AT508867A1 - Verfahren zur herstellung von zuckern aus einem lignocellulosischen material - Google Patents

Description

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Verfahren zur Herstellung von Zuckern aus einem lignocellulosischen Material

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zuckern, insbesondere Pentosen und Hexosen, aus einem lignocellulosischen Material. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Gewinnung von Alkohol aus den Zuckern. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung und Patentansprüche soll der Begriff „Zucker“ auch „Zucker-Oligomere“ umfassen.

Im Zusammenhang mit der Verknappung von Rohöl und der Diskussion um Getreide als Energielieferant gewinnt der nachwachsende Rohstoff Lignocellulose (Stroh, Holz, Papierabfälle etc.) als Ausgangsmaterial für Treibstoffe oder chemische Produkte sehr an Bedeutung. Die Konversion der Lignocellulose kann nach zwei grundlegend verschiedenen Wegen erfolgen: 1) der „Thermochemical Platform“, bei der die Lignocellulose zuerst vergast und die Synthesegase zu gewünschten Produkten synthetisiert werden, und 2) die „Sugar Platform“, bei der das Hauptinteresse in der Nutzung der in den Polymeren Cellulose und Hemicellulosen gebundenen Zucker besteht, während Lignin noch vorwiegend energetisch genutzt wird. Die vorliegende Erfindung ist dem zweiten Weg zuzuordnen.

Im Gegensatz zur Stärke liegen die Zucker der Lignocellulose in eng vernetzten, polymeren, kristallinen Strukturen, der Cellulose und Hemicellulosen vor, die zusätzlich von einem Ligninmantel umhüllt sind, wodurch sich ein äußerst dichter Komplex ergibt. Der naheliegendste Weg, um aus Lignocellulose Zucker zu gewinnen, wäre der direkte Einsatz von Cellulasen und Hemicellulasen. Dies wird jedoch am Rohstoff Stroh oder Holz durch die Dichte des oben erwähnten Komplexes erschwert. Durch ihr hohes Molekulargewicht sind Enzyme nicht imstande durch die engen Poren in die Lignocellulose einzudringen. Dies bedeutet, dass ein erster Schritt gesetzt werden muss, der die Porosität der Lignocellulose erhöht und dadurch die weitere enzymatische Verzuckerung ermöglicht.

Dieser erste Schritt wird als „Pretreatment“ (Vorbehandlung, Aufschluss) bezeichnet. Er ist durchwegs sehr aufwändig, sodass z.B. bei der Herstellung von „second generation biofuels“ bis zu 1/3 der Produktionskosten dafür aufgewendet werden müssen, was die Rentabilität negativ beeinflusst. Die angewandten Verfahren zielen entweder darauf ab, primär die Hemicellulosen zu verflüssigen (z.B. steam explosion-, dilute acid-pretreatment) oder die Erhöhung der Porosität durch Verflüssigung von Lignin (z.B. lime-, ammonia-pretreatment) zu erreichen. A13210 : :: :: ::,. .2:,. • · · ··«· · ♦ · · ···· * · · · · ·

Das aufgeschlossene Lignocellulose-Substrat kann zur Gewinnung von Zuckern bzw. ihrer Oligomere enzymatisch weiterbehandelt werden, wobei die Art der Vorbehandlung starken Einfluss auf die Enzymaktivität und die Ausbeute haben kann. Bei hohen Reaktionstemperaturen entstehen vielfach toxische Abbauprodukte (z.B. Furfural), welche im Falle einer unmittelbar angeschlossenen Ethanol-Gärung, die Hefen hemmen können (Chandra et ab, 2007; Mansfield et ab, 1999).

Alle diese Verfahren haben einen gravierenden Nachteil, dass sie sind entweder energieaufwändig sind und vorwiegend bei Temperaturen knapp unter 200°C ablaufen, oder dass sie eine aufwändige Rückgewinnung der Aufschlusschemikalien erfordern.

