AT505263B1 - PROCESS FOR PRODUCING ASCORBIC ACID - Google Patents
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- AT505263B1 AT505263B1 AT8752007A AT8752007A AT505263B1 AT 505263 B1 AT505263 B1 AT 505263B1 AT 8752007 A AT8752007 A AT 8752007A AT 8752007 A AT8752007 A AT 8752007A AT 505263 B1 AT505263 B1 AT 505263B1
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Description
teiÄses patcBiamt AT505 263 B1 2009-08-15teiÄses patcBiamt AT505 263 B1 2009-08-15
Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Ascorbinsäure, bei welchem in einem ersten Schritt eine Kohlenstoffquelle fermentativ in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure umgewandelt wird, welche dann in einem zweiten Schritt enzymatisch mit 2,5-Diketo-D-Glucon-säure-Reduktase aus Corynebacterium glutamicum zu 2-Keto-L-Gulonsäure umgesetzt wird.Description: The present invention relates to a process for the production of ascorbic acid, in which, in a first step, a carbon source is fermentatively converted to 2,5-diketo-D-gluconic acid, which then in a second step enzymatically with 2,5-diketo D-gluconic acid reductase from Corynebacterium glutamicum is converted to 2-keto-L-gulonic acid.
[0002] Ascorbinsäure findet in der Pharma- und Nahrungsmittelindustrie als Vitamin und Antio-xidanz Anwendung. L-Ascorbinsäure wird derzeit überwiegend nach dem von Reichstein (1934) entwickelten Verfahren hergestellt. Nach diesem Herstellungsverfahren von Reichstein erhält man Vitamin C aus D-Glucose in einem chemisch-biokatalytischen Verfahren. Die Glucose wird zunächst zu Sorbit reduziert und anschließend mit Sorbose-Bakterien zu dem Kohlenhydrat L-Sorbose oxidiert. Die Sorbose wird unter Zugabe von Aceton weiter oxidiert, wobei nach der anschließenden Abspaltung des Acetons und einer Wasserabspaltung das Vitamin C entsteht. Die Reichstein-Synthese erfordert neben hohem Energie- und Chemikalienaufwand auch eine anspruchsvolle Abwasseraufbereitung, um die Freisetzung Lindan-ähnlicher Nebenprodukte zu vermeiden. Ferner liefert dieses Verfahren nur eine Ausbeute von etwa 50%.Ascorbic acid is used in the pharmaceutical and food industries as a vitamin and antioxidant application. L-ascorbic acid is currently produced predominantly according to the process developed by Reichstein (1934). After this manufacturing process of Reichstein obtained vitamin C from D-glucose in a chemical-biocatalytic process. The glucose is first reduced to sorbitol and then oxidized with sorbose bacteria to the carbohydrate L-sorbose. The sorbose is further oxidized with the addition of acetone, wherein after the subsequent cleavage of the acetone and dehydration, the vitamin C is formed. The Reichstein synthesis requires not only high energy and chemical expenditure, but also sophisticated wastewater treatment in order to avoid the release of lindane-like by-products. Furthermore, this process provides only a yield of about 50%.
[0003] In den vergangenen Jahren wurden vermehrt Anstrengungen unternommen, um biotechnologische Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure zu entwickeln. Der wirtschaftliche Durchbruch mit solchen Verfahren ist jedoch bei diesen Versuchen nicht gelungen. Die Mehrzahl der bekannten biotechnologischen Verfahren beschränkt sich auf die Herstellung von Zwischenprodukten des Ascorbinsäure-Synthesewegs. Insbesondere von Interesse sind die 2,5-Diketo-D-Gluconsäure (2,5-DKG) und die 2-Keto-L-Gulonsäure (2-KLG). 2,5-DKG ist deswegen ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung von Ascorbinsäure, da sie selektiv und stereospezifisch in die 2-KLG reduziert werden kann, welche ihrerseits ein Vorläufer der Ascorbinsäure ist. 2-KLG kann in weiterer Folge leicht durch eine Säure- oder Basenkatalysierte Reaktion in Ascorbinsäure umgewandelt werden.In recent years, increased efforts have been made to develop biotechnological processes for the production of ascorbic acid. However, the economic breakthrough with such methods has not succeeded in these experiments. The majority of known biotechnological processes are limited to the preparation of intermediates of the ascorbic acid synthesis pathway. Of particular interest are 2,5-diketo-D-gluconic acid (2,5-DKG) and 2-keto-L-gulonic acid (2-KLG). 2,5-DKG is therefore an important intermediate in the production of ascorbic acid because it can be selectively and stereospecifically reduced to the 2-KLG, which in turn is a precursor of ascorbic acid. Subsequently, 2-KLG can easily be converted to ascorbic acid by an acid- or base-catalyzed reaction.
[0004] Die Herstellung des Zwischenproduktes 2,5-Diketo-D-Gluconsäure (2,5-DKG) mittels aeroben Mikroorganismen, die ausschließlich der Gattungen Acetobacter, Acetomonas, Gluco-noacetobacter und Pseudomonas angehören, ist beispielsweise im US Patent 4.316.960 (Pfizer Inc, 1982) beschrieben worden. Die Verwendung dieser Mikroorganismen ist jedoch von einem industriellen Gesichtspunkt ausgesehen wenig zufriedenstellend, da sie bei relativ langen Fermentationszeiten nur eine geringe Ausbeute an 2,5-DKG liefern. Das US Patent 3.790.444 (DAIICHI SEIYAKU CO, Japan, 1974) offenbart die Herstellung von 2,5-DKG mittels Acetobacter fragum (ATCC Nr. 21409) bei relativ guten Ausbeuten. Sonoyama et al. (US Patent 4.879.229; Shionogi & Co., Ltd., Japan, 1989) offenbaren die Verwendung von fakultativ anaeroben Stämmen der Gattung Pectobacter zur Herstellung von 2,5-DKG. Dabei wird ein 2,5-DKG erzeugender Mikroorganismus der Gattung Pectobacter oder irgendein Inhaltsstoff davon (wie z.B. Enzymextrakte) bzw. immobilisierte Zellen in Kontakt mit D-Glucose gebracht.The preparation of the intermediate 2,5-diketo-D-gluconic acid (2.5-DKG) by means of aerobic microorganisms belonging exclusively to the genera Acetobacter, Acetomonas, Gluco-noacetobacter and Pseudomonas, for example, in US Patent 4,316,960 (Pfizer Inc, 1982). However, the use of these microorganisms is unsatisfactory from an industrial point of view because they provide only a low yield of 2,5-DKG at relatively long fermentation times. US Patent 3,790,444 (DAIICHI SEIYAKU CO, Japan, 1974) discloses the production of 2,5-DKG by Acetobacter fragum (ATCC No. 21409) at relatively good yields. Sonoyama et al. (U.S. Patent 4,879,229, Shionogi & Co., Ltd., Japan, 1989) disclose the use of facultative anaerobic strains of the genus Pectobacter to produce 2,5-DKG. In this case, a 2,5-DKG-producing microorganism of the genus Pectobacter or any ingredient thereof (such as enzyme extracts) or immobilized cells is brought into contact with D-glucose.
