AT508330A1 - METHOD FOR PRODUCING SUGAR FROM A LIGNOCELLULOSIC MATERIAL - Google Patents
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Description
• · · · ···« A12659• · · · ··· «A12659
Verfahren zur Herstellung von Zuckern aus einem lienocellulosischen MaterialProcess for the preparation of sugars from a lienocellulosic 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.The invention relates to a process for the preparation of sugars, in particular pentoses and hexoses, from a lignocellulosic material. The invention further relates to a process for the production of alcohol from the sugars.
Im Zusammenhang mit der Verknappung von Rohöl und der Diskussion um Getreide als Energielieferant gewinnt der nachwachsende Rohstoff Lignocellulose (Stroh, Holz, Papierabfalle 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.In connection with the shortage of crude oil and the discussion about grain as an energy supplier, the renewable raw material lignocellulose (straw, wood, paper waste, etc.) is gaining in importance as starting material for fuels or chemical products. The conversion of lignocellulose can be accomplished in two fundamentally different ways: 1) the "thermochemical platform", in which the lignocellulose is first gasified and the syngas is synthesized into desired products, and 2) the "sugar platform", where the main interest is in the Use of the bound in the polymers cellulose and hemicelluloses sugar, while lignin is still mainly used for energy. The present invention is to be associated with the second route.
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.In contrast to starch, the sugars of lignocellulose are present in tightly networked, polymeric, crystalline structures, cellulose and hemicelluloses, which are additionally surrounded by a lignin coat, resulting in an extremely dense complex. The most obvious way to extract sugar from lignocellulose would be the direct use of cellulases and hemicellulases. However, this is made more difficult on the raw material straw or wood by the density of the above-mentioned complex. Due to their high molecular weight enzymes are unable to penetrate through the narrow pores in the lignocellulose. This means that a first step must be taken which increases the porosity of the lignocellulose and thereby allows further enzymatic saccharification.
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.This first step is called "pretreatment". It is very complicated throughout, so that e.g. In the production of "second generation biofuels" up to 1/3 of the production costs have to be spent, which negatively influences the profitability. The methods used are aimed either at primarily liquefying the hemicelluloses (e.g., steam explosion, dilute acid-pretreatment) or at increasing the porosity by liquefying lignin (e.g., lime, ammonia-pretreatment).
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 ···· ···· • · • · A12659 • ·· ·····.· • · · · ···· ·*··ν· * ···· · ·**· · ·· ·· · · · ·The digested lignocellulose substrate can be treated enzymatically for the recovery of sugars or their oligomers, wherein the type of pretreatment can have a strong influence on the enzyme activity and the yield. At high level ···· ···· • • • • A12659 • ····················································································· ·· ·· · · · ·
Reaktionstemperaturen entstehen vielfach toxische Abbauprodukte (z.B. Furfural), welche im Falle einer unmittelbar angeschlossenen Ethanol-Gärung, die Hefen hemmen können (Chandra et al., 2007; Mansfield et al., 1999).Reaction temperatures often give rise to toxic degradation products (e.g., furfural) which, in the case of direct ethanol fermentation, can inhibit yeasts (Chandra et al., 2007, Mansfield et al., 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.All of these methods have a serious drawback that they are either energy-intensive and run predominantly at temperatures just below 200 ° C, or that they require a costly recovery of the digestion chemicals.
Eine technologische Verbesserung in diesem Bereich, z.B. durch die Entwicklung von nahezu neutralen Niedertemperaturverfahren, würde einen entscheidenden Fortschritt bei jeglicher stofflicher Nutzung des Rohstoffes Lignocellulose bedeuten. Dies ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.A technological improvement in this area, e.g. The development of near-neutral low-temperature processes would mean a significant advance in any material use of the raw material lignocellulose. This is the object of the present invention.
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 zerfallt. 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.EP 1 025 305 B1 discloses a chemical process for lignin depolymerization. It relies on the catalytic action of complexed copper in conjunction with hydrogen peroxide or organic hydroperoxides and is able to oxidatively cleave lignin at temperatures below 100 ° C. The complexing agents used are pyridine derivatives. Synthetic lignin models have been shown to cleave in the propyl side chain of the lignin molecule when H2O2 is used as the oxidant, causing the lignin polymer to disintegrate into oligomeric subunits. When using the Cu system with an excess of organic hydroperoxides, it is possible to delignify wood. The H2O2-based system appears to be technically more feasible and has been tested as a bleach additive in kraft pulp peroxide bleaching, resulting in improved delignification rate and higher whiteness.
