WO2010111995A2 - Method for the hydrolysis of cellulose raw materials - Google Patents

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WO2010111995A2
WO2010111995A2 PCT/DE2010/000320 DE2010000320W WO2010111995A2 WO 2010111995 A2 WO2010111995 A2 WO 2010111995A2 DE 2010000320 W DE2010000320 W DE 2010000320W WO 2010111995 A2 WO2010111995 A2 WO 2010111995A2
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cellulose
hydrolysis
ionic liquid
solid acid
acid catalyst
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Ferdi SCHÜTH
Roberto Rinaldi
Philip Engel
Antje Spiess
Jochen Büchs
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Studiengesellschaft Kohle Mbh
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02Monosaccharides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C08B1/003Preparation of cellulose solutions, i.e. dopes, with different possible solvents, e.g. ionic liquids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14Preparation 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C13SUGAR INDUSTRY
    • C13KSACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a process for the degradation of cellulose-based materials in which the cellulose is first depolymerized in an ionic liquid in the presence of catalysts and subsequently converted into fermentable sugars.
  • Lignocellulosic materials such as crop residues, straw and wood are renewable and spread all over the world materials that are promising raw materials for the chemical industry and energy generation in the 21st century. These materials are complex mixtures of natural polymers, namely cellulose, hemicelluloses and lignin, which are bound together by physical and chemical interactions.
  • the cellulose is an unbranched polysaccharide consisting of several hundred to ten thousand / 3-D glucose molecules.
  • the number of / 3-D-glucose units is defined as the degree of polymerization of the cellulose (P w - weight average of the degree of polymerization, P n - number average of the degree of polymerization).
  • P w weight average of the degree of polymerization
  • P n number average of the degree of polymerization
  • Another important field of application is the building materials industry, where cellulose derivatives such as methyl cellulose are used as flow improvers, etc. Further fields of application are the production of cellophane or the development of regenerative car fuels, such as cellulose ethanol, which is produced from vegetable biomass.
  • cellulose derivatives are used as additives in the food and pharmaceutical industries.
  • Cellulose is a very stable material, which is also stable to chemical and biological agents, so that direct processing of cellulose-based materials is not possible.
  • Various pretreatment methods have been developed to circumvent the stability of cellulose to biological transformations. These pretreatments utilize physical, chemical and / or biological processes to remove lignin and reduce the degree of crystallinity of the cellulose. Even if While these pretreatment processes result in better cellulase processability of cellulose, the yield of glucose is still far from quantitative conversion. Some pretreatment steps have been developed to allow for substantially quantitative conversion of cellulose to glucose.
  • the disadvantages of these known methods are a high energy requirement, expensive and / or toxic reagents and the formation of toxic reaction products that affect the subsequent fermentation reaction.
  • Cellulose is insoluble in water and in most organic solvents. It has some solubility in toxic solvents such as CS 2 , amines, dimethylacetamide / LiCl morpholines, etc., concentrated mineral acids, molten salts, and copper ammonia.
  • toxic solvents such as CS 2 , amines, dimethylacetamide / LiCl morpholines, etc., concentrated mineral acids, molten salts, and copper ammonia.
  • solvents are, for example, N-methylmorpholine-N-oxide and CS 2 .
  • Ionic liquids are liquid salts which are liquid at temperatures below 100 ° C.
  • Examples of cations used are alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium ions.
  • As anions a wide variety of ions can be used, ranging from simple halides over more complex inorganic ions such as tetrafluoroborates to large organic ions such as trifluoromethanesulfonamide. Examples of suitable ionic liquids are described in patents US-A1, 943,176, WO03 / 029329 and WO07 / 057235.
  • a disadvantage of the process described in the prior art is that in the treatment of cellulose in ionic liquids no depolymerization takes place, the
  • Hydrogen bonds are merely broken, ie the crystalline structure of the cellulose is degraded.
  • the enzymatic step lasts because of the high Degree of polymerization of the cellulose usually many hours to achieve a quantitative conversion of cellulose into glucose.
  • the present invention accordingly provides a process for the depolymerization of cellulose in which a solution of cellulose in an ionic liquid is contacted with a solid acid catalyst and in a subsequent step the resulting depolymerized cellulose is subjected to enzymatic hydrolysis.
  • a low molecular weight or oligomeric reaction mixture having a narrow molecular weight distribution can be obtained within a short time.
  • These low molecular weight or oligomeric structures can be converted very rapidly by cellulase and cellulase preparations almost quantitatively into glucose and cellulase within a short time.
  • a depolymerized cellulose is obtained whose polymer degree P "is preferably between 1000 and 20 AGU.
  • any cellulose-based materials can be used, such as. Microcrystalline cellulose, ⁇ -cellulose, mechanically treated cellulose or wood pulp.
  • the origin may be arbitrary, the cellulosic material may consist of wood, oilseeds, beans, cereals and cereal fibers, cotton, sugarcane, all parts can be used, i. Leaves, stems, stems, shells, pods and flower parts etc.
  • the cellulosic material is contacted with an acid catalyst in an ionic liquid.
  • ionic liquids refer to organic salts whose melting point is below 180 ° C., that is, which are liquid at temperatures below 180 ° C.
  • the melting point is in a range from -50 0 C to 150 0 C, more preferably in the range of -20 0 C to 120 0 C and in particular below 100 0 C.
  • Ionic liquids, which are already in room temperature in liquid Aggregate state are described, for example, by KN Marsh et al., Fluid Phase Equilibria 219 (2004), 93-98 and JG Huddieston et al., Green Chemistry 2001, 3, 156-164.
  • Cations and anions are present in the ionic liquid.
  • a proton or an alkyl radical can be transferred to the anion, resulting in two neutral molecules.
  • suitable ionic liquids are preferably as cations
  • the anions are preferably selected from chloride, bromide, nitrate, sulfate, phosphate, tetrafluoroborate, tetrachloroaluminate; Tetrachloroferrate (III), hexafluorophosphate, hexafluoroantimonate, carboxylic anions, trifluoromethanesulfonate, alkyl phosphate, alkylsulfate, alkylsulfonate, benzenesulfonate, bis (trifluoromethylsulfonyl) imide,
  • Trifluoromethansulfonamid The cations and anions can be combined as desired.
  • Particularly suitable ionic liquids have proven to be alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium radicals and as anions halides, inorganic, complex anions such as tetrafluoroborates, or organic ions such as Trifluoromethansulfonamide.
  • acidic catalysts used are acidic ion exchangers or acidic inorganic metal oxides.
  • Acid ion exchangers are, for example, macroporous or mesoporous crosslinked polymers which have acidic groups on their surface.
  • suitable catalysts are inorganic materials, eg. Example, silica, alumina, aluminosilicates and zirconia whose surface can be modified by acidic groups. As suitable modifications on the surface come z. B. -SO 3 H or -OSO 3 H-functionalization or phosphoric surface modifications into consideration.
  • catalysts serve ion exchange resins, with a surface area of 1 to 41 m 2 g '1 is advantageous.
  • these ion exchange resins have a pore volume of 0.002 to 0.220 cm 3 g "1 and an average pore diameter of 24 to 30 nm and an ion exchange capacity of 2.5 to 5.4 mmol g '1 .