[0005] Auch nicht-fermentative, biokatalytische Verfahren zum Herstellen von Ascorbinsäure-Zwischenprodukten sind beschrieben worden. So beschreibt das EP 1141368B1 (Genencor International, Inc., Kalifornien, 2006) die biokatalytische Herstellung von 2-KLG aus einer Kohlenstoffquelle, wobei der für die Reaktion benötigte Co-Faktor regeneriert wird. Ein alternatives Verfahren ist beispielsweise im US Patent 4.757.012 (Genentech Inc. Kalifornien) offenbart, welches die Reinigung und die rekombinante Herstellung von 2,5-Diketo-Gluconsäure (2,5-DKG)-Reduktase und deren Verwendung zur reduktiven Umwandlung von 2,5-Diketo-Gluconsäure in 2-Keto-L-Gulonsäure (2-KLG) beschreibt.Non-fermentative, biocatalytic processes for preparing ascorbic acid intermediates have also been described. Thus, EP 1141368B1 (Genencor International, Inc., California, 2006) describes the biocatalytic production of 2-KLG from a carbon source, wherein the co-factor required for the reaction is regenerated. An alternative method is disclosed, for example, in U.S. Patent 4,757,012 (Genentech Inc. California), which discloses the purification and recombinant production of 2,5-diketo-gluconic acid (2,5-DKG) reductase and their use for the reductive conversion of 2,5-diketo-gluconic acid in 2-keto-L-gulonic acid (2-KLG).
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einerseits eine wirtschaftliche Alternative zu den bisher beschriebenen biotechnologischen Verfahren darstellt und andererseits die Nachteile des Reichstein- 1/9 ijitirriiWiSF'fiS pätsmamt AT505 263B1 2009-08-15The invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned above, which on the one hand represents an economical alternative to the biotechnological methods described so far and on the other hand, the disadvantages of the Reichstein 1/9 ijitirriiWiSF'fiS patenmamt AT505 263B1 2009- 08-15
Prozesses überwindet.Process overcomes.
[0007] Erfindungsgemäß wird die Erfindung dadurch gelöst, dass die Kohlenstoffquelle Glucose ist und die Umwandlung von Glucose in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure durch den Pectobacter cypripedii Stamm HeP01 (DSM 12939) direkt erfolgt.According to the invention, the invention is achieved in that the carbon source is glucose and the conversion of glucose into 2,5-diketo-D-gluconic acid by the Pectobacter cypripedii strain HeP01 (DSM 12939) is direct.
[0008] Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der erfindungsgemäße Pectobacter cypripedii Stamm HEP01 Glucose direkt in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure (2,5 DKG) umwandeln kann und stellt somit eine Weiterentwicklung des Standes der Technik dar. Bisher war es mittels Pectobacter spp. nur möglich, Gluconsäure, die wesentlich aufwändiger ist als Glucose (Gluconsäure kostet etwa das Doppelte von Glucose), in das Zwischenprodukt 2,5-DKG zu fermentieren. Der neue Pectobacter Stamm HEP01 unterscheidet sich aufgrund von physiologischen und biochemischen Merkmalen vom bisherigen, im Stand der Technik beschrieben Stamm (DSMZ 30182) insofern, als er zur Nitratreduktion, zum Wachstum auf Malonsäure bzw. zur Säurebildung aus L-Rhamnose und D-Maltose fähig ist und ferner eine Urease-Aktivität aufweist. Hingegen weist der Stamm HeP01 (DSM 12939) Stärkehydrolyse Aktivität nicht auf.The advantage of the present invention is that the invention Pectobacter cypripedii strain HEP01 can convert glucose directly into 2,5-diketo-D-gluconic acid (2.5 DKG) and thus represents a further development of the prior art. So far it was by means of Pectobacter spp. it is only possible to ferment gluconic acid, which is considerably more expensive than glucose (gluconic acid costs about twice the amount of glucose), into the intermediate 2.5-DKG. The new Pectobacter strain HEP01 differs from the previous strain described in the prior art (DSMZ 30182) in that it is capable of nitrate reduction, growth on malonic acid, and acid formation from L-rhamnose and D-maltose due to physiological and biochemical characteristics is and also has a urease activity. In contrast, strain HeP01 (DSM 12939) does not have starch hydrolysis activity.
[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann im ersten Schritt die Luftzufuhr bis zum Erreichen anaerober Bedingungen in der Nährlösung verringert bzw. eingestellt werden, wenn die Bildung der 2,5-Diketo-D-Gluconsäure aus dem Zwischenprodukt 2-Keto-D-Gluconsäure ausbleibt. Dadurch wird sichergestellt, dass im Wesentlichen die gesamte 2-Keto-D-Gluconsäure in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure umgewandelt wird, welche das Ausgangssubstrat für die nachfolgende Reduzierung zu 2-Keto-L-Gulonsäure ist, wodurch insgesamt eine höhere Produktausbeute erzielt werden kann.In a preferred embodiment of the invention, in the first step, the air supply can be reduced or adjusted until anaerobic conditions in the nutrient solution, when the formation of 2,5-diketo-D-gluconic acid from the intermediate 2-keto-D -Gluconic acid is absent. This ensures that substantially all of the 2-keto-D-gluconic acid is converted to 2,5-diketo-D-gluconic acid, which is the starting substrate for subsequent reduction to 2-keto-L-gulonic acid, giving a higher total Product yield can be achieved.
[0010] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Luftzufuhr über eine Sauerstoffsonde gesteuert werden. Durch die Überwachung des Sauerstoffgehalts in der Nährlösung mittels Sauerstoffsonde wird erreicht, dass einerseits der Sauerstoffgehalt in der Nährlösung dem jeweiligen Optimum des verwendeten Mikroorganismus entspricht und andererseits werden die für die vollständige Umwandlung von 2-Keto-D-Gluconsäure in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure notwendigen anaeroben Bedingungen gesteuert.In a further embodiment of the invention, the air supply can be controlled via an oxygen probe. By monitoring the oxygen content in the nutrient solution using an oxygen probe, it is achieved that, on the one hand, the oxygen content in the nutrient solution corresponds to the particular optimum of the microorganism used, and, on the other hand, that required for complete conversion of 2-keto-D-gluconic acid into 2,5-diketone. Controlled D-gluconic acid necessary anaerobic conditions.
[0011] In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung kann während der Fermentation des ersten Schrittes der pH-Wert überwacht und/oder geregelt werden. Die Bildung der Gluconsäure führt zu einem Absenken des pH-Wertes, wodurch das Wachstum der Mikroorganismen unterbunden wird. Durch Regeln des pH-Wertes wird sichergestellt, dass der pH-Wert der Nährlösung immer innerhalb des optimalen Bereichs für das Wachstum der Mikroorganismen liegt und somit das gesunde Wachstum der Mikroorganismen aufrechterhalten wird.In yet another embodiment of the invention, the pH can be monitored and / or regulated during the fermentation of the first step. The formation of gluconic acid leads to a lowering of the pH, whereby the growth of microorganisms is suppressed. By controlling the pH, it is ensured that the pH of the nutrient solution is always within the optimum range for the growth of the microorganisms and thus the healthy growth of the microorganisms is maintained.
[0012] In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der erste Schritt des Verfahrens im Batch-Betrieb ausgeführt werden. Dabei werden alle Zutaten in den Fermenter eingebracht und in herkömmlicher Weise durch die Mikroorganismen fermentiert.In an alternative embodiment of the invention, the first step of the method can be carried out in batch mode. In this case, all ingredients are introduced into the fermenter and fermented in a conventional manner by the microorganisms.
