DD248144A1 - PROCESS FOR THE PREPARATION OF 1,4-ANDROSTADIENE-3,17-DION BY FERMENTATIVE STEROL DEGRADATION - Google Patents

PROCESS FOR THE PREPARATION OF 1,4-ANDROSTADIENE-3,17-DION BY FERMENTATIVE STEROL DEGRADATION Download PDF

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DD248144A1 DD26643184A DD26643184A DD248144A1 DD 248144 A1 DD248144 A1 DD 248144A1 DD 26643184 A DD26643184 A DD 26643184A DD 26643184 A DD26643184 A DD 26643184A DD 248144 A1 DD248144 A1 DD 248144A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fermentativen Seitenkettenabbau von Sitosterol zu 1,4-Androstadien-3,17-dion (ADD) als Ausgangssubstanz fuer die Herstellung von Steroidwirkstoffen. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, den fuer die Erziehung hoher ADD-Bildungsraten notwendigen physiologischen Zustand der Biomasse mittels Realisierung eines einfach reproduzierbaren Prozessregimes einzustellen. Dies wird dadurch erreicht, dass in Abstimmung mit der Wachstumskinetik der Biomasse im Verlauf der Fermentation zeitweise oder staendig niedrige Werte der relativen Geloestsauerstoffsaettigung realisiert werden. In einer bevorzugten Ausfuehrungsform wird das Verfahren in bezug auf den Eintrag des Sauerstoffs in die Kulturbruehe als Impulsregime durchgefuehrt, wobei die relative Geloestsauerstoffsaettigung nach Abfallen auf das 10%-Niveau durch eine Regelung in dem Bereich dieses Sollwertes gehalten wird.The invention relates to a process for the fermentative side chain degradation of sitosterol to 1,4-androstadiene-3,17-dione (ADD) as starting substance for the production of steroid drugs. It is based on the task of adjusting the physiological state of the biomass necessary for the education of high ADD formation rates by means of an easily reproducible process regime. This is achieved by the fact that, in agreement with the growth kinetics of the biomass, in the course of the fermentation, temporarily or continuously low values of the relative residual oxygen saturation are realized. In a preferred embodiment, the process is carried out with respect to the introduction of the oxygen into the culture broth as a pulse regime, the relative residual oxygen content being kept within the range of this target value after falling to the 10% level.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fermentativen Seitenkettenabbau von Sterolen zu 1,4-Androstadien-3,17-dion, welches als Ausgangssubstanz für die Herstellung von Steroidwirkstoffen von Bedeutung ist. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt also in der pharmazeutischen Industrie und in der technischen Mikrobiologie.The invention relates to a process for the fermentative side chain degradation of sterols to 1,4-androstadiene-3,17-dione, which is of importance as starting material for the production of steroidal drugs. The field of application of the invention thus lies in the pharmaceutical industry and in technical microbiology.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß Sterole, wie z. B. Sitosterol, Cholesterol, Stigmasterol, Campesterol und Ergosterol, durch Mikroorganismen aus zahlreichen Gattungen, wie z. B. Arthrobacter, Brevibacterium, Nocardia, Microbacterium, Protaminobacter, Bacillus, Streptomyces, Corynebacterium und insbesondere Mycobacterium u.a., über das Intermediärprodukt 1,4-Androstadien-3,17-dion (im folgenden kurz ADD genannt) abgebaut werden können. Dieses Produkt wird im Fermentationsmedium nur dann angereichert, wenn keine 9a-Hydroxylierung erfolgt. Dies wiederum wird u. a. dadurch erreicht, daß Mikroorganismus-Mutanten mit Defekten in der genannten enzymatischen Leistung zur Fermentation verwendet werden.It is known that sterols, such as. As sitosterol, cholesterol, stigmasterol, campesterol and ergosterol, by microorganisms from numerous genera, such. B. Arthrobacter, Brevibacterium, Nocardia, Microbacterium, Protaminobacter, Bacillus, Streptomyces, Corynebacterium and especially Mycobacterium et al., About the intermediate product 1,4-androstadiene-3,17-dione (hereinafter referred to as ADD) can be degraded. This product is enriched in the fermentation medium only if no 9a hydroxylation occurs. This in turn will u. a. achieved by using microorganism mutants with defects in said enzymatic power for fermentation.

Das erste Verfahren zur Herstellung von ADD aus Sterolen unter Verwendung von Enzymdefektmutanten (G.D.Searle & Co., US 3684657,1970, Mycobacterium spec. NFSFtL B-3683) beschreibt bei Einsatz von 1 g Sitosterol je Liter Kulturlösung und einer Fermentationszeit von 186 Stunden bis 216 Stunden theoretische Ausbeuten von 40% ADD, bezogen auf den Anteil des bei der Fermentation umgewandelten Sitosterols.The first method of producing ADD from sterols using enzyme defective mutants (GDSearle & Co., US 3684657, 1970, Mycobacterium spec. NFSFtL B-3683) describes using 1 g of sitosterol per liter of culture solution and a fermentation time of 186 hours to 216 hours theoretical yields of 40% ADD, based on the proportion of converted in the fermentation sitosterol.

