DE69118869T2

DE69118869T2 - Verfahren zur gleichzeitigen herstellung von xylit und ethanol

Info

Publication number: DE69118869T2
Application number: DE69118869T
Authority: DE
Inventors: Heikki Heikkilae; Goeran Hyoeky; Leena Rahkila; Marja-Leena Sarkki; Tapio Viljava
Original assignee: Xyrofin Oy
Current assignee: Xyrofin Oy
Priority date: 1990-01-15
Filing date: 1991-01-10
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-01-11
Also published as: US6846657B2; FI86440C; DE69118869D1; JPH05503844A; JP3041539B2; ATE136935T1; DK0511238T3; BR9105939A; FI86440B; US20030235881A1; FI900220A0; EP0511238B1; ES2088482T3; WO1991010740A1; FI900220A; EP0511238A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die gleichzeitige Herstellung von Xylit und Ethanol. Ein hydrolysierte Lignocellulose enthaltendes Material wird als Ausgangsmaterial verwendet, und gemäß dem Verfahren wird das Ausgangsmaterial mit einem Hefestamm vergoren, worauf das Ethanol gewonnen wird und eine chromatographische Trennung mit der vergorenen Lösung durchgeführt wird, um reinen Xylit zu erhalten.
Xylit ist ein natürlich vorkommender Zuckeralkohol, der durch eine Reduktionsreaktion von Xylose gebildet wird und der dem "normalen" Zucker hinsichtlich der Süßkraft und dem Kaloriengehalt entspricht (4 Kilokalorien/g). Xylit wird in kleinen Mengen in vielen Früchten und Gemüsesorten gefunden und er wird auch im menschlichen Körper als normales Stoffwechselprodukt hergestellt. Xylit ist in verschiedenen Beziehungen aufgrund bestimmter Eigenschaften, welche den Metabolismus, die Zahnheilkunde und die Technik betreffen, ein sehr guter spezieller Süßstoff. Es kann beispielsweise erwähnt werden, daß der Xylitmetabolismus unabhängig vom Insulinmetabolismus ist und daß daher auch Diabetiker Xylit verwenden können. Xylit besitzt auch eine retardierende Wirkung auf den Darm, weshalb er für die Reduzierung der Nahrung von Nutzen sein kann. Ferner wurde festgestellt, daß Xylit keine Karies hervorruft, sondern eine karieshemmende Wirkung besitzt.
Trotz der vielen Vorteile des Xylits ist seine Verwendung ziemlich beschränkt gewesen. Der Grund hierfür ist der relativ hohe Preis von Xylit, der seinerseits ein Ergeb-nis der Schwierigkeiten ist, Xylit in größerem Maßstab zu produzieren.
Ethanol ist eine wohlbekannte Verbindung, die in großem Umfang verwendet wird.
Xylit wurde früher aus Xylan haltigen Materialien mittels Hydrolyse hergestellt, bei welchem Verfahren eine Mischung von Monosacchariden, die z.B. Xylose enthält, erhalten wird. Xylose wird dann in Xylit überführt, im allgemeinen in Gegenwart eines Nickelkatalysators wie Raney- Nickel. In der Literatur auf diesem Gebiet wurde eine Anzahl von Verfahren für die Herstellung von Xylose und/oder Xylit aus einem Xylan haltigem Material beschrieben. Als Beispiele können US-A-3.784.408 (Jaffe et al.), US-A-4.066.711 (Melaja et al.), US-A-4.075.406 (Melaja et al.), US-A 4.008.285 (Melaja et al.) und US-A-3.586.537 (Steiner et al,) erwähnt werden.
Diese früheren Verfahren sind alle mehrstufige Verfahren, welche relativ teuer sind und eine unzulängliche Effizienz aufweisen. Die größten Probleme liegen in der effektiven und vollständigen Abtrennung der Xylose und/oder des Xylits von den Polyolen und den anderen Nebenprodukten der Hydrolyse und in der Verwendbarkeit der Nebenprodukte, die in großen Mengen in dem Verfahren hergestellt werden. Die Reinigung ist sehr anspruchsvoll, beispielsweise aufgrund der Tatsache, daß die Katalysatoren, welche bei der Reduktionsreaktion der Xylose verwendet werden, sehr empfindlich sind. Die Reinheit des Endprodukts seinerseits ist in hohem Maße davon abhängig, daß der Xylit von den anderen Produkten abgetrennt werden kann, die bei der Reduktionsreaktion gebildet werden.