[0013] In bevorzugter Weise kann jedoch der erste Schritt des Verfahrens im Fed-Batch Betrieb ausgeführt werden. Beim Fed-Batch Betrieb wird durch eine gesteuerte Substratzuführung eine zu starke Absenkung der Eduktkonzentration vermieden, sodass sich die Mikroorganismen immer in der exponentiellen Wachstumsphase befinden. Ferner ist eine Steuerung der Wachstumsrate der Mikroorganismen in Abhängigkeit der gewählten Zufuhr-Strategie möglich. Dies unterbindet die Bildung von mit Wachstum-assoziierten sekundären Metaboliten.Preferably, however, the first step of the process can be carried out in fed-batch mode. With fed-batch operation, a controlled substrate feed avoids an excessive lowering of the educt concentration, so that the microorganisms are always in the exponential growth phase. Furthermore, it is possible to control the growth rate of the microorganisms depending on the chosen delivery strategy. This prevents the formation of growth-associated secondary metabolites.
[0014] In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen werden, dass das im zweiten Schritt benötigte Coenzym NADPH durch die Glucose-Dehydrogenase (GDH), die Glucose in Gluconsäure umwandelt, regeneriert wird, wobei die durch die Regenerierung entstehende Gluconsäure, und gegebenenfalls verbleibende Glucose und/oder 2,5-Diketo-D-Gluconsäure des erfindungsgemäßen Verfahrens in den ersten Schritt zurückgeführt wird. Durch die fortlaufende Regenerierung des Coenzyms NADPH kann mit einer geringeren Coenzym-Konzentration gearbeitet werden, als für die vollständige Umwandlung von 2,5-DKG in 2- 2/9 isdKrtsefcistke AT505 263 B1 2009-08-15 KLG ohne Coenzym-Regeneration notwendig wäre.In a further development of the present invention can be provided that the coenzyme NADPH required in the second step by the glucose dehydrogenase (GDH), which converts glucose into gluconic acid, is regenerated, wherein the resulting by the regeneration of gluconic acid, and optionally remaining Glucose and / or 2,5-diketo-D-gluconic acid of the method according to the invention is returned to the first step. Continued regeneration of the coenzyme NADPH may result in a lower coenzyme concentration than would be required for the complete conversion of 2,5-DKG to KLG without coenzyme regeneration ,
[0015] In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im zweiten Schritt als Puffer Na-Citrat oder Na-Acetat eingesetzt werden. Durch die Venwendung des Na-Citrat- bzw. Na-Acetat-Puffers konnten nicht nur die Kosten für das Puffersystem gesenkt werden, sondern auch die Enzymaktivität im Vergleich zu dem in der Literatur beschriebenen Bis-Tris-Systems erhöht werden.In yet another embodiment of the invention may be used in the second step as a buffer Na citrate or Na acetate. The use of the Na citrate or Na acetate buffer not only reduced the cost of the buffer system, but also increased the enzyme activity compared to the Bis-Tris system described in the literature.
[0016] In Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Gluconsäu-re und gegebenenfalls Glucose und/oder 2,5-Diketo-D-Gluconsäure vor der Rückführung durch chromatographische Trennverfahren, wie lonentauschchromatographie, von dem 2-Keto-L-Gulonsäure-Produktstrom getrennt werden. Durch die Abtrennung von 2-Keto-L-Gulonsäure aus dem Produktstrom können restliche Glucose bzw. Gluconsäure in den ersten Schritt des Verfahrens zurückgeführt werden, um somit eine höhere Substratverwertung zu erreichen.In a further development of the present invention can be provided that the Gluconsäu-re and optionally glucose and / or 2,5-diketo-D-gluconic acid prior to recycling by chromatographic separation methods, such as ion exchange chromatography, of the 2-keto-L Gulonic acid product stream are separated. By separating 2-keto-L-gulonic acid from the product stream, residual glucose or gluconic acid can be recycled to the first step of the process to achieve higher substrate utilization.
[0017] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase aus Corynebacterium glutamicum unter Verwendung eines pET-Vektors in E. coli rekombinant hergestellt werden.In a further embodiment of the invention, the 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase from Corynebacterium glutamicum can be produced recombinantly using a pET vector in E. coli.
[0018] In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Herstellung der In-sert-DNA als Primer für die PCR CglakrPETF und CglakrPETR und das durch Einbau des für die 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase codierenden Gens in den kommerziell erhältlichen Vektor pCR®4-TOP® erhaltene Plasmid pPC1 als Matrize verwendet werden, wobei das ampli-fizierte Fragment in den Expressionsvektor pET-21d eingesetzt wird. In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der mit pET-21d transformierte E-coli BL21 (DE3) Stamm in einem Minimalmedium MPC-Gly, das in einem Liter 10g Pepton aus Casein, 10g Glycerol, 0,1 ml 1M CaCI2, 1 M MgS04*7H20, und 200ml MPC-Gly Salze enthält, gezüchtet werden, wobei die MPC-Gly Salzlösung in einem Liter Wasser 15g KH2P04, 2,5g NaCI und 5g NH4CI enthält.In yet another embodiment of the invention, for the preparation of the in-sert DNA as a primer for the PCR CglakrPETF and CglakrPETR and by incorporating the coding for the 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase gene in the commercial obtained vector pCR®4-TOP® plasmid pPC1 can be used as a template, wherein the amplified fragment is inserted into the expression vector pET-21d. In yet another embodiment of the invention, the E. coli BL21 (DE3) strain transformed with pET-21d can be transfected into a minimal medium MPC-Gly containing 1 g peptone from casein, 10 g glycerol, 0.1 ml 1M CaCl 2, 1 M MgS04 * 7H20, and 200ml MPC-Gly salts, with the MPC-Gly salt solution in one liter of water containing 15g KH2PO4, 2.5g NaCl, and 5g NH4Cl.
[0019] In Weiterführung der vorliegenden Erfindung kann es als Hybridverfahren geführt werden, wobei das Reaktionsgemisch in einen Produktstrom und einen Biokatalysatorstrom durch ein Membrantrennverfahren getrennt wird. Dadurch wird erreicht, dass die Enzyme im Verfahrenskreislauf ohne größere Verluste geführt werden können.In continuation of the present invention, it may be conducted as a hybrid process wherein the reaction mixture is separated into a product stream and a biocatalyst stream by a membrane separation process. This ensures that the enzymes can be performed in the process cycle without major losses.
[0020] In einer Ausführungsform der Erfindung können schließlich die Enzyme Diketo-Gluconsäure-Reduktase und Glucose-Dehydrogenase sowie die Coenzyme NADPH und NADP+ durch eine geladene Ultrafiltrationsmembran zurückgehalten werden. Das Trennen des Produktstromes und des Biokatalysatorstromes durch eine Ultrafiltrationsmembran führt dazu, dass die Enzyme bzw. Cofaktoren während des gesamten Verfahrens im Enzymreaktor vorhanden sind, und nicht ständig durch neue Enyzme oder Cofaktoren ersetzt werden müssen.Finally, in one embodiment of the invention, the enzymes diketo-gluconic acid reductase and glucose dehydrogenase and the coenzymes NADPH and NADP + can be retained by a charged ultrafiltration membrane. The separation of the product stream and the biocatalyst stream through an ultrafiltration membrane results in the enzymes or cofactors being present throughout the process in the enzyme reactor, and need not be constantly replaced by new enzymes or cofactors.
[0021] Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.The object of the invention will be described below with reference to a preferred embodiment.
