DD218387B1

DD218387B1 - PROCESS FOR OBTAINING GLUCOSE ACID AND FRUCTOSE FROM GLUCOSE / FRUCTOSE MIXED BY BACTERIA

Info

Publication number: DD218387B1
Application number: DD25183983A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Babel; Dietmar Miethe; Uwe Iske; Karl Sattler; Hans-Peter Richter; Joerg Schmidt; Rolf Dueresch
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1983-06-09
Filing date: 1983-06-09
Publication date: 1987-07-01
Also published as: DD218387A1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein mikrobielles Verfahren zur Gewinnung von Gluconsäure und Fructose aus Glucose/Fructose-Gemischen und kann in der mikrobiologischen, chemischen und pharmazeutigen Industrie angewendet werden.The invention relates to a microbial process for the recovery of gluconic acid and fructose from glucose / fructose mixtures and can be used in the microbiological, chemical and pharmaceutical industries.

Characteristic of the known state of the art

Gluconsäure wird technisch entweder durch chemisch bzw. elektrochemisch oder mikrobiell katalysierte Oxidation von Glucose in wäßriger Lösung hergestellt (s. H. J.Rehm: Industrielle Mikrobiologie, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1980, M.Röhr,Chr.P.Kubicek und J.Kominek: GlutonicAcid, In: Biotechnology, Vol.3,455-465, ed. H.Dellweg, G.Reed, Verlag Chemie Weinheim 1983, P. E. Milson und J. L. Meers: Gluconic and Itaconic Acids, In: Comprehensive Biotechnology, ed. M. Moo-Young, Vol.3,681-700, ed. H.W. Blanch et al., Pergamon Press Oxford,..., Frankfurt [M.] 1985). Die wäßrige Lösung für die Durchführung des Prozesses wird entweder aus reiner Glucose oder aus freie Glucose enthaltenden Abprodukten bereitet. Fructose kann aus Saccharose oder aus Stärke über Glucose gewonnen werden. Nach säure- oder enzymatisch katalysierter Hydrolyse wird die freigesetzte Glucose zu Fructose isomerisiert, was chemisch in alkalischem Milieu bei hohen Temperaturen möglich ist, aber wegen auftretender Nebenprodukte und geringer Ausbeuten fast ausschließlich enzymatisch katalysiert durchgeführt wird (Glucoseisomerase). Wird Invertzucker verwendet und auf die Isomerisierung verzichtet, besteht das Problem der Trennung von Glucose und Fructose, für dessen Lösung zwei Möglichkeiten bestehen. Das eine Verfahrensprinzip basiert auf der chromatografischen Trennung mit stark sauren Kationenaustauschern in der Calcium-Form. Mit den in den letzten Jahren wesentlich verbesserten Trennleistungen derWarze sind durchaus ökonomisch akzeptable technische Verfahren entwickelbar. Das zweite Verfahrensprinzip verzichtet auf die chromatografische Trennung zweier Zucker. Sie wird überflüssig, wenn Glucose zu Gluconsäure oxidiert wird. Für die chemische Oxidation existieren mehrere Varianten:Technically, gluconic acid is prepared either by chemically or electrochemically or microbially catalyzed oxidation of glucose in aqueous solution (see HJ Rehm: Industrial Microbiology, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1980, M. Roehr, Chr. P. Kubicek and J. Kominek: Glutonic Acid, In: Biotechnology, Vol.3,455-465, ed. H.Dellweg, G.Reed, Verlag Chemie Weinheim 1983, PE Milson and JL Meers: Gluconic and Itaconic Acids, In: Comprehensive Biotechnology, ed. M. Moo -Young, Vol.3,681-700, ed. HW Blanch et al., Pergamon Press Oxford, ..., Frankfurt [M.] 1985). The aqueous solution for carrying out the process is prepared from either pure glucose or free glucose containing waste products. Fructose can be obtained from sucrose or from starch via glucose. After acid or enzymatically catalyzed hydrolysis, the liberated glucose is isomerized to fructose, which is chemically possible in an alkaline medium at high temperatures, but is almost exclusively carried out enzymatically catalyzed due to by-products and low yields (glucose isomerase). If invert sugar is used and isomerization is avoided, the problem is the separation of glucose and fructose, for the solution of which there are two possibilities. The one process principle is based on the chromatographic separation with strongly acidic cation exchangers in the calcium form. With the significantly improved separation performance of the resins in recent years, technically acceptable technical processes can be developed. The second principle of the method dispenses with the chromatographic separation of two sugars. It becomes superfluous when glucose is oxidized to gluconic acid. There are several variants for chemical oxidation:

