DE2541960C3

DE2541960C3 - Herstellung von Alkohol aus Cellulose

Info

Publication number: DE2541960C3
Application number: DE2541960A
Authority: DE
Inventors: William Frederick Pittsburgh Pa. Gauss (V.St.A.); Shuzo Suzuki; Motoyoshi Takagi
Original assignee: BIO RESEARCH CENTER Co Ltd TOKIO
Current assignee: BIO RESEARCH CENTER Co Ltd TOKIO
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1979-11-22
Also published as: FI752593A7; NL7510948A; FI54807B; JPS5839517B2; US3990944A; DE2541960A1; IT1042715B; NO144115C; FR2285455B1; SE430792B; GB1488318A; BE833458A; DK140764B; JPS5135484A; DE2541960B2; NO753199L; DK422375A; NO144115B; SE7510457L; FR2285455A1

Description

Bisher hat man bei der Herstellung von Alkohol (Äthanol) aus Cellulose in der ersten Stufe eine Cellulase auf das Cellulosesubstrat einwirken lassen, um die Cellulose enzymatisch zu Glucose zu verzuckern, und in der zweiten Stufe gesondert die entstandene Glucose mit einem aikohoierzeugenden Mikroorganismus zu Alkohol umgesetzt. Bei diesem bekannten Verfahren erzielt man nur eiricn niedrigen Umwandlungsgrad der Cellulose zu Glucose durch Einwirkung der Cellulase, und mithin fallen große Mengen von rtichtumgewandelter Cellulose als Rückstand an. Wenn man daher das Produkt einer solchen Behandlung von Cellulose mit Cellulase als Ausgangsgut für die Fermentation zu Alkohol verwenden will, muß man die Glucose, ζ. Β. durch Filtration, von dem Produkt trennen. Es besteht also außer dem Nachteil, daß die Glucosekonzentralion in der verzuckerten Flüssigkeit infolge des niedrigen Unv-vandlungsgrades von Cellulose zu Glucose nur gering ist. bei der Herstellung von Glucose nach dieser bekannten Methode die Möglichkeil, daß Glucose bei dem oben beschriebenen Trennvorgang verlorengeht. Infolgedessen erhlät man nur geringe Alkoholausbeuten. wenn man die verzuckerte Flüssigkeit fermentiert.

Dieses Verfahren wurde trotz der niedrigen Ausbeuten und trotz des aus der deutschen Patentschrift P 12 572 IVa/bb bekannten Verfahrens, wonach die in Sulfitablauge enthaltenen Polyosen durch Piizamylase in Gegenwart von Hefe in vergärbare Zucker gespalten werden, beibehalten, da aus der Literatur bekannt war, daß eine Übertragung dieses Verfahrens auf Alkohol herstellung aus Cellulose eher eine Verschlechterung als eine Verbesserung ergeben wurde, weil aus Trichoderma viride und Aspergillus niger gewonnene Cellulase. die seit l%l mdusiriell hergestellt und zu den im Handel erhältlichen Cellulasen zählen, eine inykolytische Wirkung hat und die Zellwände der verschiedensten Schimmelpilze, höheren Pilze und Hefen zerstört. Fs mußte daher erwartet werden, daß die gleichzeitige Umsetzung von Cellulose, Cc-Ilulasc und Hefe zur Zerstörung der Hefe führt und infolgedessen überhaupt kein Alkohol erzeugt wird

Überraschenderweise wurde jedoch gemäß der Erfindung gefunden, daß dieses Vorurteil nicht haltbar ist und man bei der gleichzeitigen Umsetzung von Cellulose mit aus Trichudcmia νirtüc gewonnene Cellulase und Saccharomyces cerevisiae nicht nur eine gleiche Ausbeute gegenüber dem zweistufigen Verfahren erhält, sondern sogar eine Steigerung der Alkoholausbeute um 400%.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus Cellulose, bei dem Cellulose enzymatisch durch eine aus Trichoderma viride gewonnene Cellulase zu Glucose verzuckert und

die Glucose durch Saccharomyces cerevisiae unter anaeroben Bedingungen zu Alkohol fermentiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Cellulose, die Cellulase und Saccharomyces cereviseae gleichzeitig umsetzt