[0022] Wie oben erwähnt, erfolgt die Herstellung von Ascorbinsäure mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung in einem zweistufigen Prozess. In einem ersten Schritt wird Glucose fermentativ in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure (2,5-DKG) umgewandelt. Dazu wurde ein Pectobacter cypripedii-Stamm (HeP01) aus Heidelbeeren isoliert und bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH gemäß dem Budapester Vertrag hinterlegt und erhielt die Hinterlegungsnummer DSM 12939. Ausgehend von einer Stichagarkultur des Organismus Pectobacter cypripedii wird eine entsprechende Anzahl von Trypton-Soya-Agar (TSA)-Platten beimpft, die bei 28°C für 24 bis 48 Stunden inkubiert werden. Zur Plattenbereitung wurde handelsüblicher TSA verwendet, wie beispielsweise Oxoid CM 131 und entsprechend den Herstellerangaben zubereitet. Die TSA-Platten wurden dann verwendet, um eine Vorkultur zuzubereiten. Dazu wurden 12, 17g Maisquellwasser, 2,76g Glucosemonohydrat, 0,27g KH2P04, 0,06g MgS04*7H20 und 0,27g NaCI mit Leitungswasser zu einem Gesamtvolumen von ca. 200 ml 3/9 ifcftsTisfcistke AT505 263B1 2009-08-15 aufgeschlämmt. Der pH-Wert des Mediums wurde unter Verwendung von Natronlauge (1 OOg/l) auf 7,02 eingestellt. Dann wurde das Medium mit Leitungswasser auf ein Gesamtvolumen von 250 ml gebracht. In 300 ml Erlenmeyerkolben wurden jeweils 1,25g CaC03 eingewogen und jeweils 50 ml des oben beschriebenen Mediums hinzugefügt und für 20 Minuten bei 121 °C sterilisiert. Nach dem Abkühlen wurden die Erlenmeyerkolben jeweils mittels Impföse mit dem Pectobacter cyripedii Stamm der TSA-Platten beimpft. Die Erlenmeyerkolben wurden dann für 16 Stunden auf einem Schüttelinkubator bei 200 U/min bei 28 °C inkubiert. Die so erhaltende Vorkultur wird für die anschließende Fermentation verwendet. Die Fermentation selbst wurde in einem Rührkesselfermenter mit einem Gesamtvolumen von 10 Litern, der mit einer pH-, p02-, Temperatur- und Gärölelektrode und dazugehöriger Mess- und Regelelektronik ausgerüstet ist, durchgeführt. Weiters wurde der C02 und 02-Gehalt in der Abluft des Fermenters überwacht.As mentioned above, the production of ascorbic acid by the process of the present invention is carried out in a two-stage process. In a first step, glucose is fermentatively converted to 2,5-diketo-D-gluconic acid (2,5-DKG). For this purpose, a Pectobacter cypripedii strain (HeP01) was isolated from blueberries and deposited with the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH under the Budapest Treaty and received the accession number DSM 12939. Starting from a Stichagarkultur of the organism Pectobacter cypripedii a corresponding number of tryptone Soy Agar (TSA) plates are incubated at 28 ° C for 24 to 48 hours. For the preparation of plates commercial TSA was used, such as Oxoid CM 131 and prepared according to the manufacturer's instructions. The TSA plates were then used to prepare a preculture. For this, 12, 17 g corn steep liquor, 2.76 g glucose monohydrate, 0.27 g KH2PO4, 0.06 g MgSO4 * 7H2 O and 0.27 g NaCl were slurried with tap water to a total volume of about 200 ml , The pH of the medium was adjusted to 7.02 using caustic soda (1 OOg / L). Then the medium was brought to a total volume of 250 ml with tap water. 1.25 g CaCO 3 were weighed out into 300 ml Erlenmeyer flasks and 50 ml each of the medium described above were added and sterilized at 121 ° C. for 20 minutes. After cooling, the Erlenmeyer flasks were in each case inoculated by means of a loop with the Pectobacter cyripedii strain of the TSA plates. The Erlenmeyer flasks were then incubated for 16 hours on a shaking incubator at 200 rpm at 28 ° C. The resulting preculture is used for the subsequent fermentation. The fermentation itself was carried out in a stirred tank fermenter with a total volume of 10 liters, which is equipped with a pH, pO 2, temperature and Gärölelektrode and associated measurement and control electronics. Furthermore, the CO 2 and O 2 content in the exhaust air of the fermenter was monitored.
[0023] Sowohl die Batch- als auch die Fed-Batch-Fermentation wurde mittels herkömmlicher Verfahren analysiert. Zu diesen zählen die Bestimmung der optischen Dichte, die enzymatische Glucose- und Gluconsäurebestimmung und HPLC. Für die Bestimmung der optischen Dichte wurde 1 ml Probe mit 8 ml Zitronensäuremonohydrat-Lösung (40 g/l) versetzt und auf 10 ml aufgefüllt. Die optische Dichte wurde bei 600 nm gemessen. Die Glucose bzw. Gluconsäure wurden jeweils mit einen kommerziell erhältlichen Enzymtest bei 340 nm photometrisch bestimmt (Boehringer, Bestellnummern 716251 bzw. 428191). Für die HPLC wurde ein LC 10-System (Shimadzu LC 10) mit einer Biorad HPX87H (300 mm) Trennsäule verwendet, wobei zwecks besserer Trennleistung zwei Säulen in Serie geschaltet sind. Die Säule (40^) wurde mit 0,005 N H2S04 eluiert und die einzelnen Fraktionen (Peaks) mit UV (Shimadzu SPD-10A) und RI-(Shimadzu RID-10A)-Detektoren, die hintereinander geschaltet sind, gemessen. Das besagte HPLC-Verfahren wurde zur Analyse der Glucose/Gluconsäure, 2,5-DKG, 2-Keto-D-Gluconsäure, Milchsäure bzw. Essigsäure verwendet.Both batch and fed-batch fermentation were analyzed by conventional methods. These include the determination of the optical density, the enzymatic determination of glucose and gluconic acid and HPLC. For the determination of the optical density, 1 ml of sample was admixed with 8 ml of citric acid monohydrate solution (40 g / l) and made up to 10 ml. The optical density was measured at 600 nm. The glucose or gluconic acid were determined photometrically using a commercially available enzyme assay at 340 nm (Boehringer, order numbers 716251 and 428191, respectively). For HPLC, an LC 10 system (Shimadzu LC 10) with a Biorad HPX87H (300 mm) separation column was used, with two columns connected in series for better separation efficiency. The column (40) was eluted with 0.005N H 2 SO 4 and the individual fractions (peaks) were measured with UV (Shimadzu SPD-10A) and RI (Shimadzu RID-10A) detectors connected in series. The said HPLC method was used for the analysis of glucose / gluconic acid, 2,5-DKG, 2-keto-D-gluconic acid, lactic acid and acetic acid, respectively.
[0024] Die Fermentation kann sowohl als Batch- (Anstellfermentation) als auch als Fed-Batch-Fermentation (Zulauffermentation) durchgeführt werden. Als erstes Beispiel wird eine Batch-Fermentation beschrieben.The fermentation can be carried out both as a batch (Anstellfermentation) and as a fed-batch fermentation (feed fermentation). As a first example, a batch fermentation will be described.