Die elektrochemische Oxidation in Gegenwart von CaCI₂ und KBr hat den Nachteil des hohen Energieeintrages zur Oxidation der Glucose, der geringen Ausbeute und der hohen Verdünnung des Substrates. Die chemische Oxidation mit Aktivkohlekatalysatoren ist nur effektiv, wenn die Katalysatoren mindestens 5%, besser 10% aktives Palladium oder Platin enthalten (H.-R. Müller et al. US Patent No 4.242.145), so daß die technische Anwendung dieses Verfahrens wesentlich von der Verfügbarkeit dieser Edelmetalle bestimmt wird. Eine dritte Möglichkeit eröffnet sich durch die Verwendung von Natriumhypochlorit, das als technische Bleichlauge zur Verfügung steht. Diese Variante zeichnet sich durch bemerkenswert kurze Reaktionszeiten für die Oxidation der Glucose aus. Sie hat jedoch entscheidende Nachteile, die u. a. darin bestehen, daß bei Temperaturen um 0⁰C (Kühlung) und pH-Werten um 9,5 (Fructose ist nicht stabil) gearbeitet werden muß, das Endprodukt stark salzbelastet ist, das Salz nicht ohne beträchtliche Fructoseabbau abgetrennt werden kann und die Endkonzentration an Fructose unterhalb von 10% liegt.The electrochemical oxidation in the presence of CaCl ₂ and KBr has the disadvantage of high energy input to the oxidation of glucose, the low yield and the high dilution of the substrate. The chemical oxidation with activated carbon catalysts is only effective if the catalysts contain at least 5%, better 10% active palladium or platinum (H.R.Muller et al., US Patent No. 4,242,145), so that the technical application of this method substantially determined by the availability of these precious metals. A third possibility is the use of sodium hypochlorite, which is available as a technical bleaching liquor. This variant is characterized by remarkably short reaction times for the oxidation of glucose. However, it has significant disadvantages, which include the fact that at temperatures around 0 ⁰ C (cooling) and pH values around 9.5 (fructose is not stable) must be used, the final product is heavily salted, the salt is not without considerable Fructose degradation can be separated and the final concentration of fructose is below 10%.

Die Instabilität von Fructose gegenüber Alkali und in Gegenwart hoher Salzkonzentrationen und des oxidierenden Agenz hat zu Versuchen Anlaß gegeben. Glucose „biologisch" katalysiert zu oxidieren. Als Katalysatoren in Betracht gezogen wurden Sporen von Aspergillus niger (J. Murtaugh et al., US Patent No 2.949.389 und P. Kulhanek et al., Listy Cukrov 88,31-35,1972) und Aerobacter aerogenes (H. Dalby et al., J. Microbiol. 1,733-42,1955). Diese Vorschläge sind nicht optimal geeignet, da nicht allein Glucose oxidiert wird, sondern sehr viele Nebenprodukte gebildet werden, und die Oxidationsleistung der verwendeten Mikroorganismen zu klein ist, als daß sich ein effizienter technischer Prozeß darauf aufbauen läßtThe instability of fructose to alkali and in the presence of high salt concentrations and the oxidizing agent has led to experiments. As catalysts, spores of Aspergillus niger have been considered (J.Murtaugh et al., U.S. Patent No. 2,949,389 and P. Kulhanek et al., Listy Cukrov 88, 31-35, 1972). and Aerobacter aerogenes (Dalby, H., et al., J. Microbiol., 1,733-42, 1955). These proposals are not optimally suited, since not only glucose is oxidized but very many by-products are formed, and the oxidation performance of the microorganisms used is small, that an efficient technical process can build on that

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von Gluconsäure und Fructose aus Glucose/Fructose-Gemischen, das bei vergleichsweise geringem Aufwand hohe Ausbeuten an Fructose liefert.The aim of the invention is a process for the recovery of gluconic acid and fructose from glucose / fructose mixtures, which gives high yields of fructose with comparatively little effort.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gluconsäure und Fructose aus Glucose/Fructose-Gemischen mittels eines mikrobiellen Verfahrens und geeigneten Bakterienstammes zu gewinnen.The object of the invention is to obtain gluconic acid and fructose from glucose / fructose mixtures by means of a microbial method and suitable bacterial strain.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß unter Verwendung acidophiler methylotropher Bakterienspezies der Glukoseanteil zu Glukonsäure oxidiert wird und nach Abtrennung der Biomasse entweder Glukonsäure und Fruktose gewonnen werden oder Fruktose ohne Abtrennung aus dem Fermentationsmedium mikrobiell beispielsweise zu Citronensäure konvertiertAccording to the invention, the object is achieved by oxidizing the glucose component to gluconic acid using acidophilic methylotrophic bacterial species and, after separation of the biomass, either gluconic acid or fructose or fructose without removal from the fermentation medium being microbially converted, for example, to citric acid