Die von I.Sauerbaum et al. (I.Europ. Kongress f. Biotechnologie, Interlaken, 1978,139-143) angegebene Fermentation von Sitosterol mit Mycobacterium spec. NRRL B-3683* in Gegenwart des unpolaren Adsorbers XAD-2 und des nichtionischen TensidsTween 20, in der 10g Sitosterol je Liter Kulturlösung in 96 Stunden zu 80% der Theorie zu einem Gemisch aus ADD und AD umgewandelt werden, ist als die bisher besteVerfahrenslösung anzusehen. Nach diesen Autoren wird hierbei die Produktbildung durch hohe Gelöstsauerstoffkonzentrationen stimuliert und die ADD-Bildung gegenüber der Bildung von 4-Androsten-3,17-dion (AD) begünstigt. Als Optimalbedingung und damit untere Grenze wird eine relative Gelöstsauerstoffsättigung der Kulturbrühe von 50% angegeben. Daraus ergeben sich für die Prozeßführung im Fermentor Anforderungen an die Belüftung und an die Umwälzung der Fermentationsbrühe, die hinsichtlich Schäumung, Aufrahmung von Substraten und Biomasse, Scherkraft- und Durchmischungsverhältnissen insbesondere bei Anwesenheit von Adorbern in der Fermentationsbrühe ungünstig sind.The von I.Sauerbaum et al. (I.European Congress for Biotechnology, Interlaken, 1978, 139-143) indicated fermentation of sitosterol with Mycobacterium spec. NRRL B-3683 * in the presence of the nonpolar adsorbent XAD-2 and the nonionic surfactant Tween 20 in which 10g of sitosterol per liter of culture solution is converted to a mixture of ADD and AD in 96 hours in 96 hours is considered to be the best method solution so far , According to these authors, product formation is stimulated by high dissolved oxygen concentrations and the formation of ADD is favored over the formation of 4-androstene-3,17-dione (AD). The optimal condition, and thus the lower limit, is a relative dissolved oxygen saturation of the culture broth of 50%. This results in the process management in the fermentor requirements for the ventilation and circulation of the fermentation broth, which are unfavorable in terms of foaming, creaming of substrates and biomass, Scherkraft- and mixing ratios, especially in the presence of adorbers in the fermentation broth.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung beinhaltet das Ziel, 1,4-Androstadien-3,17-dion auf mikrobiellem Wege in hohen Ausbeuten aus Sterolen herzustellen.The invention aims to produce 1,4-androstadiene-3,17-dione by microbial route in high yields from sterols.

* Nach JP 105289 (Kokai) wurde dieser Mycobacterium spec.-stamm als Mycobacterium vaccae klassifiziert.* According to JP 105289 (Kokai), this Mycobacterium spec. Strain was classified as Mycobacterium vaccae.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von 1,4-Androstadien-3,17-dion mittels mikrobieller Transformation von Sterolen zu beschreiben, in welchem hinsichtlich der Fermentationsführung, insbesondere hinsichtlich der Führung der relativen Gelöstsauerstoffsättigung der Kulturbrühe, eine Lösung realisiert wird, die die Nachteile der bekannten technischen Lösungen vermeidet.The invention has for its object to describe an improved process for the preparation of 1,4-androstadiene-3,17-dione by microbial transformation of sterols, in which with regard to the fermentation, in particular with regard to the guidance of the relative dissolved oxygen saturation of the culture broth, a solution is realized, which avoids the disadvantages of the known technical solutions.

Es wurde gefunden, daß der oxidative Prozeß der Bildung von 1,4-Androstadien-3,17-dion durch mikrobiel Ie Transformation von Sterolen oder Sterolgemischen, vorzugsweise von Sterolgemischen mit Sitosterol als Hauptkomponente, mit überraschend hoher Ausbeute realisierbar ist, obwohl die relative Gelöstsauerstoffsättigung der Kulturbrühe im Verlauf der Fermentation nach Abfall vom Sättigungswert 100% zeitweise oder ständig weniger als 10% beträgt.It has been found that the oxidative process of formation of 1,4-androstadiene-3,17-dione can be achieved by microbial transformation of sterols or sterol mixtures, preferably sterol mixtures with sitosterol as the major component, with surprisingly high yield, although the relative dissolved oxygen saturation the culture broth in the course of the fermentation after waste of saturation value 100% temporarily or constantly less than 10%.

Das Verfahren wird in seinem Grundzug wie folgt durchgeführt:The method is carried out in its basic form as follows:

Sterole wie Sitosterol, Cholesterol, Campesterol, Stigmasterol bzw. Ergosterol oder Gemische dieser Sterole werden in Form von Sterol-Tensid-Präparationen eingesetzt, wobei die Sterolkonzentration bezogen auf den Liter FermentationsmediumSterols such as sitosterol, cholesterol, campesterol, stigmasterol or ergosterol or mixtures of these sterols are used in the form of sterol surfactant preparations, the sterol concentration based on the liter of fermentation medium