Es ist bekannt, daß mehrere Hefestämme Reduktaseenzyme produzieren, welche die Reduktion von Zuckern zu den entsprechenden Zuckeralkoholen katalysieren. Es wurde von bestimmten Candidastämmen berichtet, daß sie Xylit aus Xylose produzieren "Ditzelmuller, G. et al., FEMS Microbiology Letters 25 (1985), Seiten 195-198, Kitpreechavanich, M. et al., Biotechnology Letters Vol.6 (1984), Seiten 651 bis 656, Gong, C-S. et al., Biotechnology Letters Vol.3 (1981), Seiten 130-135). Diese Untersuchungen wurden jedoch nur im Labormaßstab durchgeführt, und in der Literatur auf diesem Gebiet wurden keine Verfahren beschrieben, in denen kristalliner reiner Xylit aus dem Fermentationsprodukt abgetrennt wird.
Die gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung 297791 des Anmelders, eingereicht am 17. Januar 1989, und veröffentlicht als WO-A-90 081 193, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von reinem kristallinen Xylit aus Pflanzenmaterial unter Verwendung einer chromatographischen Trennung gefolgt von einer Hydrolyse und Gärung. Bei diesem Verfahren geht jedoch der Hauptteil des Rohmaterials als wertloses Abfallmaterial verloren. Wenn ein größerer Anteil der Ausgangsstoffe in Handelsprodukte überführt werden könnte, würde dies wesentlich die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens verbessern.
Es ist bekannt, daß Ethanol aus Cellulose und Hemicellulose durch Gärung mit einem geeigneten Hefestamm produziert werden kann. Die Herstellung von Ethanol aus D-Xylose ist z.B. im US-A-4.368.268 (C-S. Gong) beschrieben worden, wobei diese Veröffentlichung insbesondere die Herstellung von Mutanten, welche Ethanol mit hohen Ausbeuten produzieren, betrifft, und in Biotechnology and Bioengineering Symp. 12 (1982), Seiten 91-102, Seiten 91-102, Mc.Cracken, L. und Gong, C-S., worin die Gärung mit wärmeverträglichen Hefen durchgeführt wird.
Es wurde nun gefunden, daß Xylit und Ethanol unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung, in welchem Xylose in Xylit überführt wird, während der Hauptteil der anderen Hexosen, die in dem Ausgangsmaterial vorhanden sind, in Ethanol überführt wird, gleichzeitig hergestellt werden können. Somit wird das Ausgangsmaterial effektiv ausgenutzt und zwei kommerziell sehr wichtige Produkte werden in reiner Form und mit einer hohen Ausbeute erhalten. Das Verfahren ist einfach und effektiv.
Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das hydrolysierte Ausgangsmaterial mit einem Hefestamm vergoren wird, das produzierte Ethanol gewonnen wird, mit der zurückbleibenden Xylitlösung eine chromatographische Auftrennung durchgeführt und reiner Xylit kristallisiert wird. Xylosehaltige Substanzen werden als Ausgangsmaterialien verwendet, die erfindungsgemäß mit einem Hefestamm vergoren werden, der fähig ist, Xylose in Xylit und die meisten Hexosen in Ethanol zu überführen. Durch die Gärung wird eine Xylit reiche Lösung erhalten, aus der Xylit auf einfache Weise gewonnen wird. Mühsame und komplexe Trennungsstufen (wie der konventionelle Ionenaustausch, Entmineralisierung, Ausfällungen usw.) sind nicht erforderlich, sondern im allgemeinen kann Xylit in einer einzigen Stufe chromatographisch gereinigt werden, wonach es kristallisiert wird, um reinen Xylit zu erhalten. Ethanol kann leicht aus der Fermentationslösung entfernt werden, z.B. durch Abdestillieren. Somit wird die Notwendigkeit der Abtrennung des Xylits von den Hexiten und anderen Zuckern, die bei den Hydrolyse- und Reduktionsstufen erhalten werden, vermieden. Die erfindungsgemäß durchgeführte Hydrolyse liefert auch eine Lösung des Problems der Verwendung von Pulpe, die bei den anderen Verfahren als Abfallmasse verworfen wird, und so wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch das gesamte Ausgangsmaterial ausgenutzt.
Nahezu jedes xylanhaltige Material kann als Ausgangsmaterial in dem Verfahren der Erfindung verwendet werden. Mögliche Ausgangsmaterialien umfassen Weichholz wie Birke, Buche, Pappel, Erle usw., und Pflanzen oder Pflanzenbestandteile wie Stroh oder Hülsen von Weizen, Mais, Hafer oder Gerste, Maiskolben und Maisstengel, Nußschalen, Zuckerrohrrückstände und Baumwollsamenkleie. Wenn Holz als Ausgangsmaterial verwendet wird, wird es vorteilhaft fein zerkleinert oder in Form von Spänen, Sägemehl usw. verwendet und mittels Hydrolyse oder "dampfexplosion" und Nachhydrolyse aufbereitet, wodurch ein Kohlehydratmaterial erhalten wird, das bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
