DE2754650A1 - Einstufiges verfahren zur herstellung von aceton und butanol aus cellulose - Google Patents
Einstufiges verfahren zur herstellung von aceton und butanol aus celluloseInfo
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Description
θ. Dezember 1977
BIO RESEARCH CENTER COMPANY, LTD. Tokio, Japan
Einstufiges Verfahren zur Herstellung von Aceton und Butanol aus Cellulose
Für diese Anmeldung wird die Priorität vom 28. April 1977 aus der Japanischen Patentanmeldung 52/49401 in Anspruch genommen.
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Cellulose oder cellulosehaltige Stoffe stellen einen der auf der Erde am reichlichsten zur Verfügung stehenden Rohstoffe
dar und werden auf verschiedenen Gebieten der Technik verwendet. Zur Ausnutzung von Cellulose oder cellulosehaltigen
Stoffen sind bereits verschiedene Vorschläge hinsichtlich der Erzeugung von Äthanol, Milchsäure, Aceton, Butanol und dergleichen
durch Hydrolyse zu Glucose und Verwendung der Glucose als Rohstoff für Fermentationsprodukte gemacht worden. Diese
Methode hat jedoch den Nachteil, dass - anders als bei Verwendung von Melasse als Rohstoff - Cellulose zunächst zu
Glucose hydrolysiert werden muss, so dass mindestens zwei Verfahrensstufen, nämlich die Hydrolyse und die anschliessende
Fermentation, erforderlich sind. Da sich cellulosehaltige Stoffe schwer zersetzen lassen, fällt die Glucose in geringer
Konzentration an, was wiederum eine niedrige Konzentration der Fermentationsprodukte nach sich zieht. Besonders dann, wenn
die Konzentration des erzeugten Gemisches aus Aceton und Butanol niedrig ist, gestaltet sich die Trennung und Reinigung des
Gemisches schwierig. Daher ist das zweistufige Verfahren unpraktisch.
Es wurde nun gefunden, dass ein Gemisch aus Aceton und Butanol in höherer Konzentration nach einem einstufigen Verfahren
aus Cellulose gewonnen werden kann, wenn die Cellulose gleichzeitig mit einer Cellulase und einem Aceton und Butanol
erzeugenden Mikroorganismus umgesetzt wird. Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren, bei dem Aceton und Butanol aus
Cellulose vorteilhaft nach einem einstufigen Verfahren hergestellt werden können.
Der Begriff "Cellulose" für das Ausgangsmaterial bei dem
Verfahren gemäss der Erfindung umfasst sowohl Cellulose als
auch Stoffe, die vorwiegend aus Cellulose bestehen, wie Holz, Reisstroh, Reishülsen, Maisstengel, Maiskolben und Papierabfälle,
wie Zeitungspapier, Wellpapierabfälle, Zeitschriftenabfälle,
kurze Fasern aus Papierfabriken und Faserabfälle aus Städten und Fabriken. Um diese Stoffe in wirksamer Weise ver-
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wenden zu können, müssen sie gepulvert oder zerkleinert werden.
Zur Verzuckerung von Cellulose genügt handelsübliche Cellulase, wie "Cellulase Onozuka". Man kann auch ein flüssiges
Enzympräparat, wie ein flüssiges Kulturfiltrat oder einen festen Kulturextrakt eines Cellulase erzeugenden Mikroorganismus,
wie Trichoderma viride, verwenden. Ebenso kann man eine flüssige Kultur oder eine feste Kultur von Trichoderma viride
selbst als rohes vollständiges Kulturgemisch ohne Abtrennen, Extrahieren oder Reinigen verwenden.
Gleichzeitig mit der Cellulase kann man als Aceton und Butanol erzeugenden Mikroorganismus einen allgemein bekannten
Mikroorganismus, wie z.B. Clostridium acetobutylicum und Clostridium saccharoacetobutylicum, verwenden.