1 Gramm bis 50 Gramm beträgt. Zur Fermentation werden Mikroorganismen eingesetzt, die zur Ste ro !transform ation unter Bildung des Produkts ADD bzw. des Produktgemisches ADD/AD befähigt sind. Solche Mikroorganismen können aus den Gattungen Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Corynebacterium, Microbacterium, Norcardia, Pseudomonas, Protaminobacter, Serratia, Streptomyces usw. ausgewählt werden. Insbesondere wird für das vorliegende Verfahren zur Herstellung von ADD der Stamm Mycobacterium vaccae NRRL B-3683 oder eine Selektante dieses Stammes eingesetzt. Eine Selektanteistin der Kultursammlung des ZIMET unter der Registriernummer I MET SK113hinterlegtworden. Die Sterol-Tensid-Präparationen werden nach den an sich bekannten Methoden der Lyophilisierung, Vermahlung oder der Sprühtrocknung gewonnen.1 gram to 50 grams. For fermentation, microorganisms are used which are capable of transforming to form the product ADD or the product mixture ADD / AD. Such microorganisms can be selected from the genera Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Corynebacterium, Microbacterium, Norcardia, Pseudomonas, Protaminobacter, Serratia, Streptomyces, etc. In particular, for the present method of producing ADD, the strain Mycobacterium vaccae NRRL B-3683 or a selectin of this strain is used. A selectant in the culture collection of ZIMET has been deposited under the registration number I MET SK113. The sterol surfactant preparations are obtained by the known methods of lyophilization, grinding or spray drying.

Wie auch in unseren beiden parallelen Anmeldungen beschrieben, kommen als Tenside Verbindungen aus der Gruppe der Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Adduktedes N,N"-Tetra-(-oxypropylpropyol)-N'-(2-oxypropyl)-diethylentriaminsmit Molekulargewichten des Polypropylenglykols um 1400 bis 2000 zur Anwendung.As also described in our two copending applications, surfactants are compounds from the group of the polyethylene oxide-polypropylene oxide adducts of the N, N'-tetra (oxypropylpropyol) -N '- (2-oxypropyl) -diethylenetriamine with molecular weights of the polypropylene glycol around 1400 to 2000 for use.

Die Fermentationsmedien enthalten Kohlenstoffquellen, wie beispielsweise Glycerol, Glucose, Saccharose, Stärke und/oder Melasse usw., weiterhin Stickstoffquellen, wie beispielsweise Hefeextrakt, Harnstoff, Ammoniumsalze, Maisquellwasser, Pflanzenmehle und/oder andere komplexe Medienbestandteile (wie z. B. Fleischextrakt, Hydrolysate usw.) sowie verschiedene Mineralsalze.The fermentation media contain carbon sources such as glycerol, glucose, sucrose, starch and / or molasses, etc., nitrogen sources such as yeast extract, urea, ammonium salts, corn steep liquor, plant meals and / or other complex media ingredients (such as meat extract, hydrolysates etc.) as well as various mineral salts.

Zum Fermentationsmedium wird ein Adsorber gegeben, der vom Typ eines organischen Polymeren ist und polare Gruppen (Cupolymerisat ausStyren und Divinylbenzen mit Acrylsäurederivat-Anteil) enthält. Das Mengenverhältnis beträgt zwischenTo the fermentation medium is added an adsorbent which is of the organic polymer type and contains polar groups (copolymer of styrene and divinylbenzene with acrylic acid derivative portion). The quantity ratio is between

2 Gramm pro Liter und 200 Gramm pro Liter. Zur weiteren Charakterisierung des Adsorbers wird auf eine unserer parallelen Anmeldungen verwiesen.2 grams per liter and 200 grams per liter. For further characterization of the adsorber reference is made to one of our parallel applications.

Die Zeitdauer der Fermentation beträgt 24 Stunden bis 192 Stunden. Es wird unter aeroben Bedingungen bei Temperaturen von 2O0C bis 450C und pH-Werten im Bereich von pH 6 bis pH 8 gearbeitet. Die Durchführung der Fermentation erfolgt im Rührfermentor oder in Fermentoren mit anderen Umwälzprinzipien, z. B. in Air-Lift-Fermentoren.The duration of the fermentation is 24 hours to 192 hours. It is carried out under aerobic conditions at temperatures of 2O 0 C to 45 0 C and pH values in the range of pH 6 to pH 8. The fermentation is carried out in Rührfermentor or in fermentors with other Umwälzprinzipien, z. B. in air-lift fermentors.

Für den jeweils verwendeten Fermentor ist eine apparative Charakterisierung vorzunehmen; diese erfolgt für den erfindungsgemäßen Zweck mit Hilfe der Sauerstoff-Transportrate in Abhängigkeit von Belüftung und Umwälzung. Die Messung der Sauerstoff-Transportrate wird in an sich bekannter Weise durchgeführt.For the fermenter used in each case an apparatus characterization is carried out; This is done for the purpose of the invention using the oxygen transport rate as a function of ventilation and circulation. The measurement of the oxygen transport rate is carried out in a conventional manner.

Für den zur Steroltransformation eingesetzten Mikroorganismus werden in Vorversuchen in an sich bekannter Weise (siehe z. B.For the microorganism used for the sterol transformation are used in preliminary experiments in a conventional manner (see, eg.

F. Bergter, Wachstum von Mikroorganismen, G. Fischer Verlag Jena, 1983)F. Bergter, Growth of Microorganisms, G. Fischer Verlag Jena, 1983)

— die Ertragskoeffizienten für die Biomasse aus den bestimmenden Substraten,The yield coefficients for the biomass from the determining substrates,

— die spezifische Wachstumsrate und- the specific growth rate and

— die spezifische Sauerstoff-Aufnahmerate- the specific oxygen uptake rate

bestimmt. Weiterhin wird während des Fermentationsprozesses die relative Gelöstsauerstoffsättigung als pO2-Wert der Fermentationsbrühe auf an sich bekannte Weise kontinuierlich gemessen.certainly. Furthermore, during the fermentation process, the relative dissolved oxygen saturation is continuously measured as the pO 2 value of the fermentation broth in a manner known per se.