  • the reaction can be carried out at relatively low temperatures as compared with the prior art. Depolymerization results at a relatively short reaction time are obtained in a temperature range between 80 and 13O 0 C. By targeted modification of the ionic liquid used but also reactions in the range of room temperature to 8O 0 C are conceivable.
  • the oligomers obtained from the oligomers obtained in the first process step can be separated from the ionic liquid before the further treatment and optionally washed with water to remove the ionic liquid.
  • the degree of polymerization P w of the depolymerized cellulose obtained is preferably between 20 and 100.
  • the aqueous suspension of cellulose oligomers is subjected to enzymatic hydrolysis in which the oligomers are hydrolyzed almost quantitatively in glucose and cellulase.
  • Suitable enzymes for use in the process according to the invention are the cellulases belonging to the category of the hydrolases (1,4- (1,3,1,4) - ⁇ -D-glucan-4-glucanohydrolases).
  • the EC number is 3.2.1.4.
  • the cellulase enzyme complex consists of three different types of enzymes: endoglucanases break the compounds within the cellulose to dissolve the crystalline structure, exoglucanases separate smaller oligosaccharide units, usually disaccharide and tetrasaccharide units (cellobiose, cetotetrose units) from the ends of the smaller chains producing the endoglucanase.
  • Cellobiases or ⁇ -glucosidases cleave the bond between the glucose molecules in the oligosaccharides.
  • Suitable z. Cellulases from Trichoderma reesei ATCC # 26799), commercially available from Worthington Biochemical Corporation. Also suitable are the cellulase mixtures, Celluclast 1, 5 L with Novozym 188 (Novozymes, Denmark) or Spezyme CP (Genencor International Inc., Rochester, USA) with Novozym 188 (Novozymes, Denmark).
  • the concentration of enzyme is between 0.1 and 2.0 v / v%, ie about 500 to 20,000 I U / L, with an IU corresponding to the cleavage of 1 ⁇ mol bonds per min.
  • the enzymatic hydrolysis is preferably carried out in an aqueous medium.
  • the aqueous medium used is essentially free of ionic liquids.
  • the term "essentially free of ionic liquids" in the context of the application means a content of less than 1% by volume, preferably less than 0.1% by volume, based on the total volume of the liquid reaction medium used for the hydrolysis.
  • the enzymatic hydrolysis takes place at a pH suitable for the enzymes used, generally between 3.5 and 8.
  • An advantageous pH range for many of the enzymes usable in the context of the present invention is about 4 to 5.5.
  • the adjustment of the pH can be carried out by customary, known to those skilled buffer systems. These include acetate buffer, Tris buffer, etc.
  • the enzymatic hydrolysis is preferably carried out at a temperature of 0 to 80 ° C, more preferably at 20 to 60 0 C.
  • the reaction product obtained, the depolymerized cellulose can be isolated from the reaction mixture in a manner known per se.
  • the glucose is precipitated by the addition of water, lower aliphatic alcohols, lower ketones or protic low boiling solvents.
  • the material and / or energy flows are integrated so that the ionic liquid used is substantially completely recycled and / or the amount of heat required in the process (eg for the separation of ionic liquid and precipitant) is used at least partially in another step of the method.
  • the isolated cellulose oligomers having a degree of polymerization of 100 anhydroglucose units (AGU) were washed with water to remove the ionic liquid.
  • the aqueous suspension of the cellulose oligomers was treated with a
  • Suspension was a cellulase preparation in a concentration of 0.5 V / V%
  • Example 3 The isolated cellulose oligomers were further reacted as in Example 1, except that 2.0 v / v% Celluclast was used. The enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 94%, consisting of 48% Cellubiose and 46% glucose within two hours.
  • Example 3 The enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 94%, consisting of 48% Cellubiose and 46% glucose within two hours.
  • microcrystalline cellulose 5 g were dissolved in 100 g of i-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 ° C. After dissolving the cellulose, 2 ml of distilled water was added. The solution was stirred for an additional 15 min, then 1 g of Amberlyst 15DRY (commercial product of Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. 25 ml of water were added to each of the samples. The precipitated cellulose was separated by centrifugation.
  • the isolated cellulose oligomers were further reacted as in Example 2, except that the hydrolysis was carried out at 65 ° C.
  • the enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 94%, consisting of 48% Cellubiose and 46% glucose within two hours.
  • the isolated cellulose oligomers having a degree of polymerization of 50 anhydroglucose units (AGU) were reacted further as in Example 1.
  • the enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 92%, consisting of 60% Cellubiose and 32% glucose within four hours.
  • the isolated cellulose oligomers having a degree of polymerization of 100 AGU were reacted further as in Example 1.
  • the enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 96%, consisting of 55% Cellubiose and 41% glucose within two hours.
  • Example 7 ⁇ -cellulose which had not been pretreated with an acid in ionic liquid according to the present invention was mixed with an acetate buffer (pH 4.8). whereby a suspension of 10 g / L was obtained. The suspension was treated with cellulase as in Example 5 to give a conversion of 35% consisting of 17% cellobiose and 18% glucose within 4 hours.
  • Example 8 ⁇ -cellulose treated in an ionic liquid but not depolymerized in the presence of a solid acid had a degree of depolymerization between 1,000 and 2,000 AGU. This material was mixed into an acetate buffer (pH 4.8) as in Example 1 to give a suspension of 10 g / L. This suspension was treated with cellulase as in Example 1. The enzymatic hydrolysis of the ⁇ -cellulose, which was removed from the ionic liquid, gave a degradation rate of 78%, and consisted 43% of Cellubiose and 35% glucose within 1.5 hours.

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Abstract

A method for the depolymerization of cellulose is claimed, wherein a solution made of cellulose is brought in contact with a solid acid catalyst in an ionic fluid and in a subsequent step, the depolymerized cellulose obtained in this way is subjected to enzymatic hydrolysis.

Description

Verfahren zur Hydrolyse von Celluloserohstoffen Process for the hydrolysis of cellulose raw materials
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau von Materialien auf Basis von Cellulose, bei welchem die Cellulose zunächst in einer ionischen Flüssigkeit in Gegenwart von Katalysatoren depolymerisiert und anschließend in fermentierbare Zucker umgewandelt wird.The present invention relates to a process for the degradation of cellulose-based materials in which the cellulose is first depolymerized in an ionic liquid in the presence of catalysts and subsequently converted into fermentable sugars.
Materialien auf Basis von Lignocellulose, wie Ernterückstände, Stroh und Holz sind erneuerbare und über den gesamten Erdball verbreitet Materialien, die viel versprechende Rohstoffe für die chemische Industrie und die Energiegewinnung im 21. Jahrhundert darstellen. Bei diesen Materialien handelt es sich um komplexe Gemische aus natürlichen Polymeren, nämlich aus Cellulose, Hemicellulosen und Lignin, welche durch physikalische und chemische Wechselwirkungen aneinander gebunden sind.Lignocellulosic materials such as crop residues, straw and wood are renewable and spread all over the world materials that are promising raw materials for the chemical industry and energy generation in the 21st century. These materials are complex mixtures of natural polymers, namely cellulose, hemicelluloses and lignin, which are bound together by physical and chemical interactions.
