosan ur en cellulosa-Cadoxenlösning.

Separering av cellulosan genom filtrering eller centrifugering. Cellulosan hydro- lyseras därefter till glukos med hjälp av syror eller enzymer, eller båda. Till l?9o1a9a~2 lösningen kan sättas C02 för utfällning av kadmiumkarbonat, vilket i sin tur kan omvandlas till kadmiumoxid för återanvändning. Den amin som finns kvar i vatten- lösningen kan återvinnas med hjälp av standardmetoder som destillering eller extrak- tion. b) Tillsats av C02, direkt till cellulosa-Cadoxenlösningen, varvid både cellulosa och kadmiumkarbonat faller ut. Efter separering från vätskan, vilken innehåller etylen- diamin, somkan återvinnas enligt a), kan blandningen av de tvâ fasta fällningarna behandlas med cellulas för att hydrolysera och lösa upp cellulosan, för att pro- ducera glukos. Den fällning av kadmiumkarbonat som återstår kan omvandlas till kadmiumoxid för återanvändning. c) Tillsats av ett lösningsmedel, icke blandbart med vatten, för att extrahera etylendiamin för recirkulering, varvid cellulosan faller ut. Således kan vi i ett steg separera blandningen till att utgöras av tre fraktioner: amin i ett organiskt skikt, kadmium i ett vattenskikt och cellulosa som en fällning. De tre fraktionerna bearbetas separat. d) Den återutfällda cellulosan kan hydrolyseras till glukos genom antingen en syra-enzym-tvâstegsprocess eller en all-enzymprocess. En syra eller ett cellulas- enzym (troligtvis ett endo-l, 4-beta-glukanas, men cellulasmekanismerna är fort- farande föremål för betydande kontroverser) kan "lösa" cellulosan genom bildning av cellodextriner . För att fullfölja hydrolysen till glukos, användes därefter antingen fritt eller immobiliserat cellulas. e) Cellulosa som återutfällts från Cadoxen har visat sig spontant bilda droppar om den låtes stå i lösningen ett antal dagar. Sådana droppar kan möjligen vara ett stöd för enzymimmobilisering.

I ett ytterligare utförande av processen enligt vår uppfinning, löses cellulosan upp och återutfälles "på plats" och avlägsnas därför aldrig, rent fysikaliskt, från ligninet. Processen kan tänkas föredragas där separation av cellulosan inte är önskvärd.

I denna processen, hydrolyseras cellulosan till glukos och det lignin, i fast form, som återstår filtreras bort från den erhållna glukoslösningen. Detta sättet har funnits enklare, än att separera bort ligninet från cellulosan och därefter hydrolysera cellulosan. Enzym kan användas för att hydrolysera cellulosan och det anses att sur hydrolys också kan utnyttjas.

För denna processen utnyttjas följande steg: l. Behandling av cellulosahaltigt material för att avlägsna hemicellulosa (denna behandling kan vara samma, som den som beskrivits ovan med hänvisning till det först diskuterade utförandet), 2. Upplösning av cellulosamaterialet i ett lösningsmedel (återigen, kan detta steget vara identiskt med det som beskrivits ovan med hänvisning till det först diskuterade utförandet), 3. Tillsats av vatten, syra eller någon annan vätska som t.ex. metanol för att l0 40 79Û1898~2 återutfälla cellulosan, 4. Hydrolys med hjälp av enzym eller syra för att producera glukos, med vatten- olösligt lignin som enda rest, och . Separation av lignin från glukossirapen genom filtrering.

Nedan ges ett antal icke-begränsande exempel pâ vår process.

EXEMPEL l Förbehandling och hydrolys av cellulosa. a) Beredning av lösningsmedlet (Cadoxen): Etylendiamin, 25 till 30% i vatten, mättades genom tillsats av ett överskott av Kadmiumoxid, vilken tidigare ugnstorkats.Kadmiumoxid, vilken inte löses upp, bildade en hydroxid i form av en vit fällning, Fällningen filtrerades eller centri- fugerades av. Proceduren med tillsats av kadmiumoxid och bortseparering av hydroxiden utfördes tvâ gånger för att försäkra att en lösning mättad med kadmiumoxid erhölls.