Zusätzlich zu dem obigen können z.B. Nebenprodukte, die bei der Bearbeitung und Produktion von Holzschliff gebildet werden und die einen hohen Xylan- oder Xylosegehalt aufweisen, verwendet werden. Als Beispiel kann die saure Sulfitablauge, die bei der Herstellung von Holzschliff bei dem Sulfitverfahren gewonnen wird und einen hohen Xylan- oder Xylosegehalt aufweist, erwähnt werden, wobei die genannte Sulfitablauge kleine Mengen von nicht gelösten festen Holzteilen, und löslichen Substanzen wie Ligninsulfonate, Hexosen und Pentosen, einschließlich Xylose, enthält und ein gutes Ausgangsmaterial zur Verwendung bei der Herstellung von Xylit darstellt. Andere Nebenprodukte und Abfallprodukte, die bei der Bearbeitung von Papier und Holzschliff erhalten werden, wie Vorhydrolysate von der Herstellung der Viscosemasse und die Ablauge von dem sogenannten neutralen Sulfitverfahren, welche einen hohen Xylan- und/oder Xylitgehalt aufweisen, können ebenfalls verwendet werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet eine wäßrige Lösung, die freie Xylose enthält. Somit kann es erforderlich sein, mit dem Ausgangsmaterial eine saure und/ oder enzymatische Hydrolyse durchzuführen, um Xylan in Xylose aufzuspalten. Verfahren für die Hydrolyse von Xylan haltigen Materialien, um Xylose haltige Lösungen herzustellen, wurden z.B. in den US-A-3.784.408 (Jaffe et al.) und US-A-3.586.537 (Steiner et al.) beschrieben.
Das Ausgangsmaterial kann gewünschtenfalls vor der Gärung vorbehandelt werden, um Bestandteile zu entfernen, die für die Hefe toxisch oder anderweitig nachteilig sind. Die Notwendigkeit der Vorbehandlungsstufe hängt von dem Ausgangsmaterial und von der Hefe ab, die in der Gärungsstufe verwendet werden. Die Vorbehandlung des Ausgangsmaterials kann beispielsweise eine Nachhydrolyse, eine chromatographische Trennung, eine Reinigung mit Ionenaustauschern, eine Ausfällung usw. umfassen.
Die graphische Darstellung des Verfahrens zeigt sich folgendermaßen: Hydrolyse Gärung Destillation T Ethanol Chromatographie Kristallisation Xylit
Die Hydrolyse kann 2 Stufen umfassen, die Vorhydrolyse des cellulosehaltigen Rohmaterials, die mit dem sogenannten "dampfexplosions"-Verfahren bewirkt werden kann, und die enzymatische Hydrolyse der Polysaccharide und Oligosaccharide, um die entsprechenden Monosaccharide herzustellen. Diese Stufe wird unter Verwendung von Enzymen durchgeführt, die eine hohe Cellulose lysierende und Xylan lysierende Aktivität aufweisen.
Die zurückbleibenden festen Substanzen, die zum größten Teil aus Lignin bestehen, werden dann von der erhaltenen Lösung abgetrennt. Alternativ können die genannten festen Substanzen und die festen Substanzen, die während der Gärung gebildet werden, wie Hefe, nach der nächsten Destillation abgetrennt oder gesammelt werden.
Wenn relativ unreine Lösungen als Ausgangsmaterialien verwendet werden, kann in einigen Fällen eine Vorbehandlung der Lösung erforderlich sein. Die Vorbehandlung kann z.B. eine Nachhydrolyse und/oder eine Abtrennung der Bestandteile, welche toxisch und/oder nachteilig für die verwendete Hefe sein können oder die eine ungünstige Wirkung auf die Gärung oder die Abtrennungsstufen aufweisen. Die Vorbehandlung kann auch mit einer chromatographischen Trennung, einer Reinigung mit Ionenaustauschern, einer Ausfällung usw. kombiniert werden.
Danach wird die Lösung mit einem geeigneten Hefestamm vergoren. Die Erfindung benutzt Hefen, welche fähig sind, Xylose zu Xylit und Hexosen zu Ethanol zu reduzieren und/oder Hexosen für ihr Wachstum zu verwenden. Solche Hefen sind z.B. Hefen der Gattungen Candida, Pichia, Pachysolen und Debaryomyces. Candida- und Debaryomycesarten, insbesondere Candida tropicalis und Debaryomyces Hansenii, werden als vorteilhaft angesehen. Als ein gutes Beispiel kann die Spezies der Candida tropicalis erwähnt werden, der bei der American Type Culture Collection unter der Zugriffnummer ATCC 9986 hinterlegt ist.