Eine technologische Verbesserung in diesem Bereich, z.B. durch die Entwicklung von nahezu neutralen Niedertemperaturverfahren (d.h. bei einer Temperatur von unter 100°C), würde einen entscheidenden Fortschritt bei jeglicher stofflicher Nutzung des Rohstoffes Lignocellulose bedeuten. Dies ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Aus der EP 1 025 305 Bl ist ein chemisches Verfahren zur Lignin-Depolymerisation bekannt. Es beruht auf der katalytischen Wirkung von komplexiertem Kupfer in Verbindung mit Wasserstoffperoxid oder organischen Hydroperoxiden und ist im Stande, Lignin bei Temperaturen unter 100°C oxidativ zu spalten. Die dabei eingesetzten Komplexbildner sind Pyridin-Derivate. An synthetischen Ligninmodellen konnte nachgewiesen werden, dass bei Verwendung von H2O2 als Oxidationsmittel eine Spaltung in der Propylseitenkette des Ligninmoleküls erfolgt, wodurch das Ligninpolymer zu oligomeren Untereinheiten zerfällt. Bei Einsatz des Cu-Systems mit einem Überschuss an organischen Hydroperoxiden ist es möglich, Holz zu delignifizieren. Das auf H2O2 basierte System erscheint technisch besser umsetzbar zu sein und wurde als Bleichzusatz bei der Peroxidbleiche von Kraft-Zellstoff getestet und führte zu einer verbesserten Delignifizierungsrate und höherem Weißegrad.

Ferner ist aus Chupka et al. (1993) bekannt, dass die Effizienz einer alkalischen Katalyse der Oxidation von Holz und Lignin beträchtlich zunimmt, wenn dem wässerigen Reaktionsmedium ein organisches Lösungsmittel, z.B. DMSO, Aceton, Ethanol, zugegeben wird. Ferner geben die Autoren an, dass bei pH-Werten über 11 ein scharfer Anstieg der Oxidation des Holzes und des Lignins stattfindet.

Aus der WO 01/059204 ist ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff bekannt, bei dem das Ausgangsmaterial einer Vorbehandlung unterzogen wird, wobei das Material mit einer Pufferlösung und einem Delignifizierungskatalysator (Übergangsmetall) behandelt wird. Die • · ···· ···· ·· • · ···· ···· ·· A13210 • · • · Λ · ·3 · · · • t · · · · · • · · · · · • · ··· ·· ··

Delignifizierung wird in Gegenwart von Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Ozon durchgeführt.

Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Zuckern dadurch gekennzeichnet daß lignocellulosisches Material mit einer wässerigen Lösung, welche Wasserstoffperoxid, einen Alkohol, insbesondere einen Cm-Alkohol, oder ein Phenol, und eine Base enthält, behandelt wird, um Lignocellulose oxidativ bei einer Temperatur von unter 100°C zu spalten und Spaltprodukte aus dem Material abzutrennen, wobei ein mit Cellulose und Hemicellulose angereichertes Material erhalten wird, und das erhaltene, mit Cellulose und Hemicellulose angereicherte Material mit einem Kohlenhydrat-spaltenden Enzym behandelt wird, um die Zucker zu gewinnen.

Als Alkohol eignen sich ein- oder mehrwertige Ci-6-Alkohole, insbesondere ein Cm-Alkohol, Glycole (Ethandiole, Propan-, Butan-, Pentan-, Hexandiole), Glycerin, Propenol, Butenol, Cyclopentanol, Cyclohexanol, Benzylalkohol, und Phenole, Cresole, Catechole, Naphthole, aber auch Aminoalkohole, wie Ethanolamin, Methanolamin und Hexanolamin.

Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein mit einer wässerigen, basischen Wasserstofiperoxidlösung, welche einen der oben erwähnten Alkohole, insbesondere einen Cm-Alkohol, enthält, behandeltes lignocellulosisches Material enzymatisch in höherer Ausbeute zu Zuckern verarbeitet werden kann, als ein auf eine sonstige Art delignifiziertes Material, insbesondere ohne den Zusatz von Alkohol. Als Zucker werden hauptsächlich Pentosen und Hexosen gebildet.