På detta sätt erhölls en vattenlösning med 25 till 30% etylendiamin och 4,5 till T kadmium. Pâ grund av dess kadmium och etylendiamininnehâll, benämnes lösningen all- mänt Cadoxen. b) Upplösning av OL-cellulosa l) 0,l g kristallin 06-cellulosa (Avicell) tillsattes l0 ml av lösningsmedlet, som beretts enligt a), och blandades med detta. Upplösningen av cellulosan var full- ständig inom l0 min vid rumsförhällanden. 2) Upplösningsförsöken upprepades med 0,1 g, 0,2 g, 0,3 g, 0,4 g och 0,5 g kristallin CL-cellulosa (Avicell), vardera i l0 ml lösningsmedel, via ett förfarande där cellulosan blandades med lösningsmedlet vid rumsförhällanden, varefter bland- ningen kyldes genom att den placerades på is. De tider som erfordrades för att full- ständig upplösning skulle ske är uppställda i Tabell l.

TABELL l t Avicell Upplösningstid i lösningsmedlet l 2 minuter 2 2 minuter 3 7 minuter 4 9 minuter 15 minuter 3) Upplösningsförsöken, utförda enligt ovan, upprepades. Men i detta fallet, upplöstes amorf cellulosa istället för kristallin cellulosa. Med användande av samma mängder cellulosa och sanma förfarande som i (2), observerades de upplösnings- tider som är uppställda i Tabell 2. l0 40 7901898-"2 TABELL 2 % cellulosa Upplösningstid ilömñmaæüet minuter 2 2 minuter 7 minuter 9 minuter UW-P-UOND-l minuter 4) Lösningar innehållande större mängd cellulosa tillreddes genom modifiering av lösningsmedlets sammansättning och genom ändring av upplösningsproceduren. Natrium- hydroxid tillsattes lösningsmedlet i (a) för att ge en 0,5 M lösning med avseende på natriumhydroxid. Till 1 ml av det modifierade lösningsmedlet sattes 300 mg Avicell, följt av tillsats av ett överskott av Cd0. Lösningen blandades varpå en nästan klar; mycket viskös lösning erhölls, med en cellulosakoncentration av omkring %. c) Beredning av enzym. 1) Cellulasenzym från "the Enzyme Development Corporation, New York", behandlades enligt följande för att ge enzympreparat "CS". 10 g enzym sattes till ml vatten. Enzymlösningen koncentrerades med hjälp av ett ultrafiltreringsmembran och späddes ut med ett överskott av vatten, varefter den åter koncentrerades till en volym av 25 ml. Detta upprepades ett flertal gånger tills enzympreparatets salt- och kolhydratinnehâll var försumbart. 2) Enzympreparatet "CN" tillreddes enligt följande. 10 g enzym upplöstes i 100 ml vatten. Därefter tillsattes 57 g ammoniumsulfat. Vid omblandning, upplöstes ammoniumsulfatet och en vit fällning bildades. Fällningen separerades av genom centri- fugering och âterupplöstes i 30 ml vatten. Lösningen avsaltades därefter pä en Sephadex G-25 kolonn (Pharmacia Corporation) och späddes upp till en slutlig volym av 100 ml. d) Hydrolys av kristallin 0L-cellulosa. 1) till l volymsenhet 2 %-ig kristallin ßfi~cellulosa, upplöst i lösningsmedlet enligt (a), sattes 2 volymsenheter 30 %-ig HCl, vilket gjorde att den upplösta cellulosan äterutfälldes. Därefter tillsattes 5 volymsenheter natriumacetatbuffert och 1 volymsenhet av enzympreparat "CS". Vid omblandning och inkubering i 5006, erhölls upp till 50 % omvandling av cellulosan till glukos inom 30 minuter. Uppen- barligen inaktiveras inte enzymet av närvaron av kadmium och etylendiamin. 2) En volymsenhet av 3 %-ig Avicell, i lösningsmedel (a), blandades med 2,5 volymsenheter vatten, vilket resulterade i att cellulosan âterutfälldes. Den åter- utfällda cellulosan tvättades med vatten, varefter cellulosakoncentrationen var 0,5%. Efter justering av lösningens pH-värde till 5 med buffert, tillsattes tillräck- 40 7 7901898-2 lig mängd av enzympreparat "CN" för att ge ett förhållande enzymvolym: cellulosavikt av l8:l. Inkubering av denna lösningen vid 50°C gav 80 %-ig omvandling till glukos inom 5 timmar och 90 %-ig inom 50 timmar. Jämförelsevis gav ett kontrollförsök där cellulosa som inte upplösts i lösningsmedel och áterutfällts, dvs. obehandlad cellulosa användes, gav endast l5% omvandling efter 5 timmar och 47¿ efter 50 timmar.