Der Xylose gehalt der wäßrigen Lösung, die vergoren werden soll, hängt von dem verwendeten Ausgangsmaterial und von den verwendeten Verfahrensstufen ab, er beträgt jedoch vorteilhaft etwa 50 - 300 g/l.
Die Gärung kann in den meisten im Handel erhältlichen Bioreaktoren durchgeführt werden, die mit Vorrichtungen zum Belüften, zum Rühren und zum Regulieren des pH-Werts ausgestattet sind. Die Temperatur beträgt vorteilhaft 20 - 40ºC, am vorteilhaftesten etwa 30ºC. Die Hefezellen werden der xylosereichen Lösung zugegeben. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß die Gärungsstufe umso schneller abläuft, je höher die Konzentration an Hefe ist. Es wurde gefunden, daß die Hefekonzentration vorteilhaft zwischen 1 - 20 g trockener Hefe/l Substrat (Trockengewicht) liegt, wenn der Xylosegehalt etwa 50 - 300 g/l beträgt.
Die Gärung kann durch Zugabe von Nährstoffen verbessert werden, und sie wird fortgesetzt, bis der Hauptteil der Xylose in Xylit überführt ist und praktisch alle Hexosen in Ethanol überführt und/oder für das Wachstum der Hefe verwendet wurden. Die Gärung dauert etwa 24 - 144 Stunden, vorzugsweise 24 - 72 Stunden. Mit dem Verfahren der Erfindung können bis zu 90% der Xylose in Xylit überführt werden.
Nach der Gärungsstufe wird die Lösung geklärt, bevor aus ihr Xylit und Ethanol abgetrennt werden. Die Hefezellen werden nach der Gärung entfernt. Das kann durch Zentrifugieren, Futrieren oder einige andere ähnliche Verfahrensweisen durchgeführt werden. Wenn die Hefezellen entfernt waren und die Lösung klar ist, wird das bei der Gärung erzeugte Ethanol durch Abdampfen, Destillieren oder eine ähnliche Arbeitsweise gewonnen. Alternativ kann die Entfernung der Hefezellen nach der Destillation durchgeführt werden.
Um Xylit zu gewinnen, wird zuerst eine chromatographische Trennung durchgeführt. Dies wird vorteilhaft in einer Kolonne ausgeführt, die mit einem sulfoniertem Polystyrolharz in der Alkali-/Erdalkaliform gefüllt ist, das mit Divinylbenzol vernetzt ist. Eine großtechnische chromatographische Methode, die für diesen Zweck geeignet ist, wurde im US-A- 3.928.193 (Melaja et al.) beschrieben. Die chromatographische Trennung kann auch unter Verwendung eines simulierten mobilen Betts durchgeführt werden, wie es im US-A-2.985.589 beschrieben wird. Ein DVB-vernetztes sulfoniertes Polystyrolharz wird als Füllkörper für die Kolonne verwendet.
Aus der Fraktion mit einem hohen Xylit gehalt, die durch die chromatographische Stufe erhalten wird, kann Xylit mit einer guten Ausbeute unter Verwendung konventioneller Kristallisationsverfahren, wie Kristallisation durch Kühlen oder durch Eindampfen, kristallisiert werden. Wenn die Kristallisation durch Kühlen verwendet wird, werden Xylitkristalle init einem mittleren Durchmesser von etwa 30 µ als Impfkristalle der konzentrierten Xylitlösung zugegeben, worauf die Temperatur der Lösung langsam erniedrigt wird. Die erhaltenen Kristalle, deren mittlerer Durchmesser etwa 250 - 600 µ beträgt, werden z.B. mittels Zentrifugieren abgetrennt und mit Wasser gewaschen, um praktisch reinen kristallinen Xylit zu erhalten.
Das Verfahren kann auch in einer bevorzugten alternativen Weise durchgeführt werden, indem das Ausgangsmaterial einer partiellen Hydrolyse und Extraktion unterworfen wird.
Das durch die Extraktion erhaltene Vorhydrolysat wird dann vergoren, um Xylose in Xylit überzuführen, der chromatographisch abgetrennt und in der oben festgestellten Weise kristallisiert wird. Mit der extrahierten Masse wird dann eine Endhydrolyse durchgeführt, das Produkt der Hydrolyse wird vergoren, um die Hexosen in Ethanol zu überführen, und Ethanol wird dann in der oben beschriebenen Weise gewonnen.
Die Erfindung wird weiter detailliert mit den folgenden Beispielen beschrieben, die nicht dazu dienen sollen, die Erfindung einzuschränken.