Chemisch ist die Cellulose ein unverzweigtes Polysaccharid, das aus mehreren hundert bis zehntausend /3-D-Glucosemolekülen besteht. Dabei wird die Zahl der /3-D-Glucoseeinheiten als Polymerisationsgrad der Cellulose (Pw - Gewichtsmittel des Polymerisationsgrades, Pn - Zahlenmittel des Polymerisationsgrades) definiert. Es ist ein wichtiger technischer Rohstoff, der als Grundstoff in der Papierindustrie oder in der Bekleidungsindustrie als Viskose, Baumwollfaser oder Leinen eingesetzt wird. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Baustoffindustrie, wo Cellulosederivate wie Methylcellulose als Fließverbesserer etc. eingesetzt werden. Weitere Anwendungsbereiche sind die Herstellung von Zellophan oder die Entwicklung von regenerativen Autotreibstoffen, wie Cellulose-Ethanol, das aus pflanzlicher Biomasse hergestellt wird. Des Weiteren werden Cellulosederivate in der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie als Zusatzstoffe verwendet.Chemically, the cellulose is an unbranched polysaccharide consisting of several hundred to ten thousand / 3-D glucose molecules. The number of / 3-D-glucose units is defined as the degree of polymerization of the cellulose (P w - weight average of the degree of polymerization, P n - number average of the degree of polymerization). It is an important technical raw material used as a raw material in the paper industry or in the clothing industry as viscose, cotton fiber or linen. Another important field of application is the building materials industry, where cellulose derivatives such as methyl cellulose are used as flow improvers, etc. Further fields of application are the production of cellophane or the development of regenerative car fuels, such as cellulose ethanol, which is produced from vegetable biomass. Furthermore, cellulose derivatives are used as additives in the food and pharmaceutical industries.
Cellulose ist ein sehr stabiles Material, das auch gegenüber chemischen und biologischen Mitteln stabil ist, sodass eine direkte Verarbeitung von Materialien auf Cellulosebasis nicht möglich ist. Es wurden verschiedene Vorbehandlungsmethoden entwickelt, um die Stabilität von Cellulose gegenüber biologischen Umwandlungen zu umgehen. Diese Vorbehandlungen nutzen physikalische, chemische und/oder biologische Verfahren, um Lignin zu entfernen und den Grad der Kristallinität der Cellulose zu verringern. Auch wenn diese Vorbehandlungsverfahren in einer besseren Verarbeitbarkeit von Cellulose durch Cellulase führen, ist die Ausbeute an Glucose noch weit von einer quantitativen Umwandlung entfernt. Einige Vorbehandlungsschritte wurden entwickelt, um eine im Wesentlichen quantitative Umwandlung von Cellulose in Glucose zu ermöglichen. Die Nachteile dieser bekannten Verfahren sind ein hoher Energiebedarf, teure und/oder toxische Reagenzien sowie die Bildung von toxischen Reaktionsprodukten, die die nachfolgende Fermentierungsreaktion beeinträchtigen.Cellulose is a very stable material, which is also stable to chemical and biological agents, so that direct processing of cellulose-based materials is not possible. Various pretreatment methods have been developed to circumvent the stability of cellulose to biological transformations. These pretreatments utilize physical, chemical and / or biological processes to remove lignin and reduce the degree of crystallinity of the cellulose. Even if While these pretreatment processes result in better cellulase processability of cellulose, the yield of glucose is still far from quantitative conversion. Some pretreatment steps have been developed to allow for substantially quantitative conversion of cellulose to glucose. The disadvantages of these known methods are a high energy requirement, expensive and / or toxic reagents and the formation of toxic reaction products that affect the subsequent fermentation reaction.
Cellulose ist in Wasser und in den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich. Eine gewisse Löslichkeit weist sie in toxischen Lösungsmitteln wie CS2, Aminen, Dimethylacetamid/LiCI Morpholinen usw., konzentrierten Mineralsäuren, geschmolzenen Salzen sowie in Kupferammoniak auf. Derzeit kommerziell verwendete Lösungsmittel sind beispielsweise N-Methylmorpholine-N-oxid und CS2.Cellulose is insoluble in water and in most organic solvents. It has some solubility in toxic solvents such as CS 2 , amines, dimethylacetamide / LiCl morpholines, etc., concentrated mineral acids, molten salts, and copper ammonia. Currently commercially used solvents are, for example, N-methylmorpholine-N-oxide and CS 2 .
Ferner ist es möglich, Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit rein physikalisch zu lösen. Mit der so gelösten Cellulose können chemische Synthesen durchgeführt werden, die in anderen Lösungsmitteln nicht möglich sind.Furthermore, it is possible to physically dissolve cellulose in an ionic liquid. With the cellulose thus dissolved, chemical syntheses can be carried out which are not possible in other solvents.
Ionische Flüssigkeiten sind flüssige Salze, die bei Temperaturen unter 1000C flüssig sind. Beispiele für verwendete Kationen sind alkylierte Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- - oder Phosphonium-Ionen. Als Anionen können die unterschiedlichsten Ionen vom einfachen Halogenid über komplexere anorganische Ionen wie Tetrafluoroborate bis zu großen organischen Ionen wie Trifluoromethansulfonamid herangezogen werden. Beispiele für geeignete ionische Flüssigkeiten sind in den Patentschriften US-A1 ,943,176, WO03/029329 und WO07/057235 beschrieben.Ionic liquids are liquid salts which are liquid at temperatures below 100 ° C. Examples of cations used are alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium ions. As anions, a wide variety of ions can be used, ranging from simple halides over more complex inorganic ions such as tetrafluoroborates to large organic ions such as trifluoromethanesulfonamide. Examples of suitable ionic liquids are described in patents US-A1, 943,176, WO03 / 029329 and WO07 / 057235.
In den internationalen Patentanmeldungen WO2008/090156 und WO2008/090155 werden Verfahren zur Herstellung von Glucose-Produkten aus einem Lignocellulosematerial offenbart. In den offenbarten Verfahren wird das lignocellulosehaltige Ausgangsmaterial mit einer ionischen Flüssigkeit behandelt, das angereicherte Cellulosematerial isoliert und anschließend der enzymatischen Hydrolyse unterworfen. Das Abtrennen der erhaltenen Celluloseprodukte erfolgt über Fällungs-, Trennungs- und Anreicherungsschritte.International patent applications WO2008 / 090156 and WO2008 / 090155 disclose processes for producing glucose products from a lignocellulosic material. In the disclosed methods, the lignocellulosic starting material is treated with an ionic liquid which isolates enriched cellulosic material and then subjected to enzymatic hydrolysis. The separation of the resulting cellulose products via precipitation, separation and enrichment steps.
Nachteilig des aus dem Stand der Technik beschriebenen Verfahrens ist, dass bei der Behandlung der Cellulose in ionischen Flüssigkeiten keine Depolymerisation stattfindet, dieA disadvantage of the process described in the prior art is that in the treatment of cellulose in ionic liquids no depolymerization takes place, the
Wasserstoffbrückenbindungen werden lediglich aufgebrochen, d.h. die kristalline Struktur der Cellulose wird abgebaut. Der enzymatische Schritt dauert wegen des hohen Polymerisationsgrades der Cellulose in der Regel viele Stunden, um eine quantitative Umwandlung der Cellulose in Glucose zu erreichen.Hydrogen bonds are merely broken, ie the crystalline structure of the cellulose is degraded. The enzymatic step lasts because of the high Degree of polymerization of the cellulose usually many hours to achieve a quantitative conversion of cellulose into glucose.