[0025] Der Fermenter wird dazu zur Hälfte mit Wasser befüllt und bei 101 °C für 30 Minuten sterilisiert. Anschließend wurde der Fermenter leer gepumpt und abgekühlt. Für das Reaktormedium wurden drei unterschiedliche Lösungen (Glucoselösung, Minerallösungen A und B) hergestellt und einzeln sterilisiert. Zur Herstellung der Glucoselösung wurden 1759,8 g Dextro-dyn (=Markenname der Fa. Agrana für Glucosemonohydrat) in 1,611 kg deionisiertem Wasser gelöst und bei 121 °C für 20 Minuten sterilisiert. Für die Minerallösung A wurden 192,2 g CSL (Com Steep Liquor), 1,35 g MgS04*7H20 und 8,96 g K2HP04 in 2503 g Leitungswasser gelöst und bei 121 °C für 20 Minuten sterilisiert. Die Bereitung der Minerallösung B erfolgte durch Aufschlämmung von 182,0 g CaC03 in 1499,8 g Leitungswasser und anschließender Sterilisation bei 121 °C für 20 Minuten. Die sterilen Medien (Glucoselösung, Minerallösungen A und B) wurden über einen sterilen Trichter in den Fermenter eingeführt und das Gewicht durch Rückwägung bestimmt. Der pH-Wert des Mediums im Fermenter wurde durch die Zugabe einer NaOH-Lösung (300 g/l) auf pH 7,0 eingestellt. Anschließend wurde der Fermenter mit dem Inhalt zweier wie oben beschrieben erhaltenen Vorkultur-Erlenmeyerkolben inokuliert. Die folgenden Parameter wurden eingestellt und während der gesamten Fermentationsdauer möglichst konstant gehalten, mit Ausnahme der Luftmenge, wie später beschrieben ist: • Luftmenge: • pH: • Temperatur: • Gelöstsauerstoff: 3 l/min pH 7,0 für die ersten acht Fermentationsstunden, dann pH 5,6 bis zum Fermentationsende (mittels NaOH gesteuert)Half of the fermenter is filled with water and sterilized at 101 ° C for 30 minutes. Subsequently, the fermenter was pumped empty and cooled. For the reactor medium, three different solutions (glucose solution, mineral solutions A and B) were prepared and individually sterilized. For the preparation of the glucose solution 1759.8 g of dextrose-dyn (= brand name of the company. Agrana for glucose monohydrate) were dissolved in 1.611 kg of deionized water and sterilized at 121 ° C for 20 minutes. For mineral solution A, 192.2 g of CSL (Com Steep Liquor), 1.35 g of MgSO 4 .7H 2 O and 8.96 g of K 2 HPO 4 were dissolved in 2503 g of tap water and sterilized at 121 ° C. for 20 minutes. The preparation of the mineral solution B was carried out by slurry of 182.0 g of CaCO 3 in 1499.8 g of tap water and subsequent sterilization at 121 ° C for 20 minutes. The sterile media (glucose solution, mineral solutions A and B) were introduced via a sterile funnel into the fermenter and the weight determined by reweighing. The pH of the medium in the fermenter was adjusted to pH 7.0 by the addition of a NaOH solution (300 g / L). Subsequently, the fermenter was inoculated with the contents of two pre-culture Erlenmeyer flasks obtained as described above. The following parameters were set and kept as constant as possible during the entire fermentation period, with the exception of the amount of air, as described later: • Air quantity: • pH: • Temperature: • Dissolved oxygen: 3 l / min pH 7.0 for the first eight fermentation hours, then pH 5.6 to the end of fermentation (controlled by NaOH)
28 °C 10% Sättigung (über Rührerdrehzahl geregelt) 4/9 pätesianit AT505 263 B1 2009-08-15 [0026] Nachdem keine Umsetzung von 2-Keto-D-Gluconsäure zu 2,5-Diketo-D-Gluconsäure in der oben beschriebenen Fermentation mehr erfolgt ist, wird die Luftzufuhr abgedreht, bis anaerobe Bedingungen im Fermenter herrschen. Nach Ablauf einer Zeitperiode von 2- bis 10 Stunden wurde die Luftzufuhr wieder aufgedreht. Diese Maßnahme führte dazu, dass die vollständige Umsetzung von 2-Keto-D-Gluconsäure zu 2,5-Diketo-D-Gluconsäure erfolgte. Mit dem oben beschriebenen Verfahren konnten 137 g 2,5-Diketo-D-Gluconsäure/l erzielt werden, was einer Ausbeute von 71% (Gew.-/Gew.) entspricht.28 ° C 10% saturation (controlled via stirrer speed) After no reaction of 2-keto-D-gluconic acid to 2,5-diketo-D-gluconic acid in the above described fermentation is done more, the air supply is turned off until anaerobic conditions prevail in the fermenter. After a period of 2 to 10 hours, the air supply was turned on again. This action resulted in the complete conversion of 2-keto-D-gluconic acid to 2,5-diketo-D-gluconic acid. 137 g of 2,5-diketo-D-gluconic acid / l could be obtained by the method described above, which corresponds to a yield of 71% (w / w).
[0027] Die Fermentation zur Herstellung von 2,5-DKG wurde in einem anderen Versuch als Fed-Batch-Prozess geführt, der im Wesentlichen dem oben beschriebenen Batch-Prozess entspricht, jedoch mit folgenden Änderungen. Das Fermentationsmedium enthält nicht 200 g/l Glucose sondern nur 100 g/l Glucose. Der sterilisierte Rührkessel wurde mit 5,5 Litern (ohne Inokulum) Medium, wie oben beschrieben, befüllt und mit Pectobacter cypripedii (2 Vorkultur-Erlenmeyerkolben) beimpft. Der Zulauf (Feed, 50%-ige Glucoselösung) wurde gestartet, wenn der COrGebalt in der Abluft über 1 Vol.-% liegt. Die Zulaufmenge der Feedlösung wird über den C02-Gehalt in der Abluft gesteuert, wobei nur soviel Glucoselösung zugeführt wird, dass der C02-Gehalt nicht wesentlich unter 1% absinkt. Nach einer Fermentationsdauer von 121 Stunden wurden 116 g/l 2,5-Diketo-L-Gluconsäure im Fermentationsmedium bestimmt, was einer Ausbeute von 70% (Gew.-/Gew.) entspricht. Die in der oben beschriebenen Fermentation hergestellte 2,5-Diketo-Gluconsäure (2,5-DKG) wurde durch zweimaliges Fällen mit Ethanol sowie einmaligem Fällen mit Methanol gereinigt. Die ausgefällten 2,5-DKG-Kristalle wurden im Exsikkator über P205 getrocknet. Anschließend erfolgte die weitere Reinigung über einen Chromatographie-Schritt mit einer Amberlite CG 120-11 (Ca2+-Form)-Säule, welche eine Kombination zwischen einer Gelfiltration sowie einer lonenaustauschchromatographie darstellt. Dazu wurden die Kristalle in 1-2 CV (Column Volumes) 1 M CaCfe resuspendiert und auf die mit Puffer A (entgastes Wasser) äquilibrierte Säule (Amberlite CG 120-11 (Ca2+-Form) aufgetragen. Aus 11 Fermentationsüberstand erhält man 114 g 2,5-DKG, das entspricht einer Ausbeute von 98,3% (Gew.-/Gew.).The fermentation for the production of 2,5-DKG was performed in another experiment as a fed-batch process, which essentially corresponds to the batch process described above, but with the following changes. The fermentation medium does not contain 200 g / l glucose but only 100 g / l glucose. The sterilized stirred tank was filled with 5.5 liters (without inoculum) medium as described above and inoculated with Pectobacter cypripedii (2 preculture Erlenmeyer flasks). The feed (feed, 50% glucose solution) was started when the carbon content in the exhaust air is above 1% by volume. The feed quantity of the feed solution is controlled via the CO 2 content in the exhaust air, with only so much glucose solution being fed in that the CO 2 content does not drop significantly below 1%. After a fermentation period of 121 hours, 116 g / l of 2,5-diketo-L-gluconic acid were determined in the fermentation medium, which corresponds to a yield of 70% (wt / wt). The 2,5-diketo-gluconic acid (2,5-DKG) prepared in the fermentation described above was purified by precipitating twice with ethanol and once with methanol. The precipitated 2.5 DKG crystals were dried in a desiccator over P 2 O 5. Subsequently, the further purification was carried out via a chromatography step with an Amberlite CG 120-11 (Ca 2+ -form) column, which represents a combination between a gel filtration and an ion exchange chromatography. The crystals were resuspended in 1-2 CV (Column Volumes) 1 M CaCfe and applied to the column equilibrated with buffer A (degassed water) (Amberlite CG 120-11 (Ca 2+ form) , 5-DKG, which corresponds to a yield of 98.3% (wt .- / wt.).