wird. Vorteilhafterweise kann der acidophile methylotrophe Stamm Acetobacter methanolicus IMET B346 verwendet werden. In Frage kommt weiterhin beispielsweise auch Thiobacillus acidophilus DSM700 und unter bestimmten Bedingungen auch Thiobacillus versutus CCM 2505.becomes. Advantageously, the acidophilic methylotrophic strain Acetobacter methanolicus IMET B346 can be used. Thiobacillus acidophilus DSM700, for example, and Thiobacillus versutus CCM 2505 under certain conditions may also be considered.

Gegenüber dem bekannten Einsatz von Aspergillus niger bzw. Aerobacter aerogenes besteht der Vorteil darin, daß keine Nebenprodukte gebildet werden und Glucose in Gegenwart von Fructose mit Produktivitäten bis zu 9g · T¹ · h~¹ oxidiert wird, daß der Prozeß unsteril geführt werden kann gleichgültig ob die Gluconsäure als freie Säure oder als Salz (Neutralisation) gewonnen werden soll und daß Fructose auch nach erfolgtem quantitativen Umsatz der Glucose zu Gluconsäure weder phosphoryliert, noch in anderer Weise metabolisiert oder gar assimiliert wird. Die dabei erhaltene Gluconsäure kann nach Entfernung des Produzenten quantitativ (z. B. durch Fällung) von der im Medium verbleibenden Fructose abgetrennt werden. Die Fructose kann nach bekannten Verfahren gewonnen werden oder ohne vorherige Abtrennung als Substrat für nachfolgende Produktsynthesen, wie beispielsweise zur Gewinnung von Citronensäure, Verwendung finden.Compared to the known use of Aspergillus niger or Aerobacter aerogenes the advantage is that no by-products are formed and glucose is oxidized in the presence of fructose with productivity up to 9g · T ¹ · h ~ ¹ , that the process can be performed unsterile indifferent whether the gluconic acid is to be obtained as free acid or as salt (neutralization) and that, even after the quantitative conversion of glucose to gluconic acid has taken place, fructose is neither phosphorylated, nor otherwise metabolized or even assimilated. The resulting gluconic acid can be separated quantitatively (eg, by precipitation) from the fructose remaining in the medium after removal of the producer. The fructose may be recovered by known methods or used without prior separation as a substrate for subsequent product syntheses, such as for the recovery of citric acid.

Als Substrat für das erfindungsgemäße Verfahren kommen alle bei der Hydrolyse pflanzlicher Produkte anfallende Ab- und Zwischenprodukte in Betracht.Suitable substrates for the process according to the invention are all ab- and intermediate products obtained in the hydrolysis of vegetable products.

An Beispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of examples.

embodiments example 1

Die zur Produktion von Gluconsäure verwendete Bakterienbiomasse MB 58IMET B346 wird zentrifugiert, so daß man ein Konzentrat mit einem Feststoffgehalt von ca. 80g/kg erhält. Mit diesem Bakterienkonzentrat werden in einem 121 Rührkesselfermenter4l einer Glucose/Fructose-Mischung mit jeweils 95 g Glucose und Fructose im Liter angeimpft, so daß sich eine Zellkonzentration von 5g/l ergibt. Anschließend wird dieses Medium bei 3O⁰C mit 101/1 · h belüftet und mit 900 U/min gerührt. Nach einer Fermentationsdauer von 11 Stunden ist eine vollständige Oxydation der vorgegebenen Glucose zu Gluconsäure erfolgt und eine Säurekonzentration von 90,2g, entsprechend einer Ausbeute von 95% bezogen auf Glucose bei einer Produktivität von 8,2g Säure/l · h erreicht. Während dieser Produktbildungsphase ist die aktuelle Sauerstoffkonzentration größer 10% des Sättigungswertes zu halten.The bacterial biomass MB 58IMET B346 used for the production of gluconic acid is centrifuged to give a concentrate having a solids content of about 80 g / kg. With this bacterial concentrate are inoculated in a 121 stirred tank fermenter4l a glucose / fructose mixture with 95 g of glucose and fructose per liter, so that there is a cell concentration of 5g / l. Subsequently, this medium is aerated at 3O ⁰ C with 101/1 · h and stirred at 900 U / min. After a fermentation time of 11 hours, a complete oxidation of the given glucose to gluconic acid takes place and an acid concentration of 90.2 g, corresponding to a yield of 95% based on glucose at a productivity of 8.2 g acid / lh is achieved. During this product formation phase, the current oxygen concentration should be kept greater than 10% of the saturation value.