Für die zu Beginn des Fermentationsprozesses ablaufende Phase des Biomassewachstums wird auf der Grundlage der für den eingesetzten Fermentor voranstehend ermittelten Abhängigkeit der Sauerstoff-Transportrate der Arbeitspunkt für das Regime von Belüftung und Umwälzung der Fermentationsbrühe so gewählt, daß nach frühestens 0,5 Stunden bis spätestens 45 Stunden Fermentationszeit der pO2-Wert der Fermentationsbrühe das 10%-Niveau unterscheidet. Mit dieser Sauerstoffauszehrung tritt ein für die Erzielung hoher ADD-Bildungsraten günstiger physiologischer Zustand der Biomasse ein.For the phase of biomass growth proceeding at the beginning of the fermentation process, the operating point for the regime of aeration and circulation of the fermentation broth is selected on the basis of the dependence of the oxygen transport rate determined for the fermentor used above so that at the earliest 0.5 hours to no later than 45 Hours fermentation time of the pO 2 value of the fermentation broth differentiates the 10% level. With this oxygen consumption enters a favorable for the achievement of high ADD formation rates physiological state of the biomass.

In der anschließenden Phase der stationären Biomasse vollzieht sich ein Anstieg der relativen Gelöstsauerstoffsättigung der Fermentationsbrühe, sofern auf weitere Regelungsmaßnahmen, z.B. Reduzierung von Umwälzung und Belüftung, verzichtet wird. Der pO2-Wert kann in diesem Falle zum Ende der Fermentation wieder 100% betragen.In the subsequent stationary biomass phase, there is an increase in the relative dissolved oxygen saturation of the fermentation broth, provided further control measures, e.g. Reduction of circulation and ventilation, is dispensed with. In this case, the pO2 value can again be 100% at the end of the fermentation.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren in der Phase der stationären Biomasse hinsichtlich des Sauerstofftransports, d.h. hinsichtlich Belüftung und Umwälzung der Fermentationsbrühe, in einem auf der Basis einer pO2-Sollwertregelung entstehenden Impulsregime durchgeführt. Der p02-Sollwert wird aus dem Bereich von 5% bis 30% gewählt; vorzugsweise wird er auf 10% eingestellt.In a preferred embodiment, the process is carried out in the stationary biomass phase with regard to the oxygen transport, ie with respect to aeration and circulation of the fermentation broth, in a pulse regime based on a pO 2 setpoint control. The p02 setpoint is selected from the range of 5% to 30%; preferably it is set to 10%.

Die pO2-Sollwertregelung bei einem Sollwert von beispielsweise 10% wird hier wirksam, um das Ansteigen der relativen Gelöstsauerstoffsättigung der Fermentationsbrühe in der Phase der stationären Biomasse zu unterdrücken.The pO 2 setpoint control at a setpoint of, for example, 10% here becomes effective in order to suppress the increase in the relative dissolved oxygen saturation of the fermentation broth in the stationary biomass phase.

Das Impulsregime für Lufteintrag und Umwälzungsparameter (z. B. Drehzahl beim Rührfermentor) besitzt die zwei ZuständeThe pulse regime for air entry and recirculation parameters (eg speed at the stirring fermentor) has the two states

— reduzierter bzw. gestoppter Lufteirvirag und verminderte Umwälzung für pO2-lstwert > p02-Sollwert,- Reduced or stopped Lufteirvirag and reduced circulation for pO 2 -stwert> p0 2 setpoint,

— Lufteintrag und aktivierte Umwälzung für pO2-lstwert < pO2-Sollwert.- Air intake and activated circulation for pO 2 -value <pO 2 setpoint.

Die Änderungsbereiche von Umwälzungsparameter und Lufteintrag sind aus der Sauerstofftransport-Charakteristik des jeweils eingesetzten Fermentors zu bestimmen.The change ranges of circulation parameters and air intake are to be determined from the oxygen transport characteristics of the respective fermenter used.

Im Extremfall ist diese Ausführungsform dahingehend modifiziert, daß das Impulsregime bereits in der Phase des Biomassewachstums wirksam wird. Diese Verfahrensvariante ist dadurch gekennzeichnet, daß der pO2-Wert der Fermentationsbrühe unmittelbar nach Fermentationsbeginn infolge Zuluftstop unter das Sollwertniveau, beispielsweise unter das 10% Niveau, abfällt, womit die pO2-Sollwertregelung mittels koinzidierender Intensivierung von Belüftung und Umwälzung bei Sollwertunterschreitung frühzeitig beginnt. Mit dieser Prozeßführung werden in besonders vorteilhafter WeiseIn extreme cases, this embodiment is modified in such a way that the pulse regime already becomes effective in the phase of biomass growth. This process variant is characterized in that the pO 2 value of the fermentation broth immediately after the start of fermentation as a result of Zuluftstop below the setpoint level, for example, below the 10% level drops, so the pO 2 setpoint control by means of coincident intensification of ventilation and circulation at setpoint below begins early. With this process control are in a particularly advantageous manner

und Schäumungsprobleme vermieden und günstige Kontakt- und Durchmischungsbedingungen für die Festphasen (Adsorber, Sitosterol, Biomasse) gewährleistet. Gleichzeitig werden hohe ADD-Ausbeuten realisiert.and foaming problems avoided and favorable contact and mixing conditions for the solid phases (adsorber, sitosterol, biomass) guaranteed. At the same time high ADD yields are realized.

