DE2300056A1 - Pyridine-2,6-dicarboxylic acid prepn - by culture of bacillus subtilis N26 atcc 21855 in nutrient soln. and recovery of prod from sepd spores - Google Patents
Pyridine-2,6-dicarboxylic acid prepn - by culture of bacillus subtilis N26 atcc 21855 in nutrient soln. and recovery of prod from sepd sporesInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Gewinnung von Pyridin-2,6-dioarbonsäure auf fermentativem Wege Es ist Seit langem bekannt, daß Pyridin-2,6-dicarbonsäure - im folgenden PdC genannt - Bestandteil der Wand von Dakteriensporen ist (Biochem. J. 54, 210), chne daß bisher versucht worden wäre, dieses Vorkommen für die technische Gewinnung von PdC auszunutzen. Der beträchtliche Zeit- und Apparateaufwand bei relativ geringer Ausbeute machten bisher ein Vergfahren auf fermentativem Wege unwirtschaftlich. Process for the production of pyridine-2,6-dioarboxylic acid on fermentative Ways It has long been known that pyridine-2,6-dicarboxylic acid - hereinafter PdC called - is part of the wall of bacterial spores (Biochem. J. 54, 210), chne that so far attempts would have been made to use this deposit for the technical extraction of Exploiting PdC. The considerable expenditure of time and equipment at a relatively low cost Yield made a process by fermentation uneconomical.
Es wurde nun gefunden, daß eine wirtschaftliche Gewinnung von Pyridin-2,6-dicarbonsäure auf fermentativem Wege möglich ist, wenn als Bacillus Bacillus subtilis N 26 ATCC 21355 für die Kultivierung verwandt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur nnung von Pyridin-2,6-dicarbonsäure auf fermentativem Wege durch submerse Kultivierung von Bscillusstämmen, bis das Wachstum beendet und die Zellen zu Sporen geworden sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß Bacillus subtilis N 26 ATCC 21855 in einer Nährlösung submers kultiviert und aus den von der Nährlösung abgetremmten Sporen die Pyridindicarbonsäure isoliert wird.It has now been found that an economical production of pyridine-2,6-dicarboxylic acid is possible by fermentation, if as Bacillus Bacillus subtilis N 26 ATCC 21355 is used for cultivation. The method according to the invention for nnung of pyridine-2,6-dicarboxylic acid by fermentation by submerged cultivation of Bscillus strains until growth stops and the cells become spores is characterized in that Bacillus subtilis N 26 ATCC 21855 in a Nutrient solution cultured submerged and from the spores separated from the nutrient solution the pyridinedicarboxylic acid is isolated.
Bei zahlriechen Versuchen mit verschiedenen Bacillusstämmen zeigte sich, daß Bacillus subtilis N 26 ATCC unter wint@ schaftlichen Bedingungen eine sehr günstige Ausbeute an PdC ergibt. Tabelle 1 zeigt die Ergeonisse mit einer kleinen Auswahl verschiedener Bacillusstämme, die zum Teil in der iterat a's gute PdC-Bildner beschriebcn sind, in Vergleich m.it Bacillus subtilis N 26 ATCC 21855.In numerous experiments with different Bacillus strains showed that Bacillus subtilis N 26 ATCC under winter conditions a gives a very favorable yield of PdC. Table 1 shows the results with a small one Selection of different Bacillus strains, some of which iterated as good PdC producers are described in comparison with Bacillus subtilis N 26 ATCC 21855.