Zur gleichzeitigen Umsetzung der Cellulose mit einer Cellulase und einem Aceton und Butanol erzeugenden Mikroorganismus
stellt man eine wässrige Suspension her, die 1 bis 50
Gew.% cellulosehaltiges Ausgangsgut, geeignete Mengen an einer
Quelle für Stickstoff, anorganischen Salzen und anderen Nährstoffen enthält, und sterilisiert die Suspension nach einer
herkömmlichen Methode, so dass sie als Substrat verwendet werden kann. Zu dem Substrat wird eine Cellulase (oder cellulasehaltige
Flüssigkeit) und gleichzeitig ein zuvor gezüchteter, Aceton und Butanol erzeugender Mikroorganismus zugesetzt, so
dass die Fermentation vor sich gehen kann.
Temperatur und pH-Wert richten sich nach dem Jeweiligen Mikroorganismus und der Art der Cellulase; im allgemeinen ist
es vorteilhaft, die günstigsten Bedingungen aus dem Temperaturbereich von 30 bis 55° C und dem pH-Bereich von 4 bis 6
auszuwählen. Auch die Fermentationszeiten variieren je nach
der Art des cellulosehaltigen Ausgangsgutes, dem Aceton und Butanol erzeugenden Mikroorganismus und der Aktivität der
Cellulase; gewöhnlich entsteht jedoch die gewünschte Menge an Aceton und Butanol in 48 Stunden.
Wie das nachstehende Beispiel zeigt, vereinfacht die Er-
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findung nicht nur die Herstellungsverfahren, sondern vermindert auch die hemmende Wirkung der Glucose auf die Cellulasereaktion
sowie auf den Aceton und Butanol erzeugenden Mikroorganismus im Vergleich zu dem herkömmlichen zweistufigen Verfahren,
bei dem Verzuckerung und Fermentation gesondert durchgeführt werden, weil bei dem erfindungsgemässen Verfahren die
Zuckerkonzentration in dem Medium während der ganzen Dauer des Fermentationsverfahrens niedrig gehalten wird. Infolgedessen
erhält man bedeutend erhöhte Ausbeuten an Aceton und Butanol, bezogen auf die eingesetzte Cellulose.
Die Erfindung stellt also ein wirtschaftliches und vorteilhaftes einstufiges Verfahren zur Herstellung von Aceton
und Butanol aus Cellulose zur Verfügung.
Beispiel
Herstellung der Impfkultur
10 ml eines sterilisierten Mediums der nachstehenden Zusammensetzung
werden mit dem Aceton und Butanol erzeugenden Mikroorganismus Clostridium acetobutylicum IFO 3854 beimpft
und 3 Tage bei 37° C dem Kulturvorgang unterworfen.
Zusammensetzung des Mediums:
| Glucose | 20 g |
| Polypepton | 5 g |
| KH2PO4 | 0,5 g |
| K2HPO4 | 0,5 g |
| MgSO4.7H2O | 0,2 g |
| MnSO4.4-5 H2O | 10 mg |
| FeS04«7H20 | 10 mg |
| NaCl | 10 mg |
| entmineralisiertes Wasser | 1 1 |
| PH | 6,5 |
Zu 50 ml eines so zusammengesetzten Mediums werden in einem 1OO-ml-Kolben 5 ml der oben genannten Kulturlösung zugesetzt, und die Kultur wird anaerob 3 Tage bei 37° C durchge-
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führt. Hierbei erhält man eine Impfkultur.
(1) Medium A
Dieses Medium hat die oben beschriebene Zusammensetzung mit dem Unterschied, dass es 60 g Glucose anstelle von 20 g
enthält.
(2) Medium B
Dieses Medium hat die oben beschriebene Zusammensetzung mit dem Unterschied, dass es 100 g Cellulosepulver (Teilchengrösse
kleiner als 0,15 mm) anstelle der Glucose enthält.
Eine handelsübliche Cellulase wird mit Ammoniumsulfat ausgesalzt, von Salz befreit und dann gefriergetrocknet, um
eine reine Cellulase zu gewinnen.