Bei Durchführung des Verfahrens im technischen Maßstab, beispielsweise im 10-m3-Rührfermentor, wird das voranstehende Impulsregime entsprechend der vorteilhaften technischen Realisierung modifiziert. Bevorzugte Ausführungsvarianten sindWhen carrying out the process on an industrial scale, for example in the 10-m 3 Rührfermentor, the above pulse regime is modified according to the advantageous technical realization. Preferred embodiments are

— kontinuierliche, beispielsweise lineare Anhebung der Drehzahl bis zu einer festgelegten Obergrenze bei Unterschreitung des pO2-Sollwertes und Intensivierung des Lufteintrags beginnend mit dem Erreichen des oberen Drehzahl-Plateaus; Drehzahlabsenkung und Reduzierung bzw. Stop des Lufteintrags bei Überschreitung des p02-Sollwerts oder- Continuous, for example, linear increase in speed up to a specified upper limit falls below the pO 2 setpoint and intensification of air intake starting with the achievement of the upper speed plateau; Speed reduction and reduction or stop of air entry when exceeding the p0 2 setpoint or

— Beibehaltung einer durchgängig konstanten Drehzahl und Durchführung des Impulsregims nur für die Fermentorzuluft. Die verfahrensgemäße Lösung hat folgende Vorteile:- Maintaining a consistently constant speed and execution of the pulse regime only for the fermentor supply air. The procedural solution has the following advantages:

Durch die Entwicklung des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung von ADD über den mikrobiellen Sterolabbau, welches Während langer Abschnitte der Prozeßdauer durch niedrige Werte der relativen Gelöstsauerstoffsättigung der Fermentationsbrühe gekennzeichnet ist, werden hohe Produktausbeuten bei gleichzeitig verbesserter Fermentationsführung ohne Schäumung und Aufrahmung von Biomasse, Adsorber und Sitosterol gewährleistet. Ein zusätzlicher Vorteil wird in der Einsparung von bereitzustellender Fermentorzuluft und Elektroenergie gesehen.The development of the present process for producing ADD via microbial sterol degradation, characterized by low levels of relative dissolved oxygen saturation of the fermentation broth over long periods of the process, ensures high product yields with simultaneously improved fermentation regime without foaming and creaming of biomass, adsorbent and sitosterol , An additional advantage is seen in the savings of fermenter supply air and electrical energy to be provided.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung soll an Beispielen näher erläutert werden:The invention will be explained in more detail by way of examples:

Beispiel 1example 1

Aus einer Konserve des Stammes Mycobacterium vaccae NRRL B-3683 wird die Impfkultur für die ADD-Fermentation kultiviert. Im ersten Schritt dazu wird eine Schrägagarkultur mittels viertägiger Bebrütung bei 35°C angelegt. Der Nähragar hat je Liter Aqua dest. die Zusammensetzung: Glycerol 20g, Bacto-Pepton 5 g, Fleischextrakt 3g, Agar agar 15g. Sein pH-Wert wird im flüssigen Zustand vor der Sterilisation auf 7,0 eingestellt; die Sterilisation dauert 20 Minuten bei 1210C. Anschließend erfolgen zwei submerse Vorkulturstufen. Für die erste submerse Vorkultur wird die Schrägagarkultur mit 5 ml des Kultivierungsmediums für die beiden submersen Vorkulturstufen abgeschwemmt. Dieses Medium hat je Liter Aqua dest. die Zusammensetzung: Hefeextrakt 10g, Glycerol 10g, KH2PO4,0,5g, K2HPO4 0,5g, (NH4I2HPO41,5g, MgSO4 · 7H2O 0,2g, FeSO4 · 7H2O 0,01 g, ZnSO4 · 7H2O0,002g mitpH-Wert-Einstellung auf 7,0 vor der Sterilisation für 20 Minuten bei 1210C.From a preserve of the strain Mycobacterium vaccae NRRL B-3683, the seed culture for the ADD fermentation is cultivated. In the first step, a slant culture is applied by means of four-day incubation at 35 ° C. The nutrient agar has per liter of distilled water. the composition: glycerol 20g, bacto-peptone 5g, meat extract 3g, agar agar 15g. Its pH is adjusted to 7.0 in the liquid state before sterilization; the sterilization takes 20 minutes at 121 0 C. Subsequently, two submerse Vorkulturstufen done. For the first submerged preculture, the slant culture is washed off with 5 ml of the culture medium for the two submerged preculture stages. This medium has per liter of distilled water. the composition: yeast extract 10 g, glycerol 10 g, KH 2 PO 4 , 0.5 g, K 2 HPO 4 0.5 g, (NH 4 I 2 HPO 4 1.5 g, MgSO 4 .7H 2 O 0.2 g, FeSO 4 . 7H 2 O 0.01 g, ZnSO 4 · 7H 2 O0,002g mitpH value adjustment to 7.0 before sterilization for 20 minutes at 121 0 C.

