DE2541960B2 - Herstellung von Alkohol aus Cellulose - Google Patents

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 alkoholerzeugenden Mikroorganismus zu Alkohol umgesetzt Bei diesem bekannten Verfahren erzielt man nur einen niedrigen Umwandlungsgrad der Cellulose zu Glucose durch Einwirkung der Cellulase, und mithin fallen große Mengen von nichtumgewandelter Cellulose a!s Rückstand an. Wenn man daher das Produkt einer solchen Behandlung von Cellulose mit Cellulase als Ausgangsgut für die Fermentation zu Alkoho;. verwenden will, muß man die Glucose, ζ. Β. durch Filtration, von dem Produkt trennen. Es besteht also aufler dem Nachteil, daß die Glucosekonzentration in der verzuckerten Flüssigkeit infolge des niedrigen Umwandlungsgrades von Cellulose zu Glucose nur gering ist, bei der Herstellung von Clucose nach dieser bekannten Methode die Möglichkeit, 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/6b bekannten Verfahrens, wonach die in Sulfitablauge enthaltenen Polyosen durch Pilzamylase in Gegenwart von Hefe in vergärbare Zucker gespalten werden, beibehalten, da aus der Literatur bekannt war, daß eine Übertragung dieses Verfahrens auf Alkoholherstellung aus Cellulose eher eine Verschlechterung als eine Verbesserung ergeben würde, weil aus Trichoderma viride und Aspergillus niger gewonnene Cellulase, die seit 1961 industriell hergestellt und zu den im Handel erhältlichen Cellulasen zählen, eine mykolytische Wirkung hat und die Zellwände der verschiedensten Schimmelpilze, höheren Pilze und Hefen zerstört. Es mußte daher erwartet werden, daß die gleichzeitige Umsetzung von Cellulose, Cellulase 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 Trichoderma viride 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 Ceiiuiase zu GiüCOSc vci'ZUCkcFi 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

ίο Glucose, sondern auch durch die als Nebenprodukt entstehende Cellobiose gehemmt wird. Es 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 wäre, wenn die Glucose nicht in dieser Weise umgewandelt werden würde, jedenfalls führt die Erfindung dazu, daß die Verzuckerungsreaktion 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, Holz, Reisstroh, Weizenstroh, Maiskolben, und andere vorwiegend aus Cellulose zusammengesetzte Stoffe, wie Zeitungspapier, Wellpappe, Zeitschriftenpapier und Abfallpapier. Um diese Stoffe in wirksamer

w Weise als Substrate für die Verzuckerungsreaktion in Gegenwart von Cellu5ase 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 cellulasehaltige Flüssigkeit, nämlich eine Kulturflüssigkeit von Trichoderma viride, verwenden.
Als gleichzeitig mit der Cellulase anzuwendender alkoholerzeugender Mikroorganismus wird als Mikroorganismus Saccharomyces cerevisiae verwendet, der auch bisher schon zur Umwandlung von Glucose in Äthanol verwendet worden ist.
Um das Cellulosesubstrat 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 1 bis 30 Gewichtsprozent enthält, und diese Suspension

so wird wärmesterilisiert und mit der Cellulase (oder einer cellulasehaltigen Flüssgigkeit) sowie dem zuvor gezüchteten alkoholerzeugenden Mikroorganismus versetzt; die Reaktion verläuft anareob bei Temperaturen von etwa 25 bis 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 Erzeugung 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, nämlich aus der Verzuckerung eines Cellulosesubstrats mit einer Cellulase, der Abtrennung des Verzuckerungsprodukts durch Filtrieren und der anschließenden Fermentierung des verzuckerien, flüssigen FiliraiS, erfolgen bei dem

erfindungsgemäßen Verfahren die Verzuckerungsreaktion eines Cellulosesubstrats mit der Cellulase und die alkoholische Gärung der bei der Verzuckerungsreaktion entstandenen Glucose gleichzeitig in einer Stufe. 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 12,5 g Holzzellstoff (mit einem Cellulosegehalt von 80 Gewichtsprozent) in 100 g Wasser suspendiert, die 0,25 g Asparagin als Stickstoffquelle, 0,1 g Monokaliumphosphat (KH₂PO₄), 0,3 g Magnesiumsulfat (MgSO₄ · 7H₂O) und 0,02 g Hefeextrakt in Lösung enthalten. Das Gemisch wird mit einem Acetatpuffer auf einen pH-Wert von 4,0 eingestellt und dann wärmesterilisiert Zu demCemsich werden 1 g handelsübliche raffinierte Cellulase aus Trichoderma viride und zwei Platinschleifen Saccharomyces cerevisiae zugesetzt, die direkt aus einem Agar-Schrägröhrchen entnommen worden ist, und das Gemisch wird 96 Stunden anaerob bei 30⁰C reagieren gelassen. Wenn das Reaktionsgemisch zu diesem Zeitpunkt analysiert wird, wird die Bildung von 2 g Alkohol in dem Substrat festgestellt. Wenn die Reaktion weitere 96 Stunden fortgesetzt wird, bilden sich schließlich 4 g Alkohol.

Vergleichsbeispiel

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

Zu einer Substratsuspension von Holzzellstoff in Wasser in den oben angegebenen Mengen setzt man 1 g

ίο der gleichen handelsüblichen raffinierten Gellulase aus Trichoderma viride zu und läßt das Gemisch 96 Stunden lang bei 40° reagieren. Die Menge an reduzierendem Zucker in der so erhaltenen verzuckerten Flüssigkeit beträgt 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 Stickstoffquelle, 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 der als Fermentationssubstrat dienende Glucosegehalt der verzuckerten Flüssigkeit 2 g beträgt, hätte die Ausbeute an Alkohol maximal nicht mehr als 1 g betragen können.

Aus dem obigen Vergleichsbeispiel 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 (1)

1. 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