1 g dieser Cellulase wird unter Einstellung des pH-Wertes auf 4,5 in 100 ml Wasser gelöst und die Lösung mit 10 g Cellulosepulver
(Teilchengrösse kleiner als 0,15 mm) versetzt. Dann wird die Verzuckerung 48 Stunden bei 45 C durchgeführt. Wenn
die Verzuckerung beendet ist, wird die Reaktionslösung durch Flüssigkeitschromatographie analysiert, wobei sich zeigt, dass
sich 3f2 g Glucose gebildet haben. Mit anderen Worten: diese
Cellulase hat die oben erwähnte Aktivität.
1 g der oben beschriebenen Cellulase und 5 ml der nach
der oben beschriebenen Vorschrift hergestellten Impfkultur werden unter gutem Rühren zu 100 ml Medium B zugesetzt. Das
Gemisch wird auf einen pH-Wert von 6,5 eingestellt und dann 48 Stunden bei 37° C der anaeroben Fermentation unterworfen,
wobei man den pH-Wert nicht unter 4,5 sinken lässt.
(1) Zu 100 ml des oben beschriebenen Mediums B werden unter starkem Rühren 3 g der oben beschriebenen Cellulase zugesetzt. Das Gemisch wird auf einen pH-Wert von 4,5 einge-
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stellt und 48 Stunden bei 45° C der Verzuckerung überlassen.
Die Analyse der entstandenen Zuckerlösung zeigt einen Glucosegehalt von 6,3 g. Die Zuckerlösung (Glucosegehalt 6,3 g) wird
wärmesterilisiert und mit 5 ml der, wie oben beschrieben, hergestellten Impfkultur versetzt. Dann wird eine Aceton-Butanol«
Fermentation 48 Stunden anaerob bei 37° C durchgeführt.
(2) 100 ml des oben beschriebenen Mediums A werden wärmesterilisiert
und dann mit 5 ml der, wie oben beschrieben, hergestellten Impfkultur beimpft. Das Gemisch wird auf einen
pH-Wert von 6,5 eingestellt und anaerob 48 Stunden bei 37° C reagieren gelassen, wobei man dafür sorgt, dass der pH-Wert
nicht unter 4,5 sinkt. Die Ergebnisse der oben beschriebenen Beispiele sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Die
Analysen der Produkte werden durch Gaschromatographie durchgeführt.
| Substrat | Cellulase | Produkt | Butanol, mg/ml |
|
| Cellulose 10 g |
1 g | Aceton, mg/ml |
7,53 | |
| Erfindung | Cellulose 10 g |
3 g | 4,43 | 5,52 |
| Vergleichs beispiel (1) |
Glucose 6 g |
3,20 | 5,50 | |
| Vergleichs beispiel (2) |
3,24 | |||
Wie die obige Tabelle zeigt, erhält man nach dem Verfahren gemäss der Erfindung 1,4mal soviel Aceton und Butanol wie
nach dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Cellulose zunächst zu Glucose hydrolysiert und diese dann als Substrat
verwendet wird (Vergleichsbeispiel 1), oder bei dem Glucose direkt als Substrat verwendet wird (Vergleichsbeispiel 2). Die
Erfindung bietet daher den Vorteil, dass Aceton und Butanol in einem einfachen, einstufigen Verfahren erzeugt werden, dass
die Produktausbeuten bedeutend verbessert werden, und dass der Verbrauch an Cellulase geringer ist als bei den herkömmlichen
Verfahren.
Ende der Beschreibung. ,
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Claims (1)
- PatentanspruchEinstufiges Verfahren zur Herstellung von Aceton und Butanol aus Cellulose, dadurch gekennzeichnet, dass man Cellulose, eine Cellulase und einen Aceton und Butanol erzeugenden Mikroorganismus gleichzeitig miteinander umsetzt und Aceton und Butanol aus dem Reaktionsgemisch gewinnt.ORIGINAL INSPECTED809845/0628
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