Der vorliegenden Erfindung lag demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein effizienteres Verfahren zur Depolymerisation von Cellulose zur Verfügung zu stellen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht aufweist und eine möglichst quantitative Ausbeute an niedermolekularen Glucoseeinheiten bis hin zu monomolekularer Glucose ergibt.Accordingly, it was an object of the present invention to provide a more efficient process for the depolymerization of cellulose which does not have the disadvantages known from the prior art and gives as quantitative a yield as possible of low molecular weight glucose units up to monomolecular glucose.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Depolymerisation von Cellulose, in welchem eine Lösung von Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit mit einem festen Säurekatalysator in Kontakt gebracht wird und in einem nachfolgenden Schritt die erhaltene depolymerisierte Cellulose einer enzymatischen Hydrolyse unterworfen wird.The present invention accordingly provides a process for the depolymerization of cellulose in which a solution of cellulose in an ionic liquid is contacted with a solid acid catalyst and in a subsequent step the resulting depolymerized cellulose is subjected to enzymatic hydrolysis.
Durch die Vorbehandlung der Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit mit einem festen Säurekatalysator kann innerhalb von kurzer Zeit ein niedermolekulares bzw. oligomeres Reaktionsgemisch mit einer schmalen Molekulargewichtsverteilung erhalten werden. Diese niedermolekularen bzw. oligomeren Strukturen können sehr schnell von Cellulase und Cellulasezubereitungen nahezu quantitativ in Glucose und Cellubiose innerhalb kurzer Zeit umgewandelt werden. In dem ersten Reaktionsschritt wird eine depolymerisierte Cellulose erhalten, deren Polymeristionsgrad P„ vorzugsweise zwischen 1000 und 20 AGU liegt.By pretreating the cellulose in an ionic liquid with a solid acid catalyst, a low molecular weight or oligomeric reaction mixture having a narrow molecular weight distribution can be obtained within a short time. These low molecular weight or oligomeric structures can be converted very rapidly by cellulase and cellulase preparations almost quantitatively into glucose and cellulase within a short time. In the first reaction step, a depolymerized cellulose is obtained whose polymer degree P "is preferably between 1000 and 20 AGU.
Als Ausgangsmaterialien für das erfindungsgemäße Verfahren können beliebige Materialien auf Cellulosebasis verwendet werden, wie z. B. mikrokristalline Cellulose, σ-Cellulose, mechanisch behandelte Cellulose oder Holzzellstoff. Auch die Herkunft kann beliebig sein, so kann das Cellulosematerial aus Holz, Ölsaaten, Bohnen, Getreide und Getreidefasern, Baumwolle, Zuckerrohr bestehen, wobei alle Teile eingesetzt werden können, d.h. Blätter, Stiele, Stämme, Schalen, Schoten und Blütenteile etc.As starting materials for the process according to the invention, any cellulose-based materials can be used, such as. Microcrystalline cellulose, σ-cellulose, mechanically treated cellulose or wood pulp. Also, the origin may be arbitrary, the cellulosic material may consist of wood, oilseeds, beans, cereals and cereal fibers, cotton, sugarcane, all parts can be used, i. Leaves, stems, stems, shells, pods and flower parts etc.
Im ersten Verfahrensschritt wird das Cellulosematerial in einer ionischen Flüssigkeit mit einem sauren Katalysator in Kontakt gebracht.In the first process step, the cellulosic material is contacted with an acid catalyst in an ionic liquid.
Ionische Flüssigkeiten bezeichnen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung organische Salze, deren Schmelzpunkt unter 1800C liegt, das bedeutet, die bei Temperaturen unterhalb 1800C flüssig sind. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt in einem Bereich von -500C bis 1500C, besonders bevorzugt im Bereich von -200C bis 1200C und insbesondere unter 1000C. Ionische Flüssigkeiten, die bereits bei Raumtemperatur in flüssigem Aggregatzustand vorliegen, werden beispielsweise von K.N. Marsh et al., Fluid Phase Equilibria 219 (2004), 93-98 und J. G. Huddieston et al., Green Chemistry 2001 , 3, 156-164 beschrieben.In the context of the present application, ionic liquids refer to organic salts whose melting point is below 180 ° C., that is, which are liquid at temperatures below 180 ° C. Preferably, the melting point is in a range from -50 0 C to 150 0 C, more preferably in the range of -20 0 C to 120 0 C and in particular below 100 0 C. Ionic liquids, which are already in room temperature in liquid Aggregate state are described, for example, by KN Marsh et al., Fluid Phase Equilibria 219 (2004), 93-98 and JG Huddieston et al., Green Chemistry 2001, 3, 156-164.
In der ionischen Flüssigkeit liegen Kationen sowie Anionen vor. Dabei kann innerhalb der ionischen Flüssigkeit vom Kation ein Proton oder ein Alkylrest an das Anion übertragen werden, wodurch zwei neutrale Moleküle resultieren. In der erfindungsgemäß eingesetzten ionischen Flüssigkeit kann also ein Gleichgewicht von Anionen, Kationen sowie daraus gebildeten neutralen Molekülen vorliegen.Cations and anions are present in the ionic liquid. In this case, within the ionic liquid from the cation, a proton or an alkyl radical can be transferred to the anion, resulting in two neutral molecules. In the ionic liquid used according to the invention, therefore, there can be an equilibrium of anions, cations and neutral molecules formed therefrom.
Im erfindungsgemäßen Verfahren geeignete ionische Flüssigkeiten weisen vorzugsweise als KationenIn the method according to the invention suitable ionic liquids are preferably as cations
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Figure imgf000005_0001
DIalkylfmidazolium, Alkytpyridlnlum, Tetraalkylaπvnonlum, TetraalkylphosphoniumDIalkylfmidazolium, alkylpyridine, tetraalkylammonium, tetraalkylphosphonium
auf. Die Anionen sind vorzugsweise ausgewählt aus Chlorid, Bromid, Nitrat, Sulfat, Phosphat, Tetrafluoroborat, Tetrachloroaluminat; Tetrachloroferrat(lll), Hexafluorophosphat, Hexafluoroantimonat, Carbonsäureanionen, Trifluormethansulfonat, Alkylphosphat, Alkylsulfat, Alkylsulfonat, Benzolsulfonat, Bis(trifluormethylsulfonyl)imid,on. The anions are preferably selected from chloride, bromide, nitrate, sulfate, phosphate, tetrafluoroborate, tetrachloroaluminate; Tetrachloroferrate (III), hexafluorophosphate, hexafluoroantimonate, carboxylic anions, trifluoromethanesulfonate, alkyl phosphate, alkylsulfate, alkylsulfonate, benzenesulfonate, bis (trifluoromethylsulfonyl) imide,
Trifluoromethansulfonamid. Die Kationen und Anionen lassen sich beliebig kombinieren.Trifluoromethansulfonamid. The cations and anions can be combined as desired.