Tab. 1 Eignung verschiedener Bacillus-Stämme zur fermentativen Gewinnung
von Pyridin-2,6-dicarbonsäure
Das Vergfahren wird durchgeführt, indem man Bacillus subtilis ATCC 21855 N 26/submers in einer geeigneten Nährlösung unter Belüften und Rühren in einem geeigneten Fermenter kultiviert, bis der PdC-Gchalt der Nänr"lösung sein Maximum erreicht hat. Die Temperatur kann zwischen 30 und 450 C liegen, vorzugsweise bei 35 bis 380 C. Der PH-Wert der Nährlösung kann zwischen 6 und 9 liegen, vorzugsweise bei PH7 bis 9. Nach Beendigung der Bildung der Sporen werden diese von der Nährlösung abgetrennt und auf bekannte Weise auf PdC aufgearbeitet. Devorzugt wird das in der DOS 2 222 597 beschriebene Verfahren zur Isolierung der PdC angewandt, wobei die PdC durch Erhitzen der wasserfreien Sporenmasse mit Alkohol in Gegenwart von Säure als Pyridin-2,6-dicarbonsäureester in Lösung gebracht wird, der entstandene Diester nach Abfiltrieren der Sporenmasse isoliert und anschließend in bekannter Weise hydrolysiert wird.The procedure is carried out by referring to Bacillus subtilis ATCC 21855 N 26 / submersed in a suitable nutrient solution with aeration and stirring in one cultivated in a suitable fermenter until the PdC content of the Nänr "solution is at its maximum has reached. The temperature can be between 30 and 450 C, preferably at 35 to 380 C. The pH of the nutrient solution can be between 6 and 9, preferably at PH7 to 9. After the formation of the spores, they are absorbed by the nutrient solution separated and worked up in a known manner on PdC. This is preferred in the DOS 2 222 597 described method for the isolation of the PdC used, the PdC by heating the anhydrous spore mass with alcohol in the presence of acid is brought into solution as pyridine-2,6-dicarboxylic acid ester, the resulting diester isolated after filtering off the spore mass and then hydrolyzed in a known manner will.
Zur analytischen Bestimmung der PdC, bezogen auf Fernentevolumen, wird ein aliquoter Teil der Kulturlösung zetrifugiert und in einer bestimmten Menge Wasser (PH 7) aufgenommen. Diese Suspension wird eine Stunde bei 121 C im Autoklaven behandelt, wodurch die PdC in Lösung geht; dann wird erneut zentrifugiert. Die PdC kann dann quantitativ im Überstand nach der Methode von Jansser. et al. (Science 127, 26) oder aber dünnschichtchromatographisch bestimmt werden, indem man 1 bis 10'Fl Lösung auf eine Kieselgelplatte aufträgt, mit Methanol - 5 n NH3 (80 + 20) entwickelt, den PdC-Flecken mit Wasser eluiert und die Extinktion des Eluats bei 273 nm mißt. Die dem Meßwert entsprechende Menge PdC wird einer Eichkurve entnomnen. Die in den folgenden Tabellen angegebenen Werte wurden nach dieser Methode bestimmt. Sie stellen nur. Vergleichswerte dar, denn bei späteren Arbeiten wurde gefunden, daß, wenn die Suspension der Trockensubstanz bei ph 12 im Autoklaven behandelt wird, ca. 20 bis 50 5S mehr PdC in Lösung gehen.For the analytical determination of the PdC, based on the distant volume, an aliquot of the culture solution is centrifuged and a certain amount Water (PH 7) added. This suspension is in an autoclave at 121 ° C. for one hour treated, whereby the PdC goes into solution; then it is centrifuged again. The PdC can then quantitatively in the supernatant using the Jansser method. et al. (Science 127, 26) or can be determined by thin layer chromatography, by doing 1 to 10 liters of solution are applied to a silica gel plate, with methanol - 5 N NH3 (80 + 20), the PdC stain eluted with water and the absorbance of the Eluate measures at 273 nm. The amount of PdC corresponding to the measured value becomes a calibration curve remove. The values given in the following tables were obtained using this method certainly. You just pose. Comparative values, because in later work was found that when the suspension of dry matter is autoclaved at pH 12 about 20 to 50 5S more PdC will go into solution.