Als lignocellulosisches Material wird vorzugsweise Stroh eingesetzt. Stroh hat eine stark hydrophobe Oberfläche, sodaß die Benetzung mit wässerigen Lösungen ein Problem darstellt. Es hat sich gezeigt, dass es durch die Verwendung von Alkohol möglich ist, selbst ohne Druck die Reaktionslösung in die Poren des Substrates einzubringen und die vorhandene Luft durch Reaktionslösung zu ersetzen. Sollten mit dem Stroh Metallionen eingebracht werden, welche das Wasserstoffperoxid teilweise zerstören, so sollte ein Komplexbildner für die Metallionen zugegeben werden.

Ferner hat sich gezeigt, dass Alkohol die Extraktion der Spaltprodukte aus Stroh beschleunigt und dazu beiträgt, die Ligninspaltprodukte in Lösung zu halten. Als Alkohol eignet sich insbesondere Ethanol, Propanol und Butanol, inklusive deren Isomeren. • ·

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Bei der Alkoholproduktion sind die Enzymkosten ein entscheidender Kostenfaktor. Diese resultieren zum Teil auch aus unspezifischen Bindungen der hydrolytischen Enzyme an das Lignin. Die teilweise Entfernung des Lignins reduziert diesen Aktivitätsverlust und wirkt sich kostengünstig aus.

Alkohol führt dazu, dass im alkalischen Bereich die Menge der während der Reaktion zusätzlich zum Lignin freigesetzten Hemicellulose-Spaltprodukte reduziert wird. Die Vorteile für den Prozess sind:

Hohe Selektivität des Ligninabbaus. Für den Fall einer Abtrennung der Extraktionslösung vom Feststoff:

Sehr geringe Konzentration an Hemicellulose Spaltprodukten in der Extraktionslösung: die Hemicellulose bleibt im Feststoffanteil und dadurch für die enzymatische Hydrolyse und Zuckergewinnung erhalten.

Die letzten beiden Punkte, kaum Hemicelluose-Spaltprodukte im Extrakt und die erhöhte Löslichkeit des Lignins, erhöhen die Durchsatzraten bei einer eventuellen Abtrennung des Feststoffes durch Filtration.

Die alkoholische Lösung des Lignin-Extraktes bietet verbesserte Möglichkeiten in der weiteren Aufarbeitung des Lignins und der Herstellung von Produkten aus Lignin:

Es wirkt weiterhin als Scavenger und Lösungsmittel für Spaltprodukte aus einer enzymatischen, biomimetischen oder chemischen Depolymerisation der höhermolekularen Lignin-Spaltprodukte zu niedermolekularen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als lignocellulosisches Material Stroh eingesetzt. Stroh hat eine stark hydrophobe Oberfläche, sodass die Benetzung mit wässrigen Lösungen allgemein ein Problem darstellt. Beim bekannten Steamexplosion-Verfahren wird die Reaktionslösung durch den Druck eingebracht. Es hat sich gezeigt, dass es durch die erfindungsgemäße Verwendung von Alkohol jedoch möglich ist, auch ohne Druck die Reaktionslösung in die Poren des Substrates einzubringen und die vorhandene Luft durch Reaktionslösung zu ersetzen. Dies wird durch das Absinken des Substrates im wässerigen Reaktionsmedium bestätigt.

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Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der pH-Wert der wässerigen Lösung vor der Behandlung des lignocellulosischen Materials kleiner als 11,0 und größer als 10,0 ist und dass während der Behandlung keine Base zugegeben wird. Dies ist inbesondere für die enzymatische Weiterverarbeitung der Zucker zu Alkohol von Vorteil, da sich gezeigt hat, dass der pH-Wert während der Behandlung sinkt, sodaß nur wenig Chemikalien zur Einstellung des optimalen pH-Werts für die anschließende enzymatische Spaltung der Kohlenhydrate und Vergärung der Zucker zu Alkohols benötigt werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das lignocellulosische Material vorzugsweise in der wässerigen Lösung in einer Stoffdichte von 5-40 Gew.-% eingesetzt.