Als besonders geeignet haben sich ionische Flüssigkeiten erwiesen, die als Kationen alkylierte Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- oder Phosphonium-Reste und als Anionen Halogenide, anorganischen, komplexe Anionen, wie Tetrafluoroborate, oder organische Ionen, wie Trifluoromethansulfonamide aufweisen.Particularly suitable ionic liquids have proven to be alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium radicals and as anions halides, inorganic, complex anions such as tetrafluoroborates, or organic ions such as Trifluoromethansulfonamide.
Als Katalysatoren werden erfindungsgemäß feste Säurekatalysatoren eingesetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie in fester Form aktiv sind, und nach Beendigung der Reaktion von den Reaktionsprodukten abgetrennt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform werden als saure Katalysatoren saure Ionenaustauscher oder saure anorganische Metalloxide eingesetzt. Saure Ionenaustauscher sind beispielsweise makroporöse oder mesoporöse vernetzte Polymere, die an ihrer Oberfläche saure Gruppen aufweisen. Weitere geeignete Katalysatoren sind anorganische Materialien, z. B. Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Aluminosilicate und Zirconiumoxid, deren Oberfläche durch saure Gruppen modifiziert werden kann. Als geeignete Modifikationen auf der Oberfläche kommen z. B. -SO3H- oder -OSO3H-Funktionalisierung oder phosphorische Oberflächenmodifikationen in Betracht.As catalysts solid acid catalysts are used according to the invention. These have the advantage that they are active in solid form, and can be separated from the reaction products after completion of the reaction. In a preferred embodiment, acidic catalysts used are acidic ion exchangers or acidic inorganic metal oxides. Acid ion exchangers are, for example, macroporous or mesoporous crosslinked polymers which have acidic groups on their surface. Other suitable catalysts are inorganic materials, eg. Example, silica, alumina, aluminosilicates and zirconia whose surface can be modified by acidic groups. As suitable modifications on the surface come z. B. -SO 3 H or -OSO 3 H-functionalization or phosphoric surface modifications into consideration.
Als besonders bevorzugte Katalysatoren dienen lonenaustauscherharze, wobei eine Oberfläche von 1 bis 41 m2g'1 vorteilhaft ist. Vorzugsweise haben diese lonenaustauscherharze ein Porenvolumen von 0,002 bis 0,220 cm3g"1 und einen mittleren Porendurchmesser von 24 bis 30 nm und eine lonenaustauschkapazität von 2,5 bis 5,4 mmol g'1.As particularly preferred catalysts serve ion exchange resins, with a surface area of 1 to 41 m 2 g '1 is advantageous. Preferably, these ion exchange resins have a pore volume of 0.002 to 0.220 cm 3 g "1 and an average pore diameter of 24 to 30 nm and an ion exchange capacity of 2.5 to 5.4 mmol g '1 .
Die Reaktion kann, verglichen mit dem Stand der Technik, bei relativ geringen Temperaturen durchgeführt werden. Depolymerisationsergebnisse bei einer relativ kurzen Reaktionszeit werden in einem Temperaturbereich zwischen 80 und 13O0C erhalten. Durch gezielte Modifikation der verwendeten ionischen Flüssigkeit sind aber auch Reaktionen im Bereich von Raumtemperatur bis 8O0C denkbar.The reaction can be carried out at relatively low temperatures as compared with the prior art. Depolymerization results at a relatively short reaction time are obtained in a temperature range between 80 and 13O 0 C. By targeted modification of the ionic liquid used but also reactions in the range of room temperature to 8O 0 C are conceivable.
Die aus der im ersten Verfahrensschritt erhaltenen Oligomere können vor der weiteren Behandlung aus der ionischen Flüssigkeit abgetrennt und ggf. mit Wasser gewaschen werden, um die ionische Flüssigkeit zu entfernen. Der Polymerisationsgrad Pw der erhaltenen depolymerisierten Cellulose liegt vorzugsweise zwischen 20 und 100.The oligomers obtained from the oligomers obtained in the first process step can be separated from the ionic liquid before the further treatment and optionally washed with water to remove the ionic liquid. The degree of polymerization P w of the depolymerized cellulose obtained is preferably between 20 and 100.
In einem nachfolgenden Schritt wird die wässrige Suspension aus Celluloseoligomeren einer enzymatischen Hydrolyse unterworfen, in welcher die Oligomeren nahezu quantitativ in Glucose und Cellubiose hydrolisiert werden.In a subsequent step, the aqueous suspension of cellulose oligomers is subjected to enzymatic hydrolysis in which the oligomers are hydrolyzed almost quantitatively in glucose and cellulase.
Geeignete Enzyme für einen Einsatz in dem erfindungsgemässen Verfahren sind die zur Kategorie der Hydrolasen zählenden Cellulasen (1,4-(1,3;1 ,4)-ß-D-glucan-4- glucanohydrolasen). Die EC-Nummer lautet 3.2.1.4., die CAS-Nummer 9012-54-8. Der Cellulase-Enzymkomplex besteht aus drei verschiedenen Enzymtypen: Endoglucanasen brechen die Verbindungen innerhalb der Cellulose, um die kristalline Struktur aufzulösen, Exoglucanasen trennen kleinere Oligosaccharid-Einheiten, in der Regel Disaccharid- und Tetrasaccharid-Einheiten (Cellobiose-, Cellotetrose-Einheiten), von den Enden der kleineren Ketten ab, die die Endoglucanase produziert. Cellobiasen oder ß-Glucosidasen spalten die Bindung zwischen den Glucose-Molekülen in den Oligosacchariden. Geeignet sind z. B. Cellulasen aus Trichoderma reesei (ATCC#26799), die von Worthington Biochemical Corporation kommerziell erhältlich sind. Geeignet sind weiterhin die Cellulasemischungen, Celluclast 1 ,5 L mit Novozym 188 (Novozymes, Dänemark) oder Spezyme CP (Genencor International Inc., Rochester, USA) mit Novozym 188 (Novozymes, Dänemark).Suitable enzymes for use in the process according to the invention are the cellulases belonging to the category of the hydrolases (1,4- (1,3,1,4) -β-D-glucan-4-glucanohydrolases). The EC number is 3.2.1.4., The CAS number 9012-54-8. The cellulase enzyme complex consists of three different types of enzymes: endoglucanases break the compounds within the cellulose to dissolve the crystalline structure, exoglucanases separate smaller oligosaccharide units, usually disaccharide and tetrasaccharide units (cellobiose, cetotetrose units) from the ends of the smaller chains producing the endoglucanase. Cellobiases or β-glucosidases cleave the bond between the glucose molecules in the oligosaccharides. Suitable z. Cellulases from Trichoderma reesei (ATCC # 26799), commercially available from Worthington Biochemical Corporation. Also suitable are the cellulase mixtures, Celluclast 1, 5 L with Novozym 188 (Novozymes, Denmark) or Spezyme CP (Genencor International Inc., Rochester, USA) with Novozym 188 (Novozymes, Denmark).
Die Konzentration an Enzym beträgt zwischen 0,1 und 2,0 v/v %, also ca. 500 bis 20.000 I U/L, wobei eine IU der Spaltung von 1 μmol Bindungen pro min entspricht.The concentration of enzyme is between 0.1 and 2.0 v / v%, ie about 500 to 20,000 I U / L, with an IU corresponding to the cleavage of 1 μmol bonds per min.