Die Fructose wird bei diesem Prozeß von den Mikroorganismen nicht angegriffen.The fructose is not attacked by the microorganisms in this process.

Nach Abtrennung der Biomasse sowie der Gluconsäure kann die fructosehaltige Mutterlauge entsprechend der Zielstellung weiter verarbeitet werden.After separation of the biomass and the gluconic acid, the fructose-containing mother liquor can be further processed according to the objective.

Example 2

In einen 1001 Rührkesselreaktor werden 701 einer Glucose/Fructose-Lösung mit einem Gesamtzuckergehalt von 400g/r und einem Glucose/Fructose-Verhältnis von 1:1 gegeben. Nach Zusatz der Bakteriensuspension (2,5g/l) wird analog Beispiel 1 verfahren. Nach einer Fermentationsdauer von 22 Stunden ist die Glucose quantitativ zu Gluconsäure umgesetzt. Die Produktivität beträgt 9g/kg h und die Ausbeute 96,3%.In a 1001 stirred tank reactor are added 701 of a glucose / fructose solution with a total sugar content of 400g / r and a glucose / fructose ratio of 1: 1. After addition of the bacterial suspension (2.5 g / l) the procedure is analogous to Example 1. After a fermentation period of 22 hours, the glucose is quantitatively converted to gluconic acid. The productivity is 9g / kg h and the yield 96.3%.

Es wird eine Lösung erhalten, die neben 192,6g Gluconsäure/I einen Gehalt von 199,5g Fructose aufweist. Die Abtrennung der Säure von der Fructose erfolgt nach bekannten Methoden. Anschließend wird die verbleibende Fructose aus der Mutterlauge gewonnen.A solution is obtained which, in addition to 192.6 g gluconic acid / I, has a content of 199.5 g fructose. The separation of the acid from the fructose is carried out by known methods. Subsequently, the remaining fructose is recovered from the mother liquor.

Example 3

In einem 121 Rührkesselreaktor werden 4 Liter einer Suspension gegeben, die 20g/l der Bakterienkultur Thiobacillus acidophilus DSM700 sowie jeweils 100 g/l Fruktoseund Glukose enthält. Die Glukose oxidierende Bakterienkultur wurde vorher unsteril auf Methanol als Substrat kultiviert.In a 121 stirred tank reactor, 4 liters of a suspension containing 20 g / l of the bacterial culture of Thiobacillus acidophilus DSM700 and in each case 100 g / l of fructose and glucose are added. The glucose oxidizing bacterial culture was previously cultivated non-sterile on methanol as a substrate.

Analog Beispiel 1 wird diese Suspension unter unsterilen Bedingungen fermentiert. Nach einer Reaktionszeit von 20 Stunden ist eine Glukonsäurekonzentration von 80g/l erreicht. Die Restglukosekonzentration im Medium liegt bei 11 g/l.Analogously to Example 1, this suspension is fermented under unsterile conditions. After a reaction time of 20 hours, a gluconic acid concentration of 80 g / l is reached. The residual glucose concentration in the medium is 11 g / l.

Die Produktivität bezogen auf die Glukonsäurebildung beträgt 4g Säure/l · h mit einer Ausbeute von 89,9%.The productivity based on the formation of gluconic acid is 4 g acid / l.h with a yield of 89.9%.

Die Glukonsäure wird nach bekannten Verfahren zusammen mit der Biomasse entfernt. Die verbleibende Fruktose kann nachfolgend durch einfache Verfahren gewonnen werden.The gluconic acid is removed by known methods together with the biomass. The remaining fructose can subsequently be recovered by simple procedures.

Claims

claims:

1. A process for the production of gluconic acid and fructose from glucose / fructose mixtures by means of bacteria, characterized in that using acidophilic methylotrophic bacteria, the glucose portion is oxidized to gluconic acid and after separation of the biomass either gluconic acid and fructose are obtained or fructose without separation from the microbial fermentation medium, for example, is converted to citric acid.

2. The method according to claim ^ characterized by the use of the bacterial strain Acetobacter methanolicus IMET B 346th

3. The method according to claim!, Characterized by the use of the bacterial strain Thiobacillus acidophilus DSM 700.

4. The method according to claim 1 and one of claims 2-3, characterized in that as substrate all occurring in the hydrolysis of vegetable products waste and intermediates are used.