[0028] Im zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die gereinigte 2,5-DKG mittels 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase enzymatisch in 2-KLG umgewandelt. Dazu wurde die 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase aus Corynebacterium glutamicum (DMSZ 20301) isoliert und mittels PCR amplifiziert. Für die PCR Reaktion wurden alle relevanten Komponenten in einem Mastermix für die Amplifizierungsreaktion, dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt ist, vereinigt und anschließend in PCR-Röhrchen aliquotiert. Die für die PCR verwendeten Primer weisen folgende Sequenzen auf: [0029] Primer 1 (SEQ-ID Nr. 1) [0030] 5' GAT AAG TGG ATC CAA TCT CTG ATG GAT C 3’ (SEQ ID NO: 1) [0031] Primer 2 (SEQ-ID Nr. 2) [0032] 5' CAG GGC CTT ACC TTA CTC GAG GTT CAG ATC 3' (SEQ ID NO: 2) TABELLE 1In the second step of the process of the present invention, the purified 2,5-DKG is converted enzymatically into 2-KLG by means of 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase. For this purpose, the 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase from Corynebacterium glutamicum (DMSZ 20301) was isolated and amplified by PCR. For the PCR reaction, all relevant components were combined in a master mix for the amplification reaction whose composition is shown in Table 1 and then aliquoted into PCR tubes. The primers used for the PCR have the following sequences: Primer 1 (SEQ ID No. 1) 5 'GAT AAG TGG ATC CAA TCT CTG ATG GAT C 3' (SEQ ID NO: 1) [0031 ] Primer 2 (SEQ ID NO: 2) 5 'CAG GGC CTT ACC TTA CTC GAG GTT CAG ATC 3' (SEQ ID NO: 2) TABLE 1
Reagenz Volumen für 50 ul steriles Wasser auf 50 μΙ auffüllen 10x PCR Puffer ohne MgCI2 5 25 mM MgCI2 3 10 mM dNTPs 1 10 pmol/μΙ Primer 1 5 10 pmol/μΙ Primer 2 5 Matrizen DNA 1 Taq DNA Polymerase (5 U/μΙ) 0,25 5/9 isftsfrtxfcstfce AT505 263 B1 2009-08-15 [0033] Die PCR Röhrchen wurden in einem Thermozykler (T3, Biometra (Göttingen, Deutschland)) eingesetzt und unter den folgenden Bedingungen (Tabelle 2) amplifiziert. TABELLE 2Reagent Capacity for 50 μl sterile water to 50 μΙ 10x PCR Buffer without MgCl 2 5 25 mM MgCl 2 3 10 mM dNTPs 1 10 pmol / μΙ Primer 1 5 10 pmol / μΙ Primer 2 5 Matrices DNA 1 Taq DNA Polymerase (5 U / μΙ The PCR tubes were used in a thermocycler (T3, Biometra (Göttingen, Germany)) and amplified under the following conditions (Table 2). TABLE 2
Temperatur [U] Zeit [min] Anzahl von Zyklen Anfängliche Denaturierung 95 2 1 Denaturierung 94 0,6 Annealing 45-65 0,6 25-35 Erweiterung 72 2 Abschließende Erweiterung 72 6 1 [0034] Das amplifizierte PCR Produkt wurde unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Verfahren gereinigt. Nach der Reinigung wurde das DNA Insert mittels den Restriktionsenzymen BamHI und Xhol verdaut und in den entsprechend vorbehandelten pET-21d-Vektor (Novagen, Darmstadt, Deutschland) mittels des Topo TA Cloning Kits (Invitrogen) klo-niert. Die pET-Vektoren basieren auf dem T7-Expressionssystem, das sich durch eine sehr hohe Transkriptionseffizienz auszeichnet. Das System stammt aus dem Bakteriophagen T7, der durch seine starken Promotoren, die von der phageneigenen T7-RNA-Polymerase erkannt werden, erfolgreich mit der Transkriptionsmaschinerie des Wirtes in Konkurrenz tritt. Der hergestellte Vektor (pET-21 d) wurde mittels Hitzeschocktransformation in E.coli BL21(DE3)-Zellen (Invitrogen Carlsbad, USA) transformiert. Der E.coli Stamm BL21(DE3) eignet sich besonders für die Expression rekombinanter Proteine in pET-Systemen. Unter der Kontrolle des lacUV-5-Promotors wird die T7-RNA-Polymerase nach IPTG-Zugabe exprimiert und anschließend werden die unter der Kontrolle des T7-Promotors liegenden Gene transkribiert. Das pET-System wurde deshalb ausgewählt, da dadurch ein C-terminaler His-tag an das gewünschte DNA-Insert angefügt und somit eine sehr einfache Reinigung des DNA-Inserts mittels Nickelchelat-Affinitätschromatographie möglich wird. Die rekombinanten Zellen werden dann in einem modifizierten Minimalmedium (MPC-Gly-Medium), welches in einem Liter 10g Pepton aus Casein, 10g Glycerol, 0,1 ml 1M CaCI2,1 M MgS04*7H20, und 200ml MPC-Gly Salze enthält, gezüchtet, wobei die MPC-Gly Salzlösung in einem Liter Wasser 15g KH2P04, 2,5g NaCI und 5g NH4CI enthält. Nachdem die rekombinanten Zellen im besagten Medium bei 37 °C bis zu einer optischen Dichte von 0,6-08 gezüchtet wurden, wird die Expression des heterolgen Gens durch die Zugabe von 5 g/l Laktose induziert und den Zellen ermöglicht, bei 251), pH 7,0 und p02 20% zu wachsen, bis eine optische Dichte von 8,0 erreicht wurde. Die rekombinanten Zellen wurden durch Zentrifugation (15000 g) für 20 Minuten pelletiert und anschließend mittels Homogenisator (Homogenizer Invensis APV-2000, 1000 bar) oder French Pressure Cell (70 bar) mechanisch zerstört. Wie oben erwähnt, wird die rekombinante 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase unter Verwendung der immobilisierten Metallionen-Affinitätschromatographie (IMAC) gereinigt. Bei dieser Technik wird das Medium zuerst mit einem Übergangsmetallion (Ni2+) geladen, um einen Chelat vor der Verwendung zu bilden. Die Proteine binden an das Medium, in Abhängigkeit der Gegenwart von Oberflächen-Histindinresten, die eine Affinität für die chelatierten Metallionen besitzen. Die Bindungsstärke wird dabei grundsätzlich durch das Metallion und den pH-Wert des Puffers bestimmt. Das gebundene Protein kann durch kompetitive Elution mit Imidazol eluiert werden. Der Iminodiessigsäureligand wird an die chelatierende Sepharose gekoppelt und ermöglicht somit den Austausch der immobilisierten Metallionen. Die so hergestellte 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase (DKR) weist eine Aktivität von