EXEMPEL 2 Förbehandling och hydrolys av jordbruksavfall Beredning av lösningsmedlet och enzymlösningarna gjordes exakt som beskrivits ovan i Exempel l. a) Upplösning av cellulosa i majskolvar. Majskolvar, vilka malts ner till en partikelstorlek av 0,4 mm, blandades med lösningsmedel i ett viktsförhållande majskolvzßadoxen av l:55. Efter omrörning under 2,5 timme, separerades den fasta fasen och vätskefasen. Den fasta fasen tvättades med vatten, torkades och vägdes.

Viktsförlusterna, baserade på de torra fastämnenas vikt före och efter, var så hög som 77%. Detta tyder på att allt cellulosahaltigt material upplösts. b) Upplösning av cellulosa i majsrester.

Majsrester, som malts till en partikelstorlek av 0,4 mm, blandades med lösningsmedel i viktsförhållandet majsrest:Cadoxen av l:l0. Omrörningen, tvättningen och utvinningen av fastämnena utfördes enligt Exempel 2 (a). Viktsförlusterna uppskattades till mellan 44 och 94% (baserat pä torr vikt). c) Upplösning och hydrolys av majsrester på plats.

Majsrester innehållande 38% 06-cellulosa blandades med Cadoxen i ett viktsförhållande majsrest:Cadoxen av l:4,2. Efter att ha låtit blandningen stå l2 timmar tillsattes buffert, vatten och enzympreparat “Cw" för att ge en 2,5 %-ig lösning av rester vid ett pH-värde av 5. Hydrolys av blandningen vid 45°C gav 72% omvandling av 06-cellulosan till glukos på 19 timmar. Eftersom förbehandlingen med lösningsmedlet och den därpå följande återutfällningen av cellulosan gjordes utan att först sepa- rera lösningsmedlet och den upplösta cellulosan från den fasta återstoden, omnamnes denna tekniken som upplösning "på plats” (och återutfällning). d) Upplösning och hydrolys av bagass (sockerrörsrest) på plats.

Bagassrester innehållande 33% 0<~cellulosa blandades med Cadoxen i ett viktsför~ hållande bagass:Cadoxen av l:4,2. Under samma förhållande som i Exempel 2 (c), erhölls 70 %-ig omvandling pâ l9 timmar.

EXEMPEL 3 Hydrolys med immobiliserat enzym. a) Beredning av immobiliserat enzym.