Aus der Abschwemmung werden 500 ml fassende Rundkolben beimpft, die je 50 ml des letztgenannten Mediums enthalten und 36 Stunden bei 28°C auf dem Rundschwingtisch geschüttelt werden. Jeweils 5 ml der ersten Vorkultur dienen zur Beimpf ung von Ruhdkolben der zweiten Vorkulturstufe mit den Füllbedingungen wie in der ersten Vorkulturstufe, die ebenfalls 36 Stunden bei 28°C geschüttelt werden.From the flooding 500 ml round-bottomed flasks are inoculated, each containing 50 ml of the latter medium and shaken for 36 hours at 28 ° C on the rotary table. Each 5 ml of the first preculture are used for inoculation of resting piston of the second preculture stage with the filling conditions as in the first precultivation stage, which are also shaken at 28 ° C for 36 hours.

Die anschließende Fermentor-Hauptkultur erfolgt über 94 Stunden mit einem Startvolumen (einschließlich Vorkultur und Sitosterol, ohne Adsorber) von 2,51 in einem Edelstahl-Glas-Rührfermentor mit 4,51 Bruttovolumen bei 310C. Die Beimpfungsmenge aus der zweiten Vorkulturstufe bildet 10% des Startvolumens. Zum Liter Fermentationsbrühe werden 140g Adsorber vom Typ eines Copolymerisats aus Styren und Divinylbenzen mit Acrylsäurederivat-Anteil zugesetzt. Der Adsorber wird vorher mit Methanol ausgewaschen und mit Wasser gespült. Die untere Grenze für den Korndurchmesser beträgt 0,4mm. Das Fermentatinsmedium der Hauptkultur hat folgende Zusammensetzung je Liter Aqua dest.: Harnstoff 0,125g, Glucose 5g, KH2PO4,2g, K2HPO48g, (NH4J2 SO43g, MgSO4 · 7 H2O 0,2g, FeSO4 · 7H2O 0,01 g, ZnSO4 7 H2O 0,002g. Vor der Sterilisation wird der pH-Wert auf 7,0 eingestellt. Die Sterilisation erfolgt durch Autoklavierung des das Medium einschließlich der notwendigen Adsorbermenge enthaltenden Fermentergefäßes während 60 Minuten bei 121°C. Die Sitosterolpräparation wird zweimal 60 Minuten im Dampftopf sterilisiert und in einem Schritt mit der Beimpfung in den auf 31 °C rückgekühlten Fermentor eingebracht. Je Liter Fermentationsbrühe werden 15g Sitosterol eingesetzt, dessen Präparation durch Naßvermahlung mit 10% eines Tensids aus der Gruppe der Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Addukte des N,N"-Tetra-(-Oxypropylpropyol)-N'-(2-Oxypropy!)-diethylentriamins mit Molekulargewichten des Polypropylenglycols um 1400 bis 2000 in einer Kolloidmühle erfolgt.The subsequent Fermentor main culture is carried out over 94 hours with a start volume (including pre-culture and sitosterol without adsorber) of 2.51 in a stainless steel glass-Rührfermentor 4.51 gross volume at 31 0 C. The amount of inoculum from the second Vorkulturstufe forms 10 % of startup volume. To the liter of fermentation broth, 140 g adsorber of the type of a copolymer of styrene and divinylbenzene with acrylic acid derivative content are added. The adsorber is previously washed out with methanol and rinsed with water. The lower limit for the grain diameter is 0.4mm. The fermentation medium of the main culture has the following composition per liter of distilled water: urea 0.125 g, glucose 5 g, KH 2 PO 4 , 2 g, K 2 HPO 4 8 g, (NH 4 J 2 SO 4 3 g, MgSO 4 .7H 2 O 0 takes place 4 7 H 2 O 0,002g. Before sterilization, the pH is adjusted to 7.0. sterilization of the containing 2g, FeSO 4 · 7H 2 O 0.01 g, ZnSO by autoclaving the medium, including the necessary of adsorber Fermenter vessel for 60 minutes at 121 ° C. The sitosterol preparation is sterilized twice in the steam pot for 60 minutes and introduced in one step with the inoculation into the fermenter cooled to 31 ° C. 15 g of sitosterol are used per liter of fermentation broth, the preparation of which is wet-ground by 10%. a surfactant from the group of polyethylene oxide-polypropylene oxide adducts of N, N "-Tra - (- oxypropylpropyol) -N '- (2-Oxypropy!) - Diethylentriamins with molecular weights of the polypropylene glycol around 1400 to 2000 in a colloid mill.

Die Hauptkultur-Fermentation wird unter den zu Beginn eingestellten konstanten Bedingungen von 0,331 Luft je Liter Fermentationsbrühe und Minute bei 450 Umdrehungen je Minute (6-Blatt-Rührer) für Belüftung und Rührung durchgeführt, während der Fermentation wird die relative Gelöstsauerstoffsättigung als pO2-Wert (100%-Eichung in der unbeimpften gerührten und belüfteten Fermentationsbrühe) gemessen und registriert; durch Probenahme werden die Kinetik der Biomasse und der ADD-Bildung ermittelt. Bei Beendigung der Fermentation liegt die Ausbeute an ADD bei 5,1 g/l. Die Kinetiken für ADD, Biomasse und pO2-Wert sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.The main culture fermentation is carried out under the initially set constant conditions of 0.331 of air per liter of fermentation broth and minute at 450 revolutions per minute (6-blade stirrer) for aeration and agitation, during fermentation the relative dissolved oxygen saturation as pO 2 value (100% calibration in uninoculated stirred and aerated fermentation broth) measured and recorded; Sampling determines the kinetics of biomass and ADD formation. Upon completion of the fermentation, the yield of ADD is 5.1 g / l. The kinetics for ADD, biomass and pO 2 value are summarized in Table 1.