Es wird angenommen, daß die Glucoseausbeuten bei der herkömmlichen Verzuckerung von Cellulose zu Glucose mit Hilfe einer Cellulase deshalb so gering sind, weil die Reaktion nicht nur durch die sich bildende Glucose, sondern auch durch die als Nebenprodukt entstehende Cellobiose gehemmt wird. Ei. ist daher anzunehmen, daß die gleichzeitige Anwesenheit des alkoholerzeugenden Mikroorganismus und der Cellulase in dem Reaktionsgemisch im Sinne der Erfindung zur Umwandlung von Glucose in Alkohol führt, so daß die enzymatische Umwandlung der Cellulose in Glucose weiter fortschreiten kann, als es der Fall wäV., >venn die Glucose nicht in dieser Weise umgewandelt werden würde. Jedenfalls führt die Erfindung dazu, daß die Verzuckerungsreaklion glatt und unter bedeutender Erhöhung der Gesamtausbeute an Alkohol aus Cellulose verläuft.

Die als Ausgangsstoffe für das Verfahren gemäß der Erfindung geeigneten Cellulosesubstrate umfassen gereinigte Cellulosen. landwirtschaftliche Erzeugnisse wie Baumwolle, Hol?. Reisstroh, Weizenstroh. Maiskolben, und andere vorwiegend aus Cellulose zusammengesetzte Stoffe, wie Zeitungspapier. Wellpappe. Zeilschriftenpapier und Abfallpapier. Um diese Stoffe in wirksamer Weise als Substrate für die Verzuckerungsreaktion in Gegenwart von Cellulase verwenden zu können, ist es zweckmäßig, sie zu pulvern oder zu zerkleinern. Für die Hydrolyse dieser Cellulosesubstrate genügt die Verwendung einer im Handel erhältlichen Cellulase aus Trichoderma viride.

Ebenso kann man eine cellulaschaltige Flüssigkeit, nämlich eine Kulturflüssigkcit von Trichoderma viride, verwenden.

Als gleichzeitig mit der Cellulase anzuwendender alkoholerzeugender Mikroorganismus wird als Mikroorganismus Saccharomyces ccievisiae verwendet, der auch bisher schon zur Umwandlung von Glucose in Äthanol verwendet worden ist.

Um das Ccllulosesubstrat gleichzeitig mit der Cellulase und dem alkoholerzeugenden Mikroorganismus umsetzen zu können, wird eine wäßrige Suspension hergestellt, die Cellulose oder einen vorwiegend aus Cellulose bestehenden Stoff in Konzentrationen von I bis 30 Gewichtsprozent enthält, und G cse Suspension wird wärmesterilisiert und mit der Cellulase (oder einer cclN'.ischaltigen Fhissgigkei!) sowie dem zuvor gezüchteten alkoholcr/.-iigcndcn Mikroorganismus versetzt; die Reaktion verläuft anareob bei Temperaturen von etwa 25bis 35"C.

Wenn die Umsetzung, wie oben beschrieben, durchgeführt wird, kann man, wie nachstehend an Hand eines Beispiels erläutert wird, eine etwa viermal so hohe Alkoholausbeute erzielen wie bei dem eingangs beschriebenen herkömmlichen zweistufigen Verfahren. Die Lr/xugung von Alkohol aus Cellulose nach dem Verfahren gemäß der Erfindung bietet den weiteren Vorteil, daß sie in einem einstufigen Arbeitsgang erfolgt. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Methode, die aus zwei Stufen besteht, nümlich aus der Verzuckerung eines Celluloscsubstfals mit einer Cellulase, der Abtrennung des Verzuckerungsprodukis durch Filtrieren und der anschließenden Fermentierung des verzuckerten, flüssigen Filtrats, erfolgen bei dem

erfindungsgemäßen Verfahren die Verzuekerungsrealilion eines Cellulosesubsirats mit der Cellulase und die alkoholische Gärung der bei der Verzuckerungsreali.-tion entstandenen Glucose gleichzeitig in einer Stufi:. Die Arbeitsweise gemäß der Erfindung hat also einen hohen Wirkungsgrad.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Alkhol in wirksamer Weise aus Cellulose, aus landwirtschaftlichen Erzeugnissen oder aus Abfällen, die vorwiegend aus Cellulose bestehen, erzeugt wird, bringt die Erfindung nicht nur hinsichtlich der Herstellung von Alkohol, sondern auch hinsichtlich der wirksamen Ausnutzung von Cellulosequellen einen erheblichen technischen Fortschritt mit sich.