Die enzymatische Hydrolyse erfolgt vorzugsweise in einem wässrigen Medium. Das eingesetzte wässrige Medium ist im Wesentlichen frei von ionischen Flüssigkeiten. Unter "im Wesentlichen frei von ionischen Flüssigkeiten" wird im Rahmen der Anmeldung ein Gehalt von weniger als 1 Vol.-%, bevorzugt von weniger als 0,1 Vol.-%, bezogen auf das gesamte Volumen des zur Hydrolyse eingesetzten flüssigen Reaktionsmediums verstanden.The enzymatic hydrolysis is preferably carried out in an aqueous medium. The aqueous medium used is essentially free of ionic liquids. The term "essentially free of ionic liquids" in the context of the application means a content of less than 1% by volume, preferably less than 0.1% by volume, based on the total volume of the liquid reaction medium used for the hydrolysis.
Die enzymatische Hydrolyse erfolgt bei einem für die eingesetzten Enzyme geeigneten pH- Wert, in der Regel zwischen 3,5 und 8. Ein vorteilhafter pH-Bereich für viele der im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Enzyme liegt bei etwa 4 bis 5,5. Natürlich ist auch im Einzelnen ein Arbeiten bei einem höheren oder niederen pH-Wert möglich, sofern dies das eingesetzte Enzym zulässt. Die Einstellung des pH-Werts kann durch die dafür üblichen, dem Fachmann bekannten Puffersysteme erfolgen. Dazu zählen Acetat-Puffer, Tris-Puffer, etc.The enzymatic hydrolysis takes place at a pH suitable for the enzymes used, generally between 3.5 and 8. An advantageous pH range for many of the enzymes usable in the context of the present invention is about 4 to 5.5. Of course, working at a higher or lower pH is also possible in detail, as long as the enzyme used permits this. The adjustment of the pH can be carried out by customary, known to those skilled buffer systems. These include acetate buffer, Tris buffer, etc.
Die enzymatische Hydrolyse erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 0 bis 80°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 600C.The enzymatic hydrolysis is preferably carried out at a temperature of 0 to 80 ° C, more preferably at 20 to 60 0 C.
Das erhaltene Reaktionsprodukt, die depolymerisierte Cellulose, kann in an sich bekannter Weise aus dem Reaktionsgemisch isoliert werden. In einer möglichen Ausführungsform wird die Glucose durch Zugabe von Wasser, niederen aliphatischen Alkoholen, niederen Ketonen oder protischen Lösungsmitteln mit einem niedrigen Siedepunkt ausgefällt.The reaction product obtained, the depolymerized cellulose, can be isolated from the reaction mixture in a manner known per se. In one possible embodiment, the glucose is precipitated by the addition of water, lower aliphatic alcohols, lower ketones or protic low boiling solvents.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Stoff- und/oder Energieströme so integriert, dass die eingesetzte ionische Flüssigkeit im Wesentlichen vollständig recycelt wird und/oder die im Verfahren benötigte Wärmemenge (z. B. für die Trennung von ionischer Flüssigkeit und Fällungsmittel) in einem anderen Schritt des Verfahrens zumindest teilweise eingesetzt wird. BEISPIELEIn a preferred embodiment of the process according to the invention, the material and / or energy flows are integrated so that the ionic liquid used is substantially completely recycled and / or the amount of heat required in the process (eg for the separation of ionic liquid and precipitant) is used at least partially in another step of the method. EXAMPLES
Die Erfindung wird anhand der vorliegenden Beispiele genauer erläutert:The invention will be explained in more detail with reference to the following examples:
Beispiel 1example 1
5 g σ-Cellulose wurden in 100 g 1-Butyl-3-Methylimidazolium-chlorid bei 1000C gelöst. Nach dem Auflösen der Cellulose wurden 2 ml_ destilliertes Wasser zugefügt. Die Lösung wurde weitere 15 Min. gerührt, anschließend wurde 1 g Amberlyst 15 DRY (Handelsprodukt der Firma Rohm&Haas, DE) der Lösung hinzugefügt. Die Depolymerisation der Cellulose wurde bei 1000C ausgeführt. Dem Reaktionsgemisch wurden in der ersten Stunde alle 15 Minuten und danach stündlich Proben entnommen. Den Proben wurden jeweils 25 ml Wasser hinzugefügt. Die ausgefällte Cellulose wurde mittels Zentrifugieren abgetrennt. In der Tabelle 1 wird der Verlauf des Polymerisationsgrads der erhaltenen Cellulose in Abhängigkeit von der Reaktionszeit dargestellt. Die Menge an wiedergewonnener Cellulose wurde durch Wiegen der Celluloseproben bestimmt. Diese Proben wurden mit Phenylisocyanat für die GPC-Analyse derivatisiert.5 g of σ-cellulose were dissolved in 100 g of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 0 C. After dissolving the cellulose, 2 ml of distilled water was added. The solution was stirred for a further 15 min, then 1 g of Amberlyst 15 DRY (commercial product from Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. 25 ml of water were added to each of the samples. The precipitated cellulose was separated by centrifugation. Table 1 shows the course of the degree of polymerization of the resulting cellulose as a function of the reaction time. The amount of cellulose recovered was determined by weighing the cellulose samples. These samples were derivatized with phenyl isocyanate for GPC analysis.
Die isolierten Celluloseoligomere mit einem Polymerisationsgrad von 100 Anhydroglucoseeinheiten (AGU) wurden mit Wasser gewaschen, um die ionische Flüssigkeit zu entfernen. Die wässrige Suspension der Celluloseoligomeren wurde mit einemThe isolated cellulose oligomers having a degree of polymerization of 100 anhydroglucose units (AGU) were washed with water to remove the ionic liquid. The aqueous suspension of the cellulose oligomers was treated with a
Acetatpuffer (pH 4,8) auf eine Konzentration von 10 g/L Celluloseoligomeren verdünnt. ZurAcetate buffer (pH 4.8) diluted to a concentration of 10 g / L cellulose oligomers. to
Suspension wurde eine Cellulasezubereitung in einer Konzentration von 0,5 V/V %Suspension was a cellulase preparation in a concentration of 0.5 V / V%
(Celluclast 1 ,5 L, Cellulose aus Trichoderma reesei, Novozyme, TK, 700 EGU/ml) bei 45°C verarbeitet. Mit der Hydrolyse wurde innerhalb von 4 Stunden ein Umsatz von 82 % erreicht, bestehend aus 45 % Cellubiose und 28 % Glucose. (Celluclast 1, 5 L, cellulose from Trichoderma reesei, Novozyme, TK, 700 EGU / ml) at 45 ° C processed. With the hydrolysis, a conversion of 82% was achieved within 4 hours, consisting of 45% Cellubiose and 28% glucose.
Tabelle 1. Depolymerisation von α-Cellulose mit Amberlyst 15DRY.Table 1. Depolymerization of α-cellulose with Amberlyst 15DRY.
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Figure imgf000009_0001
Pw - Gewichtsmittel des Polymerisationsgrades; Pn - Zahlenmittel des Polymerisationsgrades.P w - weight average of the degree of polymerization; P n - Number average of the degree of polymerization.