Beispiel 1

Herstellung von Ethanol und Xylit aus Birkenspänen

Eine Dampfexplosionsbehandlung wurde mit Birkenspänen bei 215ºC mit einer Verzögerungszeit von 4,5 Minuten durchgeführt. Der verwendete Apparat ist im Handel erhältlich (Stake Technology, Canada).
30 kg der mit der Dampfexplosion vorbehandelten Späne wurden in 400 l Wasser bei 50ºC in einem Reaktor, der mit Rührvorrichtungen ausgestattet war, suspendiert. Der pH- Wert der Suspension wurde mit einer NaOH-Lösung auf 4,8 eingestellt. Die folgenden Enzyme wurden in den Reaktor eingegeben:
Cellulase Multifect L 250 4 FPU/g d.s. (Cultor)
Beta-Glucosidase Novozyme 188 5 IU/g d.s. (Novo)
Hemicellulase Multifect K (Cultor)
enthaltend Xylanase 18 U/g d.s.
β-Xylosidase 9 nkat/g d.s.
Esterase 2 nkst/g d.s..
Die Reaktion wurde begonnen, und nach 3 und 6 Stunden wurden vorbehandelte Birkenspäne der Mischung zugegeben, um den Feststoffgehalt auf 14 Gew.% zu erhöhen. Die Hydrolyse wurde 3 Tage bei 50ºC und bei einem pH-Wert von 4,8 fortgesetzt. Die Ausbeute nach der Hydrolyse betrug 16% Glucose und 12% Xylose bezogen auf das Trockengewicht der vorbehandelten Späne.
Die Lösung wurde von den Trockensubstanzen in einer Dekantierzentrifuge (Sharplee P 600) abgetrennt. Die fein pulverisierte Masse wurde in einen Westfalia Na7-Separator gebracht, und die xylose- und glucosehaltige Lösung wurde durch Eindampfen konzentriert. Der pH-Wert des Konzentrats betrug 5,1, und seine Zusammensetzung war wie folgt:
Glucose 10,3%
Xylose 7, 6%
Andere Monosaccharide 3,1%
Oligosaccharide 5.5%
Der Gesamtgehalt an Feststoffen betrug etwa 32%.
Die Lösung enthielt zusätzlich Salze von organischen Säuren und geringe Mengen von Zersetungsprodukten des Lignins, Furaldehyd, Phenole und andere organische Substanzen.
Das hydrolysierte Produkt wurde mit der Hefe Candida tropicalis ATCC 9968 vergoren. Ein If 250 Bioreaktor der New Brunswick Scientific Co. wurde verwendet, an den ein Apparat für Gasanalysen und für Massenspektrometrie angeschlossen war.
Die Fermentationslösung enthielt:
60 l Vorhydrolysat "Trockensubstanzen etwa 32%)
1,5 kg Gistex-Hefeextrakt (bei 121ºC 15 Minuten dampfsterilisiert)
29 l Wasser
Die Impfkulturen wurden in 2 Stufen wachsen gelassen, zuerst in einem 2 l Erlenmeyerkolben in einem Orbital-Schüttelapparat 2 Tage lang bei 30ºC, und dann in einem Microgen SF 116 Laboratoriums-Bioreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 11 l. Der Bioreaktor wurde mit einer Geschwindigkeit von 5,5 Nl/Min. (0,5 VVM) belüftet und mit einer Geschwindigkeit von 500 Umdr./Min. gerührt. Die Kultivierung dauerte einen Tag.
Die eigentliche Gärung wurde im Technikumsmaßstab durchgeführt, wobei das Arbeitsvolumen 100 l betrug. Der Bioreaktor wurde mit einer Geschwindigkeit von 20 Nl/Min. (0,2 VVM) belüftet und mit einer Geschwindigkeit von 100 Umdr./Min. gerührt. Die Temperatur wurde bei 30ºC und der pH- Wert bei 6 gehalten. Plurior wurde als Antischaummittel verwendet.
Die Resultate der Gärung wurden in der Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1 Zeit(Std.0) Hefe(g/kg) Xylit(g/l) Glucose(g/l) Ethanol(g/l)
Nach der Gärung waren praktisch alle Zucker in Xylit oder Ethanol überführt.
Ethanol wurde aus der Lösung durch Destillieren der vergorenen Lösung in konventioneller Weise erhalten. Der Destillationsapparat war aus Standardkomponten zusammengebaut (Corning Process Systems), die aus Borsilicat-Glas bestanden, und der Apparat umfaßte die Ausstattung für 15 Trennungsstufen wie folgt: Destillationsblase, 13 Glockenböden und einen Zulaufboden zwischen dem vierten und fünften Glockenboden, von oben gesehen. Der Durchmesser der Kolonne betrug 10 cm.
Die Destillation wurde bei einem Druck von 110 mBar bei einer Aufgabegeschwindigkeit von 10 l/Std. und mit einem Rückflußverhältnis von 3:1 durchgeführt. 110 l der Gärlösung ergaben 7,0 kg Destillat, das 27,1 Gew.% Ethanol enthielt. Der Ethanolgehalt des Bodenprodukts betrug 0,02 Gew.%.
Die Abtrennung und, falls erwünscht, die Kristallisation des Xylits wurde so durchgeführt, wie es in den Beispielen 2 und 3 beschrieben wird.

Beisdiel 2

Herstellung von Ethanol und Xylit aus Sulfitablauge

Das verwendete Ausgangsmaterial war eine Zuckerfraktion, die chromatographisch aus einer Sulfitablauge abgetrennt worden war (Finnische Patentanmeldung 862 273, US- A-4.631.129), die einen beträchtlichen Anteil an Hexosen enthielt, hauptsächlich Glucose. Die Zusammensetzung der Lösung vor und nach der Gärung wird in der Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Bestandteil vor der Gärung nach der Gärung Trockensubstanzen Gew.% Oligosaccharide in % der Trockensubstanzen Glucose Xylose Arabinose Xylit Ethanol Arabitol
Die Gärung wurde mit einem Stamm von Debaryomyces hansenii durchgeführt, und 3 g/l Hefeextrakt, 3 g/l Malzextrakt und 5 g/l Pepton wurden zugegeben. Der pH-Wert der zu vergärenden Lösung war zu Beginn etwa 6,0, die Temperatur betrug etwa 30ºC und die Gärung wurde in einem Orbital- Schüttelapparat (200 Umdr./Min.) durchgeführt.
Das bei der Gärung hergestellte Ethanol wurde mittels Destillation (50ºC, 200 mBar) gewonnen, und eine chromatographische Trennung wurde mit der zurückbleibenden Lösung auf einer Säule, die mit einem Kationenaustauscher auf Polystyrolbasis, der mit Divinylbenzol vernetzt war, durchgeführt, wobei die folgenden Bedingungen angewendet wurden:
Höhe der Kolonne 4,0 m
Durchmesser der Kolonne 22,5 cm
Temperatur 65 ºC
Fließgeschwindigkeit (H&sub2;O) 30 l/Stunde
Aufgabekonzentration 30 Gew.%
Aufgabevolumen 8 kg der festen Substanz
Harz: Finex C 09
Teilchengröße 0,37 mm
Ionenform Na
Die Resultate wurden in der Figur graphisch dargestellt. Xylit wurde von der Xylose und den anderen Verunreinigungen abgetrennt und aus der Xylitreichen Fraktion gewonnen, aus der Xylit kristallisiert wurde, wie es im Beispiel 3 beschrieben wird.