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.Further, from Chupka et al. (1993), that the efficiency of alkaline catalysis of the oxidation of wood and lignin increases considerably when the aqueous reaction medium contains an organic solvent, e.g. DMSO, acetone, ethanol is added. Furthermore, the authors claim that at pH values above 11 there is a sharp increase in the oxidation of wood and lignin.
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 Delignifizierung wird in Gegenwart von Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Ozon durchgefiihrt. • · ·· · • · *«· · »·«· A12659 • · · «« ♦ · · ·· ··From WO 01/059204 a process for the production of pulp is known in which the starting material is subjected to a pretreatment, wherein the material is treated with a buffer solution and a delignification catalyst (transition metal). The delignification is carried out in the presence of oxygen, hydrogen peroxide or ozone. • ·······························································
Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Zuckern dadurch gekennzeichnet daß lignocellulosisches Material mit einer wässerigen Lösung, welche Wasserstoffperoxid, einen CM-Alkohol und eine Base enthält, behandelt wird, um Lignocellulose oxidativ 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-spaltendem Enzym behandelt wird, um die Zucker zu gewinnen.In contrast, the process of the present invention for the production of sugars is characterized in that lignocellulosic material is treated with an aqueous solution containing hydrogen peroxide, a CM alcohol and a base to oxidatively cleave lignocellulose and separate fission products from the material, one with cellulose and hemicellulose-enriched material is obtained, and the resulting cellulosic and hemicellulose-enriched material is treated with a carbohydrate-splitting enzyme to recover the sugars.
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein mit einer wässerigen, basischen Wasserstoflperoxidlösung, welche einen Ci-4-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.The invention is based on the finding that a lignocellulosic material which has been treated with an aqueous, basic hydrogen peroxide solution which contains a C 1-4 -alcohol can be enzymatically processed into sugars in a higher yield than a material which has been delignified in another way, in particular without the additive from alcohol. The sugars are mainly pentoses and hexoses.
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.As lignocellulosic material straw is preferably used. Straw has a highly hydrophobic surface, so wetting with aqueous solutions is a problem. It has been found that it is possible by the use of alcohol, even without pressure to introduce the reaction solution into the pores of the substrate and to replace the existing air by reaction solution. If metal ions are introduced with the straw, which partially destroy the hydrogen peroxide, then a complexing agent for the metal ions should be added.
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.It has also been shown that alcohol accelerates the extraction of the cracking products from straw and helps to keep the lignin cleavage products in solution. Ethanol is particularly suitable as ethanol, propanol and butanol, including their isomers.
Durch das Abdampfen des Alkohols nach dem Aufschlussverfahren wird die Flüssigkeitsmenge reduziert bzw. die Substratkonzentration erhöht, sodass geringere Enzymmengen zur enzymatischen Hydrolyse, bzw. bei anderen enzymatischen Weiterverarbeitungen erforderlich sind. Bei der Alkoholproduktion sind die Enzymkosten ein entscheidender Kostenfaktor.By evaporation of the alcohol after the digestion process, the amount of liquid is reduced or the substrate concentration is increased, so that smaller amounts of enzyme for enzymatic hydrolysis, or in other enzymatic processing are required. In alcohol production, enzyme costs are a crucial cost factor.
Alkohol führt dazu, dass im alkalischen Bereich während der Reaktion zusätzlich zum Lignin ffeigesetzte Hemicellulose-Spaltprodukte an die Cellulose adsorbieren. Die Vorteile für den Prozess sind: ·· ·· · · ···· ···· ····· · · · A12659 • ·· ·····.· · • · · · ···· ·*··4· · • · · · · · · · ·· ·· · · · ·Alcohol causes in the alkaline region during the reaction in addition to the lignin ffeigesetzten hemicellulose cleavage products adsorb to the cellulose. The advantages for the process are: ······························· ···················· * ·· 4 · · · · · · · · · ·······························
Hohe Selektivität des Ligninabbaus. Für den Fall einer Abtrennung der Extraktionslösung vom Feststoff:High selectivity of lignin degradation. In the case of separation of the extraction solution from the solid:
Sehr geringe Konzentration an Hemicellulose Spaltprodukten in der Extraktionslösung: die Hemicellulose bleibt im Feststoffanteil und dadurch für die enzymatische Hydrolyse und Zuckergewinnung erhalten.Very low concentration of hemicellulose cleavage products in the extraction solution: the hemicellulose remains in the solid content and is thus preserved for enzymatic hydrolysis and sugar extraction.
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.The last two points, hardly any hemicelluose cleavage products in the extract and the increased solubility of the lignin, increase the throughput rates in case of a possible separation of the solid by filtration.