Beispiel 2Example 2
5 g or-Cellulose wurden in 100 g 1-Butyl-3-Methylimidazolium-chlorid bei 1000C gelöst. Nach dem Auflösen der Cellulose wurden 2 ml_ destilliertes Wasser zugefügt. Die Lösung wurde weitere 15 Min. gerührt, anschließend wurde 1 g Amberlyst 15DRY (Handelsprodukt der Firma Rohm&Haas, DE) der Lösung hinzugefügt. Die Depolymerisation der Cellulose wurde bei 1000C ausgeführt. Dem Reaktionsgemisch wurden in der ersten Stunde alle 15 Minuten und danach stündlich Proben entnommen. Den Proben wurden jeweils 25 ml Wasser hinzugefügt. Die ausgefällte Cellulose wurde mittels Zentrifugieren abgetrennt.5 g or-cellulose were dissolved in 100 g of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 0 C. After dissolving the cellulose, 2 ml of distilled water was added. The solution was stirred for an additional 15 min, then 1 g of Amberlyst 15DRY (commercial product of Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. 25 ml of water were added to each of the samples. The precipitated cellulose was separated by centrifugation.
Die isolierten Celluloseoligomeren wurden wie in Beispiel 1 weiter umgesetzt, mit der Ausnahme, dass 2,0 v/v % Celluclast eingesetzt wurde. Die enzymatische Hydrolyse ergab innerhalb von zwei Stunden einen Umsatz der Oligomeren von 94 %, bestehend aus 48 % Cellubiose und 46 % Glucose. Beispiel 3The isolated cellulose oligomers were further reacted as in Example 1, except that 2.0 v / v% Celluclast was used. The enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 94%, consisting of 48% Cellubiose and 46% glucose within two hours. Example 3
5 g Mikrokristalline Cellulose wurden in 100 g i-Butyl-3-Methylimidazolium-chlorid bei 1000C gelöst. Nach dem Auflösen der Cellulose wurden 2 ml_ destilliertes Wasser zugefügt. Die Lösung wurde weitere 15 Min. gerührt, anschließend wurde 1 g Amberlyst 15DRY (Handelsprodukt der Firma Rohm&Haas, DE) der Lösung hinzugefügt. Die Depolymerisation der Cellulose wurde bei 1000C ausgeführt. Dem Reaktionsgemisch wurden in der ersten Stunde alle 15 Minuten und danach stündlich Proben entnommen. Den Proben wurden jeweils 25 ml Wasser hinzugefügt. Die ausgefällte Cellulose wurde mittels Zentrifugieren abgetrennt.5 g of microcrystalline cellulose were dissolved in 100 g of i-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 ° C. After dissolving the cellulose, 2 ml of distilled water was added. The solution was stirred for an additional 15 min, then 1 g of Amberlyst 15DRY (commercial product of Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. 25 ml of water were added to each of the samples. The precipitated cellulose was separated by centrifugation.
Die isolierten Celluloseoligomeren wurden wie in Beispiel 2 weiter umgesetzt, mit der Ausnahme, dass die Hydrolyse bei 650C durchgeführt wurde. Die enzymatische Hydrolyse ergab innerhalb von zwei Stunden einen Umsatz der Oligomeren von 94 %, bestehend aus 48 % Cellubiose und 46 % Glucose.The isolated cellulose oligomers were further reacted as in Example 2, except that the hydrolysis was carried out at 65 ° C. The enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 94%, consisting of 48% Cellubiose and 46% glucose within two hours.
Beispiel 4Example 4
5 g α-Cellulose wurden in 100 g 1-Butyl-3-Methylimidazolium-chlorid bei 1000C gelöst. Nach dem Auflösen der Cellulose wurden 2 mL destilliertes Wasser zugefügt. Die Lösung wurde weitere 15 Min. gerührt, anschließend wurde 1 g Amberlyst 15DRY (Handelsprodukt der Firma Rohm&Haas, DE) der Lösung hinzugefügt. Die Depolymerisation der Cellulose wurde bei 1000C ausgeführt. Dem Reaktionsgemisch wurden in der ersten Stunde alle 15 Minuten und danach stündlich Proben entnommen. Den Proben wurden jeweils 25 ml Wasser hinzugefügt. Die ausgefällte Cellulose wurde mittels Zentrifugieren abgetrennt.5 g of α-cellulose were dissolved in 100 g of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 0 C. After dissolving the cellulose, 2 mL of distilled water was added. The solution was stirred for an additional 15 min, then 1 g of Amberlyst 15DRY (commercial product of Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. 25 ml of water were added to each of the samples. The precipitated cellulose was separated by centrifugation.
Die isolierten Celluloseoligomere mit einem Polymerisationsgrad von 50 Anhydroglucoseeinheiten (AGU) wurden wie in Beispiel 1 weiter umgesetzt. Die enzymatische Hydrolyse ergab innerhalb von vier Stunden einen Umsatz der Oligomeren von 92 %, bestehend aus 60 % Cellubiose und 32 % Glucose.The isolated cellulose oligomers having a degree of polymerization of 50 anhydroglucose units (AGU) were reacted further as in Example 1. The enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 92%, consisting of 60% Cellubiose and 32% glucose within four hours.
Beispiel 5Example 5
5 g σ-Cellulose wurden in 100 g 1-Butyl-3-Methylimidazolium-chlorid bei 1000C gelöst. Nach dem Auflösen der Cellulose wurden 2 mL destilliertes Wasser zugefügt. Die Lösung wurde weitere 15 Min. gerührt, anschließend wurde 1 g Amberlyst 15DRY (Handelsprodukt der Firma Rohm&Haas, DE) der Lösung hinzugefügt. Die Depolymerisation der Cellulose wurde bei 1000C ausgeführt. Dem Reaktionsgemisch wurden in der ersten Stunde alle 15 Minuten und danach stündlich Proben entnommen. Das erhaltene Depolymerisationsprodukt wurde durch Zugabe von Methanol ausgefällt. Die ionische Flüssigkeit wurde aus dem Präzipitat durch Extraktion mit Methanol extrahiert und die Suspension aus Celluloseoligomeren in Wasser gewaschen.5 g of σ-cellulose were dissolved in 100 g of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 0 C. After dissolving the cellulose, 2 mL of distilled water was added. The solution was stirred for an additional 15 min, then 1 g of Amberlyst 15DRY (commercial product of Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. The resulting depolymerization product was precipitated by the addition of methanol. The ionic liquid was extracted from the precipitate by extraction with methanol and the suspension of cellulose oligomers was washed in water.
Die isolierten Celluloseoligomeren mit einem Polymerisationsgrad von 100 AGU wurden wie in Beispiel 1 weiter umgesetzt. Die enzymatische Hydrolyse ergab innerhalb von zwei Stunden einen Umsatz der Oligomeren von 96 %, bestehend aus 55 % Cellubiose und 41 % Glucose.The isolated cellulose oligomers having a degree of polymerization of 100 AGU were reacted further as in Example 1. The enzymatic hydrolysis resulted in a turnover of the oligomers of 96%, consisting of 55% Cellubiose and 41% glucose within two hours.