Beispiel 3

Kristallisation von Xylit

Xylit wurde aus einer chromatographisch angereicherten Xylit lösung, die 82,5% Xylit, bezogen auf die Trockensubstanz, enthielt, durch Eindampfen der Lösung bis auf einen Trockensubstanzgehalt von 92% Gew.% bei 65ºC kristallisiert. In eine Lösung mit dem Rohgewicht von 2.200 g wurden Xylitkristalle von etwa 0,04 mm in einer Menge von 0,03 Gew.% eingeimpft, und die Lösung wurde 55 Stunden auf 45ºC in übereinstimmung mit der folgenden empirischen Gleichung gekühlt:
T = T1 - (t/t1)**2* (T1 -T2), worin
T = Temperatur der Lösung, ºC
T1 = Impftemperatur (65ºC)
T2 = Endtemperatur (45ºC)
t = Zeit von der Impfung, Stunden
t1 = Kristallisationszeit (55 Stunden).
Die Kristallisation wurde in einem 2 l Technikumskristallisationsapparat, der mit einem vertikalen Rührer ausgestattet war, durchgeführt. 65% des in der Lösung vorhandenen Xylits kristallisierten als Rohkristalle, die von der Mutterlauge in einer Trommelzentrifuge (Hettich, Roto Silenta II) abgetrennt wurden.
Während des Zentrifugierens wurden die Kristalle mit Wasser (4% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Kristralle) gewaschen. Die Zentrifugationszeit betrug 5 Minuten und eine Zentrifugalkraft von 2.000 g wurde angewendet. 1.510 g des Rohgewichts einer Kristallsuspension wurden zentrifugiert, die 705 g kristalliner Trockensubstanzen mit einem Xylitgehalt von 99,4% der Trockensubstanzen lieferten. Die mittlere Größe der Kristalle betrug 0,37 mm und die Standardabweichung 24%.
Die Rohkristalle können zu den Kristallen des Endprodukts mit dem Verfahren umkristallisiert werden, das im Finnischen Patent 69 296 beschrieben wird.

Beispiel 4

Herstellung von Ethanol und Xylit aus Gerstenhülsen

Eine Masse von Gerstenhülsen mit der folgenden Kohlehydratzusammensetzung wurde als Ausgangsmaterial verwendet:
Xylan 21,6% der Trockensubstanzen
Glucan 33,4%
Arabinan 5,7%
Galactan 1,4%
Mannan 0,6%
Rhamnan 0,2%
Die Masse von Gerstenhülsen wurde unter einem Druck von 2,4 MPa (350 psi) bei 235ºC hydrolysiert, und die Verzugszeit betrug 2,0 Minuten. Das hydrolysierte Material enthielt 46,6% an Trockensubstanz, und der Gehalt an gelösten festen Substanzen betrug 34,2%, bezogen auf Trockensubstanzen. Das Filtrat enthielt 12,7% Monosaccharide, 16,9% Essigsäure und 0,5% Furaldehyd, bezogen auf Trockensubstanzen. Die Nachhydrolyse wurde mit dem Filtrat durchgeführt, indem dessen pH-Wert mit Schwefelsäure auf 1 gestellt und die Lösung 4 Stunden unter dem Druck von 101 kPa (1 Atmosphäre) bei 100ºC hydrolysiert wurde. Die Zusammensetzung der Nachhydrolysate war die folgende: Oligosaccharide 1,3% der Trockensubstanzen Monosaccharide Xylose Arabinose Glucose Galactose Mannose Rhamnose Andere 3,3% der Trockensubstanzen (z.B. Furaldehyd) der Monosaccharide
Die Gärung der Nachhydrolysate, die Gewinnung von Ethanol und die Kristallisation von Xylit wurde so durchgeführt, wie es in den vorangehenden Beispielen beschrieben wurde.

Beispiel 5

Herstellung von Ethanol und Xylit aus Haferhülsen

Eine Masse von Haferhülsen mit der folgenden Kohlehydratzusammensetzung wurde als Ausgangsmaterial verwendet:
Xylan 26,5% der Trockensubstanzen
Glucan 30,7%
Arabinan 3,0%
Galactan 1,3%
Mannan 0,2%
Die Masse von Haferhülsen wurde unter einem Druck von 2,4 MPa (350 psi) bei 235ºC hydrolysiert, und die Verzugszeit betrug 2,0 Minuten. Das hydrolysierte Material enthielt 39,1% an Trockensubstanzen, und der Gehalt an gelösten Sustanzen betrug 36,4% der Trockensubstanzen. Das Filtrat enthielt 12,0% Monosaccharide, 12,9% Essigsäure und 0,5% Furaldehyd, bezogen auf die Trockensubstanzen. Die Nachhydrolyse wurde mit dem Filtrat durchgeführt, indem dessen pH-Wert mit Schwefelsäure auf 1 gestellt und die Lösung 4 Stunden unter dem Druck von 101 kPa (1 Atmosphäre) bei 100ºC hydrolysiert wurde. Die Zusammensetzung der Nachhydrolysate war die folgende: Oligosaccharide 1,3% der Trockensubstanzen Monosaccharide Xylose Arabinose Glucose Galactose Mannose Rhamnose Andere 2,8% der Trockensubstanzen (z.B. Furaldehyd) der Monosaccharide
Die Gärung der Nachhydrolysate, die Gewinnung des Ethanols und die Kristallisation von Xylit wurde so durchgeführt, wie es in den vorangehenden Beispielen beschrieben wurde.