etwa 200 U/l Kultur auf. Für die enzymatische Umsetzung von 2,5-DKG in 2-KLG wird die DKR in löslicher Form eingesetzt. Dazu wird zu einem 2I Reaktionsgefäß 250 mM (58g/l) 2,5-DKG, 2U/ml DKR, 250 mM (45g/l) Glucose, 2U/ml Glucose-Dehydrogenase (GDH) und 0,26 mM (0,21 g/l) NADP+ hinzugefügt. Das Volumen im Batchreaktor betrug 500 bzw. 1000 ml_. Die Umwandlung von 2,5-DKG in 2-KLG erfordert das Coenzym NADPH, welches durch die gleichzeitige Oxidation von Glucose zu 6/9 isfesrisSistke patenuii«t AT505 263B1 2009-08-15Temperature [U] time [min] number of cycles initial denaturation 95 2 1 denaturation 94 0.6 annealing 45-65 0.6 25-35 extension 72 2 final extension 72 6 1 The amplified PCR product was purified using cleaned in the prior art known methods. After purification, the DNA insert was digested by the restriction enzymes BamHI and Xhol and cloned into the appropriately pretreated pET 21d vector (Novagen, Darmstadt, Germany) using the Topo TA Cloning Kit (Invitrogen). The pET vectors are based on the T7 expression system, which is characterized by a very high transcription efficiency. The system is derived from bacteriophage T7, which competes successfully with the host's transcriptional machinery through its strong promoters recognized by the phage T7 RNA polymerase. The prepared vector (pET-21 d) was transformed by heat shock transformation into E. coli BL21 (DE3) cells (Invitrogen Carlsbad, USA). The E. coli strain BL21 (DE3) is particularly suitable for the expression of recombinant proteins in pET systems. Under the control of the lacUV-5 promoter, the T7 RNA polymerase is expressed after IPTG addition, and then the genes under the control of the T7 promoter are transcribed. The pET system was therefore chosen because it adds a C-terminal His tag to the desired DNA insert and thus makes very simple purification of the DNA insert possible by means of nickel chelate affinity chromatography. The recombinant cells are then resuspended in a modified minimal medium (MPC-Gly medium) containing in one liter 10 g of peptone from casein, 10 g glycerol, 0.1 ml 1M CaCl 2 .2M MgSO 4 .7H 2 O, and 200 ml MPC-Gly salts. with the MPC-Gly salt solution in one liter of water containing 15 g KH 2 PO 4, 2.5 g NaCl and 5 g NH 4 Cl. After the recombinant cells have been cultured in said medium at 37 ° C to an optical density of 0.6-08, expression of the heterologous gene is induced by the addition of 5 g / L lactose and the cells are allowed, at 251), pH 7.0 and p02 20% until an optical density of 8.0 was reached. The recombinant cells were pelleted by centrifugation (15,000 g) for 20 minutes and then mechanically disrupted by homogenizer (Homogenizer Invensis APV-2000, 1000 bar) or French Pressure Cell (70 bar). As mentioned above, the recombinant 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase is purified using immobilized metal ion affinity chromatography (IMAC). In this technique, the medium is first charged with a transition metal ion (Ni 2+) to form a chelate before use. The proteins bind to the medium, depending on the presence of surface histindin residues that have an affinity for the chelated metal ions. The bond strength is basically determined by the metal ion and the pH of the buffer. The bound protein can be eluted by competitive elution with imidazole. The iminodiacetic acid ligand is coupled to the chelating sepharose and thus allows the exchange of immobilized metal ions. The 2,5-diketo-D-gluconic acid reductase (DKR) thus prepared has an activity of about 200 U / l culture. For the enzymatic conversion of 2,5-DKG into 2-KLG, the DKR is used in soluble form. For this purpose, 250 mM (58 g / l) of 2,5-DKG, 2 U / ml of DKR, 250 mM (45 g / l) of glucose, 2 U / ml of glucose dehydrogenase (GDH) and 0.26 mM (0, 21 g / l) NADP + added. The volume in the batch reactor was 500 or 1000 ml. The conversion of 2,5-DKG into 2-KLG requires the coenzyme NADPH, which is generated by the simultaneous oxidation of glucose to 6/9 isfesrisSistke patenuiit AT505 263B1 2009-08-15
Gluconsäure (GA) mittels Glucose-Dehydrogenase (GDH: EC 1.1.1.47 aus Bacillus cereus, Amano, Japan) regeneriert wird. Die Umwandlungsreaktion findet bei 25°C, pH-Wert 7,0, der mit Ammoniak konstant gehalten wird, unter kontinuierlichem Rühren statt. Diese Reaktion liefert bei den genannten Bedingungen 56,0 g 2-Keto-L-Gulonsäure/l Reaktionslösung (d.h. Puffer, entweder Na-Acetat oder Na-Citrat oder Bis-Tris) (Ausbeute 96,7%) und 42,1 g Glucon-säure/l Reaktionslösung (d.h. Puffer, entweder Na-Acetat oder Na-Citrat oder Bis-Tris) (Ausbeute 93,5%). Die 2-Keto-L-Gulonsäure wird in weiterer Folge von der Gluconsäure, Glucose und 2.5- DKG durch einen lonentauscher abgetrennt und für die weitere Umsetzung in Ascorbinsäure verwendet. Die Gluconsäure, Glucose und 2,5-DKG werden in den ersten Reaktionsschritt (Fermentation von Pectobacter cypripedii) rückgeführt.Gluconic acid (GA) is regenerated by means of glucose dehydrogenase (GDH: EC 1.1.1.47 from Bacillus cereus, Amano, Japan). The conversion reaction takes place at 25 ° C, pH 7.0, which is kept constant with ammonia with continuous stirring. This reaction gives under the conditions mentioned 56.0 g of 2-keto-L-gulonic acid / l reaction solution (ie buffer, either Na acetate or Na citrate or Bis-Tris) (yield 96.7%) and 42.1 g Gluconic acid / L reaction solution (ie buffer, either Na acetate or Na citrate or Bis-Tris) (yield 93.5%). The 2-keto-L-gulonic acid is subsequently separated from the gluconic acid, glucose and 2.5-DKG by an ion exchanger and used for further reaction in ascorbic acid. The gluconic acid, glucose and 2,5-DKG are recycled in the first reaction step (fermentation of Pectobacter cypripedii).