Ett filter bestående av kemiskt aktivt,poröst PVC membranmaterial (erhållet från Amerace Corporation, Butter New Jersey) nedsänktes i en lösning av l0 H-ig glutaraldehydbuffert med fosfat, till ett pH-värde av 7, under 2 timmar under rums- lO 7901898-2 förhållanden. Efter tvättning med vatten och natriumacetatbuffert (pH 5), nedsänktes skivan i enzympreparat "CW" under 12 timmar vid 4°C. Skivan tvättades därefter med buffert, placerades i en kolonnapparatun och användes på det sätt som beskrives nedan. b) Hydrolys av cellodextriner med användande av immobiliserat enzym,med full- ständig upplösning där 79% omvandlades till glukos och överskjutande del erhölls som cellodextriner. Denna klara lösningen läts passera genom skivan med immobili- serat enzym 5 gånger, vilket gav en ökning i glukosomvandling frân 79% till 8l%.

Glukos bildades tack vare hydrolys av lösliga cellooligosackarider till glukos.

Därefter utfördes ett kontrollförsök med användande av enbart lösligt enzym. Vid detta försöket, var glukosomvandlingen konstant vid 79%, under samma tidsperiod.

EXEMPEL 4 Beredning av cellulosadroppar En lösning av 2% Avisell i Cadoxen blandades med 50 %-ig HCl i ett volyms- förhållande lösningzsyra av l:l,5. Detta orsakade att cellulosan utfälldes. Bland- ningen upphettades till 50°C under 30 minuter och kyldes därefter till rumstemperatur.

Under de l2 timmar som lösningen därefter läts stå bildade den flockbildande cellu- losafällningen spontant små cellulosadroppar.

Ur det föregående ges att föreliggande uppfinning anger ett förfarande för be- handling av cellulosahaltigt material och därur framställning av glukos, innefattande ett förfarande för upplösning och àterutfällning av cellulosa "pâ plats“, samt ett annat förfarande med utvinning av cellulosa ur cellulosahaltigt material, som sedan kan användas för att en hög produktion av glukos.

Claims (10)

10 20 25 30 Q 7901898-2 PATENTkRAv

1. l. Förfarande för att erhålla glukos ur cellulosahaltigt material inne- hållande hemicellulosa och lignin, varvid hemicellulosa avlägsnas frán det cellulosahaltiga materialet, den cellulosa som innehâlles i det cellulosa- haltiga materialet upplöses i ett lösningsmedel vid rumsbetingelser, varvid lösningsmedlet utgör en blandning av etylendiamin, kadmiumoxid och vatten, k ä n n e t e c k n a t av att den upplösta cellulosa äterutfälles och att den âterutfällda cellulosan hydrolyseras med hjälp av ett cellulasenzym vid ett pH-värde av ca 5 för att ge glukos.

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att förfarandet innefattar att man fysikaliskt reducerar det cellulosahaltiga materialet till en maximal partikelstorlek av 0,4 mm innan hemicellulosan avlägsnas därifran.

3. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att hemicellu- losan avlägsnas genom extraktion med en utspädd syra eller alkali.

4. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda lignin separeras från det cellulosahaltiga materialet genom filtrering eller centrifu- gering efter det att cellulosan hydrolyserats för att ge glykos.

5. Förfarande enligt nâgot av kraven l~4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda cellulasenzym som tillsättes är ett endo-l,4-beta-glukanas.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att det tillsatta cellulasenzymet är en Tricoderma viride-cellulaslösning.

7. Förfarande enligt något av krav l-6, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda lösningsmedel utvinnes i syfte att återanvändas.

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda lösnings- medel utvinnes genom tillsats av C02 för att fälla ut kadmiumkarbonat som kan omvandlas till kadmiumoxid i syfte att återanvändas.

9. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda lösnings- medel utvinnes genom tillsats av ett med vatten icke blandbart lösningsmedel för att extrahera etylendiamin för återcirkulering och för att separera den erhållna blandningen i tre fraktioner innefattande ett organiskt skikt av amin, ett vatten- haltigt lager av kadmium och en fällning av cellulosa.

10. Förfarande enligt något av krav l-9, k ä n n e t e c k n a t av att hydrolyseringen fullföljes genom användandet av antigen fritt eller immobiliserat EH Zyfll.