Beispiel 6

Dampfexplosion und Extraktion von Birkenspänen

Eine Dampfexplosionsbehandlung wurde mit Birkenspänen in einer fabrikmäßigen Apparatur bei einer Temperatur von 215ºC mit einer Verzögerungszeit von 4,5 Minuten durchgeführt. Der Hersteller der Apparatur ist Technip, der Typ des Apparats Stake II System.
Das Produkt der Dampfexplosion wurde in heißem Brauchwasser in einem Mischbehälter suspendiert, um eine Fasersuspension von etwa 3,5% zu erhalten. Von hier wurde die Aufschlämmung über einen Überlauf geleitet, um eine gleichmäßige Schicht auf einem 5-Phasen-Bandfilter zu bilden, der im Gegenstromprinzip arbeitet (Typ A 40-B25; Hersteller Filters Philippe, Breite des Siebs 2,7 m; das Sieb wird vom Hersteller des Apparats geliefert). Die feste Masse wurde weiter mit heißem Wasser auf dem Sieb extrahiert.
Die erhaltene wäßrige Lösung enthielt:
Trockensubstanzen 8,7 Gew.%
Xylosemonomere 1,1% des Rohgewichts
Xyloseoligomere 3,7% des Rohgewichts
Glucose 0,04% des Rohgewichts

Beispiel 7

Enzymatischer Abbau einer mit Dampfexplosion behandelten, mit Wasser gewaschenen Birkenspanmasse

Die Zusammensetzung der mit Dampfexplosion behandelten, (215ºC, 4,5 Min.) Birkenspanmasse (hergestellt gemäß Beispiel 6), die als Ausgangsmaterial für die Hydrolyse verwendet wurde, war folgende:
Trockensubstanzen 32%
Cellulose 60% der Trockensubstanzen
Xylan 3,6% der Trockensubstanzen
Lignin 25% der Trockensubstanzen (in Aceton extrahierbar)
Klason-Lignin 1213% der Trockensubstanzen
90 kg der oben beschriebenen Masse wurde abgewogen in ein Reaktionsgefäß gegeben, das mit einem Rührer und einem Heizmantel ausgestattet war und 370 l Wasser enthielt. Die Mischung wurde auf 50ºC erwärmt, der pH-Wert wurde auf 4,8 - 5,0 eingestellt, wonach die Enzymlösungen zugegeben wurden (1,24 l Multifect L 250, 0,11 1 Novozyme 188 und 0,09 l Multifect K). Als Aktivitätseinheiten entsprachen die zugegebenen Mengen 6 FPU/g Cellulase, 5 IU/g β-Glucosidase und 0,02 ml einer Wachstumslösung/g der Masse von Trockensubstanzen von Hemicellulose (18 U/g Trockensubstanz von Xylanase, 9 nkat/g Trockensubstanz von β-xylosidase, 2 nkat/g Trockensubstanz von Esterase). Die Reaktion wurde unter den beschriebenen Bedingungen 18 Stunden fortgesetzt. Danach wurden die Masse und die Enzyme in den gleichen Mengen wie in der Ausgangsphase zugegeben. Eine entsprechende Zugabe der Masse und der Enzyme wurde 21 Stunden nach Beginn wiederholt. Dann wurde die Hydrolysereaktion fortgesetzt, so daß die Gesamtzeit 40 Stunden betrug. Die Enzymwirkung wurde dann durch Erhitzen der Mischung der Massen für 10 - 20 Minuten auf 80ºC abgebrochen. Im Zusammenhang damit wurde das zurückbleibende feste Material verfestigt und dadurch wurde es leichter abtrennbar gemacht. Das feste Material und die Lösung wurden voneinander durch Zentrifugieren getrennt (Pennvalt Sharples Modell P 600). Die Lösung wurde ferner durch Abtrennung des zurückgebliebenen feinen Niederschlags in einem Separator (Westfalia Modell NA7-06-076) geklärt. Die Lösung wurde für die Gärung auf 33% durch Abdampfen mit einem Luwa-Verdampfer im Vakuum bei einer Temperatur von 40-50ºC konzentriert.
Hydrolyseausbeuten der mit Dampfexplosion behandelten, mit Wasser gewaschenen Birkenspanmasse bei der Enzymbehandlung: % in der Lösung Ausbeute % an Trockensubstanzen Überführung % Glucose Xylose Oligosaccharide Zusammensetzung der geklärten und eingedampften Enzymhydrolysatlösung: des Rohgewichts

Beispiel 8

Gärung der enzymatischen Hydrolysate der mit Dampfexplosion behandelten, mit Wasser gewaschenen Birkenspanmasse zu Ethanol