Beispiel 2Example 2

Es wird wie im Beispiel 1 vorgegangen, um die Vorkultur für die ADD-Fermentation zu erhalten. Die Hauptkultur wird in einem Edelstahl-Glas-Rührfermentor mit 4,51 Bruttovolumen bei 28°C durchgeführt. Hinsichtlich der 2,51 betragenden Menge des Startvolumens sind 250 ml Impfkultur der zweiten Vorzuchtstufe und 7 g/l Sitosterolpräparation inbegriffen, deren Vorbereitung und Zugabe wie im Beispiel 1 abläuft.The procedure is as in Example 1 to obtain the preculture for the ADD fermentation. The main culture is carried out in a 4.51 gross volume stainless steel glass stirred fermentor at 28 ° C. With regard to the amount of the starting volume of 2.51, 250 ml of seed culture of the second preemergence stage and 7 g / l of sitosterol preparation are included, the preparation and addition of which proceeds as in Example 1.

Das Fermentationsmedium der Hauptkultur hat je Liter Aqua dest. die Zusammensetzung: Harnstoff 0,25g, Glucose 5g, (NH4)2SO43g, KH2PO4 1 g, K2HPO44g, MgSO4 · 7H2O 0,2g, FeSO4 · 7H2O 0,01 g, ZnSO4 · 7H2O 0,002g. Weiterhin werden zum Liter Fermentationsbrühe 60 g des Adsorbers von Beispiel 1 zugegeben. Die Sterilisationsbedingungen sind mit Ausnahme der längeren Sterilisationszeit von 90 Minuten mit denen im Beispiel 1 identisch.The fermentation medium of the main culture has per liter of distilled water. the composition: urea 0.25g, glucose 5g, (NH 4 ) 2 SO 4 3g, KH 2 PO 4 1g, K 2 HPO 4 4g, MgSO 4 .7H 2 O 0.2g, FeSO 4 .7H 2 O 0 , 01 g, ZnSO 4 .7H 2 O 0.002 g. Furthermore, 60 g of the adsorber of Example 1 are added to the liter of fermentation broth. The sterilization conditions are identical to those in Example 1 with the exception of the longer sterilization time of 90 minutes.

Die Hauptkultur-Fermentation beginnt im Zustand der Gelöstsauerstoffsättigung der Fermentationsbrühe, der auch zur Eichung der pO2-Sonde benutzt wird. Als Regelschwelle für den pO2-Wert werden 10% eingestellt. Die Startdrehzahl beträgt 450~min~1, die Luftzufuhr wird nach der Eichung der pO2-Sonde unterbrochen.The main culture fermentation begins in the state of dissolved oxygen saturation of the fermentation broth, which is also used to calibrate the pO 2 probe. The control threshold for the pO 2 value is 10%. The starting speed is 450 ~ min ~ 1 , the air supply is interrupted after the calibration of the pO 2 probe.

Es erfolgt innerhalb von 0,5Stunden.der Abfall des pO2-Wertes auf 10% durch Sauerstoffauszehrung infolge der Sauerstoffaufnahme durch die anwachsende Biomasse. Bei Unterschreitung der pO2-Regelschwelle wird die Drehzahl auf 700 min"1 erhöht und koinzidierend der Zuluftweg freigegeben, den dann die Luftmenge von 0,331 je Liter Fermentationsbrühe und Minute durchströmt. Nach Erhöhung des pO2-Wertes über 10% erfolgt die Rücksetzung der Prozeßbedingungen auf 450min"1 und Zuluftstop.It takes place within 0.5 hours. The drop of the pO 2 value to 10% by oxygen depletion as a result of the oxygen uptake by the growing biomass. If the pO 2 control threshold is undershot, the speed is increased to 700 min -1 and the air supply path coincidentally released, which then flows through the air quantity of 0.331 per liter of fermentation broth and minute After increasing the pO 2 value above 10%, the process conditions are reset to 450min " 1 and Zuluftstop.

Dieses Impulsregime zur Einhaltung des p02-Sollwerts von 10% hat den prozeßtechnisch außerordentlich wichtigen Effekt, daß keine Aufrahmung von Biomasse und Substraten und keine Schäumung zustande kommt. Außerdem ergibt sich ein eingeschränkter Luftbedarf. Nach 92 Stunden Fermentationszeit liegt die Ausbeute an ADD bei 1,87 g/l; nach 164 Stunden (Ende der Fermentation) liegen 3,01 g/i ADD vor. Der Plateauwert der Biotrockenmasse von ca. 2,6g/l wird um dieThis pulse regime for compliance with the p0 2 nominal value of 10% has the process technology extremely important effect that no creaming of biomass and substrates and no foaming comes about. In addition, there is a limited need for air. After 92 hours fermentation time, the yield of ADD is 1.87 g / l; after 164 hours (end of fermentation) there are 3.01 g / i ADD. The plateau value of the dry biomass of about 2.6g / l is around the

30. Fermentationsstunde erreicht. Ab der 130. Fermentationsstunde steigt der pO2-Wert auf etwa 20% an, obwohl ohne Lufteintrag und bei 450 min"1 gearbeitet wird.30th fermentation hour reached. From the 130th fermentation hour, the pO2 value rises to about 20%, although it is operated without air intake and at 450 min -1 .