Die alkoholische Lösung des Lignin-Extraktes bietet verbesserte Möglichkeiten in der weiteren Aufarbeitung des Lignins und der Herstellung von Produkten aus Lignin:The alcoholic solution of the lignin extract offers improved possibilities in the further processing of the lignin and the production of lignin products:
Es wirkt weiterhin als Scavenger und Lösungsmittel für Spaltprodukte aus einer enzymatischen, biomimetischen oder chemischen Depolymerisation der höhermolekularen Lignin-Spaltprodukte zu niedermolekularen.It also acts as a scavenger and solvent for fission products from an enzymatic, biomimetic or chemical depolymerization of higher molecular weight lignin cleavage products to low molecular weight.
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.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, straw is used as the lignocellulosic material. Straw has a strongly hydrophobic surface, so that wetting with aqueous solutions is generally a problem. In the known steamer explosion process, the reaction solution is introduced by the pressure. However, it has been found that it is possible by the inventive use of alcohol, even without pressure to introduce the reaction solution in the pores of the substrate and to replace the existing air by reaction solution. This is confirmed by the sinking of the substrate in the aqueous reaction medium.
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. hn erfindungsgemäßen Verfahren wird das lignocellulosische Material vorzugsweise in der wässerigen Lösung in einer Stoffdichte von 5-40 Gew.-% eingesetzt. ·· · · ··· • · · A 12659 5 • · · · · • ···· ···· • · · ·· · ·A preferred variant of the method according to the invention is that the pH of the aqueous solution prior to the treatment of the lignocellulosic material is less than 11.0 and greater than 10.0 and that no base is added during the treatment. This is particularly advantageous for the enzymatic further processing of the sugars to alcohol, since it has been shown that the pH drops during the treatment, so that only a few chemicals to set the optimum pH for the subsequent enzymatic cleavage of carbohydrates and fermentation of Sugar to alcohol needed. In the process according to the invention, the lignocellulosic material is preferably used in the aqueous solution in a consistency of 5-40% by weight. ··· ········
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.The following example and comparative example document the effect of pretreatment in the presence of alcohol on the yield of reducing sugars after enzymatic hydrolysis.
Beispielexample
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 12 eingestellt. Die Mischung wird bei 200 rpm, 60°C, 24h kontinuierlich gerührt. Danach wird der Feststoffanteil abfiltriert und mit 1L destilliertem Wasser gewaschen.Wheat straw is crushed to a particle size of about 2 cm. 2.5 g of crushed wheat straw is suspended in a 500 ml reaction vessel in 200 ml of a solution consisting of 49.5% water, 50% ethanol and 0.5% hydrogen peroxide. The suspension is heated to 50 ° C. in a water bath, thermostated and the pH of the suspension is adjusted to a starting pH of 12 using aqueous NaOH solution. The mixture is stirred continuously at 200 rpm, 60 ° C., 24 h. Thereafter, the solid content is filtered off and washed with 1 L of distilled water.
Zur enzymatischen Hydrolyse wurden von jedem Parallelversuch 100 mg vorbehandeltes Substrat mit 9,8 ml 50mM Na-Acetat Puffer auf pH 4,8 gestellt und mit 200 \\L 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 durchgefuhrt. 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.For enzymatic hydrolysis, 100 mg pretreated substrate of each parallel experiment was adjusted to pH 4.8 with 9.8 ml of 50 mM Na acetate buffer and admixed with 200 μl of Accellerase 1000 Suspension (www.genencor.com). Accellerase is an enzyme mixture of cellulases and hemicellulases. The enzymatic hydrolysis was carried out at 50 ° C in a shaking water bath. The soluble monomers of hexoses and pentoses released after 48 h were determined in the form of reducing sugars by the DNA method in 1 ml of liquid supernatant, based on the amount of pre-treated substrate weighed and expressed in percent of the maximum theoretical yield.
Die theoretische maximale Ausbeute reduzierender Zucker wurde gesondert bestimmt und beträgt 705 mg +/- 5% pro g unbehandeltes Stroh.The theoretical maximum yield of reducing sugars was determined separately and is 705 mg +/- 5% per g of untreated straw.
Pro Versuchsansatz wurden jeweils 5 Parallelversuche durchgeführt. Die Ausbeute an reduzierenden Zuckern betrug 99% +/- 4%.In each case 5 parallel experiments were carried out per test batch. The yield of reducing sugars was 99% +/- 4%.
VergleichsbeispielComparative example
Das obige Beispiel wurde wiederholt, jedoch ohne Alkoholzusatz. Die Ausbeute an reduzierenden Zuckern betrug lediglich 64% +/- 3%.The above example was repeated, but without the addition of alcohol. The yield of reducing sugars was only 64% +/- 3%.
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