[0035] In einer alternativen Ausführungsform kann das oben beschriebene zweistufige Verfahren, welches in zwei räumlich getrennten und nicht miteinander verbundenen Reaktionsgefäßen abläuft, zu einem sogenannten Hybridverfahren kombiniert werden. Dazu werden der Rührkessel, in welchem die Fermentation von Pectobacter cypripedii HEP01 und die damit verbundene Umwandlung von Glucose in 2,5-Diketo-D-Gluconsäure (Schritte 1 des obigen Verfahrens) abläuft, und der Enzymreaktor, in welchem die durch die 2,5-Diketo-D-Gluconsäure-Reduktase katalysierte Reaktion stattfindet, über Verbindungsleitungen direkt miteinander verbunden. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Hybridverfahrens liegt darin, dass im Fermenter kontinuierlich 2.5- DKG gebildet wird, welche, nachdem die Mikroorganismen aus dem Flüssigkeitsstrom des Fermenters durch Filtration abgetrennt wurden, in den Enzymreaktor geleitet wird. Hierfür ist es notwendig das Reaktionsgemisch des Enzymreaktors in einen Produkt- und einen Biokatalysatorstrom zu trennen, wobei die Trennung mittels einer geladenen Ultrafiltrationsmembran bewerkstelligt wird. Die für eine kontinuierliche Prozessführung notwendigen Enzyme, DKR und GDH, sowie die Coenzyme NADPH und NAPD+ werden im Enzymreaktor zurückgehalten, während die unverbrauchten Substrate 2,5-Diketo-D-Glucose und Glucose sowie die Produkte Gluconsäure und 2-Keto-L-Gulonsäure die Membran ungehindert passieren können. Die Enzyme (DKR und GDH) werden durch die Ultrafiltrationsmembran aufgrund ihrer Größe zurückgehalten, wohingegen die Coenzyme (NADPH und NADP+) aufgrund ihrer negativen Ladung am Durchgang gehindert werden. Bezüglich der Rückführung von unverbrauchter Glucose (Ausgangsmaterial der GDH-Reaktion) und von Gluconsäure, welche einerseits das Produkt der GDH-Katalyse ist und andererseits das Ausgangsmaterial für die Fermentation von Pectobacter cypripedii darstellt, muss das Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens 2-Keto-L-Gulonsäure aus dem Produktstrom abgetrennt werden. Hierzu wurde die lonenaustauschchromatographie (starkbasischer AI EX) eingesetzt, um die 2-Keto-L-Gulonsäure von der Glucose bzw. Gluconsäure zu trennen. Das Biokatalysator-System (DKR, GDH und NADPH) bleibt durch die Ultrafiltrationsmembran im Enzymreaktor.In an alternative embodiment, the two-stage process described above, which proceeds in two spatially separate and non-interconnected reaction vessels, can be combined to form a so-called hybrid process. For this purpose, the stirred tank, in which the fermentation of Pectobacter cypripedii HEP01 and the concomitant conversion of glucose into 2,5-diketo-D-gluconic acid (steps 1 of the above process) expires, and the enzyme reactor, in which by the 2, 5-diketo-D-gluconic acid reductase catalyzed reaction takes place, directly connected via connecting lines. An advantage of the hybrid method according to the invention is that 2.5-DKG is formed continuously in the fermenter, which, after the microorganisms have been separated from the liquid stream of the fermenter by filtration, is passed into the enzyme reactor. For this purpose, it is necessary to separate the reaction mixture of the enzyme reactor into a product and a biocatalyst, wherein the separation is accomplished by means of a charged ultrafiltration membrane. The enzymes necessary for continuous process control, DKR and GDH, and the coenzymes NADPH and NAPD + are retained in the enzyme reactor, while the unused substrates 2,5-diketo-D-glucose and glucose and the products gluconic acid and 2-keto-L-gulonic acid the membrane can pass unhindered. The enzymes (DKR and GDH) are retained by the ultrafiltration membrane because of their size, whereas the coenzymes (NADPH and NADP +) are prevented from passing because of their negative charge. With regard to the recycling of unused glucose (starting material of the GDH reaction) and of gluconic acid, which on the one hand is the product of GDH catalysis and on the other hand constitutes the starting material for the fermentation of Pectobacter cypripedii, the product of the process according to the invention must be 2-keto-L- Gulonic acid are separated from the product stream. For this purpose, the ion exchange chromatography (strongly basic AI EX) was used to separate the 2-keto-L-gulonic acid from the glucose or gluconic acid. The biocatalyst system (DKR, GDH and NADPH) remains through the ultrafiltration membrane in the enzyme reactor.
[0036] Die für das erfindungsgemäße Hybridverfahren verwendeten Gefäße sind im Stand der Technik bekannt und sind einerseits ein herkömmlicher Rührkessel, der die notwendige Mess-und Steuerelektronik wie beispielsweise pH-Elektrode, p02-Eiektrode etc. aufweist, und andererseits ein Enzymreaktor, der eine semipermeable Membran aufweist. Die verwendete semipermeable Membran ist eine geladene Ultrafiltrationsmembran (NTR-7430, Nitto Electric Industrial Co. (Japan)). In dem Rührkessel findet die fermentative Umsetzung von Gluconsäure in 2.5- DKG mittels Pectobacter cypripedii HEP01 statt, während in dem Enzymreaktor die biokatalytische Umsetzung von 2,5-DKG in 2-KLG unter gleichzeitiger Regenerierung des Coenzyms NADPH abläuft. Der sterile Rührkessel mit einem Reaktorvolumen von 10 Litern wurde mit Medium, welches oben für die Fed-Batch Fermentation beschrieben ist, befüllt und der Rührkessel mit dem Inhalt zweier Vorkultur-Erlenmeyerkolben des Pectobacter cypripedii HEP01 Stammes inokuliert. Der Pectobacter cypripedii-Stamm (HEP01) wurde bei 28 °C, pH 7 bzw. 5,6, wie oben beschrieben, bei einer Gelöstsauerstoff-Konzentration von 10% fermentiert und ergab 137 g/l Produkt. Ein Teil der Kultursuspension wird von dem Rührkessel abzogen, filtriert, und der Überstand wird in den Enzymreaktor eingeleitet. Die Umsetzungsreaktion in dem Enzymreaktor findet bei 25°C (da wie oben erwähnt nach wie vor zwei Reaktoren verwendet werden, die 7/9The vessels used for the hybrid method according to the invention are known in the art and are on the one hand a conventional stirred tank, which has the necessary measuring and control electronics such as pH electrode, pO 2 electrode, etc., and on the other hand, an enzyme reactor, the one Having semipermeable membrane. The semipermeable membrane used is a charged ultrafiltration membrane (NTR-7430, Nitto Electric Industrial Co. (Japan)). In the stirred tank, the fermentative conversion of gluconic acid into 2.5-DKG by means of Pectobacter cypripedii HEP01 takes place, while in the enzyme reactor, the biocatalytic reaction of 2,5-DKG in 2-KLG proceeds with simultaneous regeneration of the coenzyme NADPH. The sterile stirred tank with a reactor volume of 10 liters was filled with medium, which is described above for the fed-batch fermentation, and inoculated the stirred tank with the contents of two precultilator Erlenmeyer flasks of Pectobacter cypripedii HEP01 strain. The Pectobacter cypripedii strain (HEP01) was fermented at 28 ° C, pH 7 and 5.6, respectively, as described above, at a dissolved oxygen concentration of 10% to give 137 g / l product. A portion of the culture suspension is removed from the stirred tank, filtered, and the supernatant is introduced into the enzyme reactor. The reaction reaction in the enzyme reactor takes place at 25 ° C (since, as mentioned above, two reactors are still used, the 7/9
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