Mit dem nachstehenden Beispiel und Vergleichsbeispiel wird der Einfluß der Vorbehandlung in Gegenwart von Alkohol auf die Ausbeute an reduzierenden Zuckern nach enzymatischer Hydrolyse dokumentiert.

Beispiel

Weizenstroh wird auf eine Partikelgröße von ca. 2 cm zerkleinert. 2,5 g zerkleinertes Weizenstroh wird in einem 500 ml Reaktionsgefaß in 200 ml einer Lösung, bestehend aus 49,5% Wasser, 50% Ethanol und 0,5% Wasserstoffperoxid suspendiert. Die Suspension wird auf 50 °C im Wasserbad erhitzt, thermostatisiert und der pH-Wert der Suspension mit wässriger NaOH-Lösung auf einen Ausgangs-pH Wert von 11 eingestellt. Die Mischung wird bei 200 rpm, 60°C, 24h kontinuierlich gerührt. Danach wird der Feststoffanteil abfiltriert und mit 1L destilliertem Wasser gewaschen.

Zur enzymatischen Hydrolyse wurden von jedem Parallel versuch 100 mg vorbehandeltes Substrat mit 9,8 ml 50mM Na-Acetat Puffer auf pH 4,8 gestellt und mit 200 pL Accellerase 1000 Suspension (www.genencor.com) versetzt. Accellerase ist eine Enzymmischung aus Cellulasen und Hemicellulasen. Die enzymatische Hydrolyse wurde bei 50°C in einem Schüttelwasserbad durchgeführt. Die nach 48 h freigesetzten löslichen Monomere aus Hexosen und Pentosen wurden in Form reduzierender Zucker nach der DNS Methode in 1ml flüssigem Überstand bestimmt, auf die Menge eingewogenen vorbehandelten Substrates bezogen und in Prozent der maximalen theoretischen Ausbeute ausgedrückt.

Die theoretische maximale Ausbeute reduzierender Zucker wurde gesondert bestimmt und beträgt 705 mg +/- 5% pro g unbehandeltes Stroh. ß: . A13210

Pro Versuchsansatz wurden jeweils 5 Parallelversuche durchgefuhrt. Die Ausbeute an reduzierenden Zuckern betrug 99% +/- 4%. V ergleichsbeispiel

Das obige Beispiel wurde wiederholt, jedoch ohne Alkoholzusatz. Die Ausbeute an reduzierenden Zuckern betrug lediglich 64% +/- 3%.

Claims (7)

1. • · ·« · · »»····«« t« • · ·« · · »»····«« t« A13210 • ·· · · ·*.<» «7 *»· • ·· ·«»· · · · · | · » · · «·«·· Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Zuckern, gekennzeichnet durch die Kombination der Maßnahmen, daß lignocellulosisches Material mit einer wässerigen Lösung, welche Wasserstoffperoxid, einen Alkohol, insbesondere einen Cm-Alkohol, oder ein Phenol, und eine Base enthält, behandelt wird, um Lignocellulose oxidativ bei einer Temperatur von unter 100°C zu spalten und Spaltprodukte aus dem Material abzutrennen, wobei ein mit Cellulose und Hemicellulose angereichertes Material erhalten wird, und das erhaltene, mit Cellulose und Hemicellulose angereicherte Material mit einem Kohlenhydrat-spaltenden Enzym behandelt wird, um die Zucker zu gewinnen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der wässerigen Lösung vor der Behandlung des lignocellulosischen Materials kleiner als 11,0 und größer als 10,0 ist und dass während der Behandlung keine Base zugegeben wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als lignocellulosisches Material Stroh eingesetzt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lignocellulosische Material in der wässerigen Lösung in einer StofFdichte von 5-40 Gew.-% vorliegt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltenen Zucker zu Alkohol vergoren werden, welcher abgetrennt und gewonnen wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulose bei einer Temperatur unter 80°C gespalten wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lignocellulose bei einer Temperatur unter 60°C gespalten wird.