Die hydrolysierte Cellulose wurde mit einer Hefe Candida tropicalis ATCC 9968 vergoren. Ein IF-250 Laboratoriums-Bioreaktor der New Brunswick Scientific Co. wurde verwendet.
Die Fermentationslösung enthielt:
45 l Hydrolysate
1,5 kg Gistex-Hefeextrakt
40 l Wasser
Die angeimpften Kulturen wurden in 2 Stufen wachsen gelassen, zuerst in einem 2 l Erlenmeyerkolben in einem Orbital-Schüttelapparat 2 Tage lang bei 30ºC , und dann in einem New Brunswick Scientifi SF-116 Laboratoriums-Bioreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 11 l. Der Bioreaktor wurde mit einer Geschwindigkeit von 5,5 Nl/Min. (0,5 vvm) belüftet und mit einer Geschwindigkeit von 500 Umdr./Min. gerührt. Die Kultivierung dauerte einen Tag.
Die eigentliche Gärung wurde im Technikumsmaßstab durchgeführt, wobei das Arbeitsvolumen 100 l betrug. Der Bioreaktor wurde mit einer Geschwindigkeit von 25 Nl/Min. (0,25 vvm) belüftet und mit einer Geschwindigkeit von 100 Umdr./Min. gerührt. Die Temperatur wurde auf 30ºC eingestellt und der Schaum wurde mit Plurior als Antischaummittel beherrscht.
Die Resultate der Gärung werden in der Tabelle 4 wiedergegeben. Tabelle 4 Zeit(Std.) Zellmasse (g/l) Glucose(g/l) Ethanol(g/l)
Im Verlauf von 29,5 Stunden verbrauchte die Hefe die gesamte Glucose in dem Substrat und produzierte daraus Ethanol mit einer Ausbeute von 48%.
Nach der Gärung wurden die Hefezellen von der Lösung durch Zentrifugieren (Westfalia NA7-06-079) abgetrennt. Die geklärte Lösung wurde destilliert, um das Ethanol zu gewinnen.

Beispiel 9

Gewinnung von Ethanol aus dem Fermentationsprodukt des enzymatischen Hydrolysats der mit Dampfexplosion behandelten, mit Wasser gewaschenen Birkenspanmasse

100 Liter des vergorenen Cellulosehydrolysats wurden destillert. Die Gärung wurde in der Weise durchgeführt, wie sie im Beispiel 8 beschrieben wurde, geklärt wurde durch Zentrifugieren in einem Westfalia NA7-06-076 Separator. Der Ethanolgehalt der Lösung betrug 3,4%.
Der Destillationsapparat war aus Standardkomponten von Corning Process Systems zusammengebaut, die aus Borsilicatglas bestanden. Der Durchmesser der Kolonne betrug 10 cm. Der Apparat umfaßte 15 Trennungsstufen: Destillationsblase, 13 Glockenböden und ein Zulaufboden zwischen dem vierten und fünften Glockenboden, von oben gesehen. Die Destillation wurde bei einem Druck von 100 mBar, bei einer Aufgabegeschwindigkeit von 10 l/Std. und mit einem Rückflußverhältnis von 3:1 durchgeführt. 8,5 kg Destillat wurden gewonnen, das einen Ethanolgehalt von 36,0% aufwies. Der Ethanolgehalt des Bodenprodukts betrug 0,01 Gew.%.

Claims

1. Ein Verfahren für die gleichzeitige Herstellung von Xylit und Ethanol aus einem lignocellulosehaltigen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial mit einem Hefestamm vergoren wird, der fähig ist, Xylose in Xylit und die vorhandenen freien Hexosen in Ethanol zu überführen, das produzierte Ethanol gewonnen wird und Xylit aus der erhaltenen Xylit lösung chromatographisch abgetrennt wird.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial extrahiert wird, die extrahierte Lösung vergoren wird, um Xylose in Xylit zu überführen, mit der Xylit lösung eine chromatographische Trennung und eine Kristallisation durchgeführt wird, mit der extrahierten Masse eine Endhydrolyse durchgeführt wird, die genannte Masse vergoren und das produzierte Ethanol gewonnen wird.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine xylanhaltige Lignocellulose, wie Birken- oder Getreidehülsen, als Ausgangsmaterial verwendet wird.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sulfitablauge als Ausgangsmaterial verwendet wird.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß reiner Xylit aus der xylitreichen Fraktion, die in der Chromatographiestufe erhalten wird, kristallisiert wird.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hefezellen vor oder nach der Destillation entfernt werden.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hefestamm der Gattung Candida oder Debaryomyces angehört.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hefe eine Spezies von Candida tropicalis und bevorzugt Candida tropicalis ATCC 9968 ist.

9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hefe eine Spezies von Debaryomyces hansenii ist.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ethanol durch Destillation gewonnen wird.

11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrolyse durch Dampfexplosion und eine enzymatische Endhydrolyse durchgeführt wird.

12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chromatographische Trennung unter Verwendung eines starken Kationenaustauscherharzes als stationäre Phase durchgeführt wird.

13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gärung bei einem pH-Wert von etwa 4 - 7, bevorzugt von etwa 5,7, und bei einer Temperatur von etwa 10 - 45ºC, bevorzugt von etwa 25 - 35ºC , durchgeführt wird.

14. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endhydrolyse der extrahierten Masse enzymatisch durchgeführt wird.