Tabelle 1: Kinetiken für ADD, Biotrockenmasse und pO2-Wert bei Nichtanwendung einer pO2-Sollwertregelung (Prozeßbedingungen gemäß Ausführungsbeispiel 1)Table 1: Kinetics for ADD, dry biomass and pO2 value for non-application of a pO 2 setpoint control (process conditions according to embodiment 1)

ADD(g/l)ADD (g / l)

Biotrockenmasse (g/l)Dry biomass (g / l)

pO2(%)pO 2 (%)

0(n.B.) 11 22 24 30 35 43 46 50 52 55 60 70 940 (n.b.) 11 22 24 30 35 43 46 50 52 55 60 70 94

pO2-lstwert< 10% für 10 Stunden pO2-lstwert < 20% für 20 StundenpO 2 -value <10% for 10 hours pO 2 -value <20% for 20 hours

0 0,910 0.91

2,422.42

4,41 5,10; 4,41 5,10 ;

0,965 2,240.965 2.24

100100

100100

100100

Tabelle 2: Kinetiken für ADD, Biotrockenmasse und pO2-Wert bei Zulaufstop nach Fermentationsbeginn und nachfolgender Anwendung einer p02-Sollwertregelung (Sollwert 10%; sonstige Prozeßbedingungen gemäß Ausführungsbeispiel 2)Table 2: Kinetics for ADD, dry biomass and pO 2 value at feedstop after start of fermentation and subsequent application of a pO 2 nominal value control (target value 10%, other process conditions according to exemplary embodiment 2)

ADD (g/l)ADD (g / l)

Biotrockenmasse (g/l)Dry biomass (g / l)

pO2(%)pO 2 (%)

0(n.B.) 0,25 0,5 21 44 68 92 128 1640 (n.b.) 0.25 0.5 21 44 68 92 128 164

0,2210.221

0,8240.824

1,4471,447

1,8671,867

2,792.79

3,013.01

1,68 2,44 2,55 2,59 2,54 2,031.68 2.44 2.55 2.59 2.54 2.03

100 80 10100 80 10

10 2010 20

d.h. die pCVSollwertregelung setzte ab 0,5h ein.i.e. the pCV setpoint control started at 0.5h.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von 1,4-Androstadien-3,17-dion durch fermentativen Sterolabbau, vorzugsweise durch fermentativen Abbau von Sito- und/oder Cholesterol, gekennzeichnet dadurch, daß in Rührfermentoren oder in Fermentoren mit anderen Umwälzprinzipien, vorzugsweise im Air-Lift-Fermentor, während der Fermentationsdauer von 24 Stunden bis 192 Stunden über das Regime von Belüftung und Umwälzung die relative Gelöstsauerstoffsättigung, gemessen als pCVWert der Fermentationsbrühe, nach 0,5 Stunden bis 45 Stunden unter das 5%- bis 30%-Niveau, vorzugsweise unter das 10% Niveau, abgesenkt und wenigstens 10 Stunden bei diesem Niveau gehalten wird.1. A process for the preparation of 1,4-androstadiene-3,17-dione by fermentative sterol degradation, preferably by fermentative degradation of sito- and / or cholesterol, characterized in that in Rührfermentoren or in fermentors with other Umwälzprinzipien, preferably in the air Lift fermentor, during the fermentation period from 24 hours to 192 hours, via the aeration and recirculation regime, the relative dissolved oxygen saturation, measured as the pCV of the fermentation broth, after 0.5 hours to 45 hours below the 5% to 30% level, preferably below the 10% level, lowered and held at this level for at least 10 hours. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach Absenkung der relativen Gelöstsauerstoffsättigung auf das 5%- bis 30%-Niveau, vorzugsweise auf das 10%-Niveau, ein aus diesem Bereich gewählter Sollwert, vorzugsweise derauf 10% eingestellte Sollwert, während der verbleibenden Dauer des fermentativen Prozesses beibehalten wird.2. The method according to item 1, characterized in that after lowering the relative dissolved oxygen saturation to the 5% to 30% level, preferably to the 10% level, a setpoint selected from this range, preferably the 10% setpoint, during the remaining duration of the fermentative process is maintained. 3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Beibehaltung des aus dem Bereich von 5% bis 30% gewählten Sollwerts, vorzugsweise des 10%-Sollwerts, der relativen Gelöstsauerstoffsättigung während der verbleibenden Dauer des fermentativen Prozesses eine die Belüftung Umwälzung in Koinzidenz erfassende Sollwert-Regelung eingesetzt wird.3. Method according to item 2, characterized in that, to maintain the desired value selected from the range of 5% to 30%, preferably the 10% set point, the relative dissolved oxygen saturation during the remaining duration of the fermentative process, the circulation coinciding with the aeration Setpoint control is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1999049075A1 (en) * 1998-03-26 1999-09-30 Forbes Medi-Tech Inc. Process for the microbial conversion of phytosterols to androstenedione and androstadienedione

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