Beispiel 6Example 6
5 g Holz wurden in 100 g i-Butyl-3-Methylimidazolium-chlorid bei 1000C gelöst. Nach dem Auflösen der Cellulose wurden 2 mL destilliertes Wasser zugefügt. Die Lösung wurde weitere 15 Min. gerührt, anschließend wurde 1 g Amberlyst 15DRY (Handelsprodukt der Firma Rohm&Haas, DE) der Lösung hinzugefügt. Die Depolymerisation der Cellulose wurde bei 1000C ausgeführt. Dem Reaktionsgemisch wurden in der ersten Stunde alle 15 Minuten und danach stündlich Proben entnommen. Den Proben wurden jeweils 25 ml Wasser hinzugefügt. Die ausgefällte Cellulose wurde mittels Zentrifugieren abgetrennt. In der Tabelle 2 wird der Verlauf des Polymerisationsgrads der erhaltenen Cellulose in Abhängigkeit von der Reaktionszeit dargestellt. Diese Proben wurden mit Phenylisocyanat für die GPC-Analyse derivatisiert.5 g of wood were dissolved in 100 g of i-butyl-3-methylimidazolium chloride at 100 0 C. After dissolving the cellulose, 2 mL of distilled water was added. The solution was stirred for an additional 15 min, then 1 g of Amberlyst 15DRY (commercial product of Rohm & Haas, DE) was added to the solution. The depolymerization of the cellulose was carried out at 100 ° C. The reaction mixture was sampled every 15 minutes for the first hour and hourly thereafter. 25 ml of water were added to each of the samples. The precipitated cellulose was separated by centrifugation. Table 2 shows the course of the degree of polymerization of the resulting cellulose as a function of the reaction time. These samples were derivatized with phenyl isocyanate for GPC analysis.
Tabelle 2. Depolymerisation von Holz mit Amberlyst 15DRY.Table 2. Depolymerization of wood with Amberlyst 15DRY.
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0001
Pw - Gewichtsmittel des Polymerisationsgrades; Pn - Zahlenmittel des Polymerisationsgrades.P w - weight average of the degree of polymerization; P n - Number average of the degree of polymerization.
Beispiel 7 α-Cellulose, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Säure in ionischer Flüssigkeit vorbehandelt worden war, wurde mit einem Acetatpuffer (pH 4,8) gemischt, wobei eine Suspension von 10 g/L erhalten wurde. Die Suspension wurde wie in Beispiel 5 mit Cellulase behandelt, wobei eine Umwandlung von 35 %, bestehend aus 17 % Cellobiose und 18 % Glucose innerhalb von 4 Stunden erhalten wurde.Example 7 α-cellulose which had not been pretreated with an acid in ionic liquid according to the present invention was mixed with an acetate buffer (pH 4.8). whereby a suspension of 10 g / L was obtained. The suspension was treated with cellulase as in Example 5 to give a conversion of 35% consisting of 17% cellobiose and 18% glucose within 4 hours.
Beispiel 8 σ-Cellulose, die in einer ionischen Flüssigkeit behandelt wurde, aber nicht in Gegenwart einer festen Säure depolymerisiert wurde, hatte einen Depolymerisationsgrad zwischen 1.000 und 2.000 AGU. Dieses Material wurde wie in Beispiel 1 in einen Acetatpuffer (pH 4,8) gemischt, sodass sich eine Suspension von 10 g/L ergab. Diese Suspension wurde wie in Beispiel 1 mit Cellulase behandelt. Die enzymatische Hydrolyse der α-Cellulose, die aus der ionischen Flüssigkeit entfernt wurde, ergab eine Abbaurate von 78 %, und bestand zu 43 % aus Cellubiose und 35 % Glucose innerhalb von 1 ,5 Stunden. Example 8 σ-cellulose treated in an ionic liquid but not depolymerized in the presence of a solid acid had a degree of depolymerization between 1,000 and 2,000 AGU. This material was mixed into an acetate buffer (pH 4.8) as in Example 1 to give a suspension of 10 g / L. This suspension was treated with cellulase as in Example 1. The enzymatic hydrolysis of the α-cellulose, which was removed from the ionic liquid, gave a degradation rate of 78%, and consisted 43% of Cellubiose and 35% glucose within 1.5 hours.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Depolymerisation von Cellulose, in welchem eine Lösung von Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit mit einem festen Säurekatalysator in Kontakt gebracht wird und in einem nachfolgenden Schritt die erhaltene depolvmerisierte Cellulose einer enzymatischen Hydrolyse unterworfen wird.A process for the depolymerization of cellulose in which a solution of cellulose in an ionic liquid is contacted with a solid acid catalyst and in a subsequent step the resulting depolvmerized cellulose is subjected to enzymatic hydrolysis.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit ausgewählt ist aus alkylierten Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- oder Phosphonium-Kationen mit Anionen ausgewählt aus Halogeniden, anorganischen, komplexen Anionen, wie Tetrafluoroboraten, und organischen Ionen, wie Trifluoromethansulfonamid.2. The method according to claim 1, characterized in that the ionic liquid is selected from alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium cations with anions selected from halides, inorganic, complex anions, such as tetrafluoroborates, and organic ions, such as trifluoromethanesulfonamide ,
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der feste saure Katalysator ausgewählt ist aus sauren Ionenaustauschern, Metalloxiden oder zeolithischen Materialien.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the solid acid catalyst is selected from acidic ion exchangers, metal oxides or zeolitic materials.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein saurer Ionenaustauscher und/oder ein anorganisches Material ist, die auf der Oberfläche Modifikationen in Form von -SO3H- oder -OSO3H-Funktionalisierung und/oder phosphorische Oberflächenmodifikationen aufweist.4. The method according to claim 3, characterized in that the catalyst is an acidic ion exchanger and / or an inorganic material having on the surface modifications in the form of -SO 3 H or -OSO 3 H-functionalization and / or phosphoric surface modifications ,
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Behandlung mit dem festen Säurekatalysator erhaltene depolymerisierte Cellulose einen Polymerisationsgrad Pw zwischen 20 und 100 aufweist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the obtained from the treatment with the solid acid catalyst depolymerized cellulose has a degree of polymerization P w between 20 and 100.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die enzymatische Hydrolyse Cellulase oder eine Cellulasepräparation verwendet wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for the enzymatic hydrolysis cellulase or a cellulase preparation is used.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzyme als Ganzzellpräparation, als Zellextrakt, oder als Mischung aus Zellextrakten, als aufgereinigte Enzympräparation, oder als immobilisierte Enzympräparation vorliegen.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the enzymes are present as a whole cell preparation, as a cell extract, or as a mixture of cell extracts, as a purified enzyme preparation, or as immobilized enzyme preparation.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Cellulasepreparation ein Gemisch ist aus Cellobiohydrolasen, Endoglucanasen sowie beta-Glucosidasen.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the Cellulasepreparation is a mixture of cellobiohydrolases, endoglucanases and beta-glucosidase.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyse bei einem pH-Wert zwischen 3,5 und 8 durchgeführt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the hydrolysis is carried out at a pH between 3.5 and 8.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolyse bei einer Termperatur zwischen 20 und 800C durchgeführt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the hydrolysis is carried out at a temperature of between 20 and 80 0 C.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die depolymerisierte Cellulose durch Zugabe von Wasser, niederen aliphatischen11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the depolymerized cellulose by addition of water, lower aliphatic
Alkoholen, niederen Ketonen oder protischen Lösungsmitteln mit einem niedrigen Siedepunkt ausgefällt wird. Alcohols, lower ketones or protic solvents with a low boiling point is precipitated.
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