Beispiel

Ein Substrat wird hergestellt, indem man 12^g Holzzellsloff (mit einem Cellulosegehalt von 8C Gewichtsprozent) ·η 100 g Wasser suspendiert, die 0,25 g Asparagin ate Stickstoffquelle, 0,1 gMonokaliumphosphat (KH₂PO₄), 03 g Magnesiumsulfat (MgSO₄ - 7H₂O) und 0,02 g Heieextrakt in Lösung enthalten. Das Gemisch wird mit einem Acetalpuffer auf einen pH-Wert von 4,0 eingestellt und dann wärmeslerilisierLZu dem Gemsich werden 1 g handelsübliche raffinierte Cellulase aus Trichoderma viride und zwei Platinschleifen Saccharomyccs cerevisiae zugesetzt, die direkt aus einem Agar-Schrägröhrchert entnommen worden ist, und das Gemisch wird 9fi> Stunden anaerob bei 30⁰C reagieren gelassen. Wenn da;.. Reaktionsgemisch zu diesem Zeitpunkt analysiert wird, wird die Bildung ifon 2 g Alkohol .n dem Substrat festgestellt Wenn die Reaktion 'veitere 96 Stunden fortgesetzt wird, bilden sich schließlich 4 j Alkohol.

Vergleichsbeispiel

Zu Vergleichszwecken wird die Herstellung von Alkohol nach dem nachstehend beschriebenen Verfahren gemäß der herkömmlichen zweistufigen Mehthode durchgeführt:

Zu einer Substratsuspension von Holzzellstoh in Wasser in den oben angegebenen Mengen setzt man 1 g der gleichen handelsüblichen raffinierten Gellulase aus Trichoderma viride zu und läßt das Gemisch 96 Stunden lang bei 40^G reagieren. Die Menge an reduzierendem Zucker in der so erhaltenen verzuckerten Flüssigkeit beliügt 5 g, wovon 60% (3 g) aus Cellobiose und die restlichen 2 g aus Glucose bestehen. Wenn die Reaktion weitere 96 Stunden fortgesetzt wird, ändert sich die Menge an reduzierendem Zucker nicht weiter. Die so erhaltene verzuckerte Flüssigkeit wird mit der gleichen Slickstoffquelle, dem gleichen Phosphat und den übrigen anorganischen Salzen, wie oben beschrieben, gemischt und das Gemisch wärmesterilisiert. Dann wird zu dem Gemisch Saccharomyces cerevisiae zugesetzt, worauf man die Fermentation durchführt Nach beendeter Gärung beträgt die Menge des entstandenen Alkohols etwas weniger als 1 g.

Da in diesem Falle <ier als Fermentationssubstrat dienende Glucosegehalt der verzuckerten Flüssigkeit 2 g beträgt, hätte die Ausbeute an Alkohol maximal nicht mehr als I g betragen können.

Aus dem obigen Verglcichsbeispiel ist zu ersehen, daß die Erfindung die Erzeugung von Alkohol in Ausbeuten ermöglicht, die bedeutend höher sind als diejenigen, die nach der bekannten zweistufigen Methode erhältlich sind.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus Cellulose, bei dem Cellulose enzymatisch durch eine aus Trichoderma viride gewonnene Cellulase zu Glucose verzuckert und die Glucose durch Saccharomyces cerevisiae unter anaeroben Bedingungen zu Alkohol fermentiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Cellulose, die Cellulase und Saccharomyces cerevisiae gleichzeitig umsetzt.