Als Kohlenstoffquelle in der Nährlösung kommen u.a. in Frage: Monosaccharide wie Glucose, Galactose, Xylose; Disaccharide wie Saccharose, Lactose, Maltose; Tri- und Polysaccharide wie Raffinose, Dextrin, Stärke.Possible sources of carbon in the nutrient solution include: monosaccharides such as glucose, galactose, xylose; Disaccharides such as sucrose, lactose, maltose; Tri- and polysaccharides such as raffinose, dextrin, starch.
Daneben sind alle anderen Kohlenstoffquellen geeignet, die ein Wachstum und Versporen von Bacillus subtilis N 26 itTCC'21855 ermöglichen.In addition, all other carbon sources that allow growth are suitable and allow spores of Bacillus subtilis N 26 itTCC'21855.
Versuche mit verschiedenen Nährmedien haben ergeben, daß Stärke sowohl bezüglich der Ausbeute als auch der Wirtschaftlichkeit die günstigste Kohlenstoffquelle ist, wie aus Tabelle 2 hervorgeht.Experiments with different nutrient media have shown that starch both the cheapest carbon source in terms of both yield and economy as shown in Table 2.
Der Einfiuß der C-Quelle auf die PdC-Bildung durch Bacillus subtilis
N 26 ATCC 21855.
Anzucht: 96 Std. bei 37° C im Schüttelinkuhator Als Stickstoffquellen lommen u.a. in Frage Caseinpepton, Casein, Caseinhydrolysat, Fleischextrakt, Hefeextrakt, Sojapuder, Sojapepton, Maisquellwasser und alle anderen stielstoffhaltigen Substanzen, die das Wachstum und die Vorsprung von Bacillus subtilis N 26 ATCC 21855 ermöglichen Wie Tabelle 3 zeigt, sind Casein und Caseinderivate die günstigsten Stickstoffquellen.Cultivation: 96 hours at 37 ° C in a shaking incubator as Nitrogen sources include casein peptone, casein, casein hydrolyzate, meat extract, Yeast extract, soy powder, soy peptone, corn steep liquor and all other sticky ingredients Substances that promote the growth and prominence of Bacillus subtilis N26 ATCC 21855 enable As Table 3 shows, casein and casein derivatives are the cheapest Nitrogen sources.
Bei Verwendung einer anderen Stickstoffquelle als Casein ist es empfehlenswert, noch Caseinhydrolysat oder die darin enthaltenen Aminosäuren, vorzugsweise Lysin und/oder Leucin und/oder Valin, der Nährlösung zuzusetzen, damit der PdC-Gehalt der Sporen erhöht wird, wie aus den Tabellen 4 und 5 hervorgeht.When using a nitrogen source other than casein, it is recommended that nor casein hydrolyzate or the amino acids contained therein, preferably lysine and / or leucine and / or valine to add to the nutrient solution to reduce the PdC content the spore is increased as shown in Tables 4 and 5.
Der Einfluß der N-Quelle auf die PdC-Bildung durch Bacillus subtilis
N. 26. ATCC 21855.
Tab. 4 Der Einfluß von Aminosäuren auf die PdC-Bildung durch Baeillus
subtilis N 26 ATCC 21855.
Na2HP04 2 H20 0;3 % der Nährlösung (Gewicht/Volumen) KH2PO4 0,3% NaCl 0,3 % 1: MgCl2 . 6 H20 0,01 % ii II Na2SO4 0,011 %" MnCl2 . 4 H20 0,001 % CaCl2 . 2 H20 0,02 ' " " Diese Mischung wird im Folgenden Salzbase genannt; sie hat sich in den Versuchen als geeignet erwiesen. Es ist natürlich möglich, ihre qualitative und quantitative Zusammensetzung zu ändern.Na2HP04 2 H20 0; 3% of the nutrient solution (weight / volume) KH2PO4 0.3% NaCl 0.3% 1: MgCl2. 6 H20 0.01% ii II Na2SO4 0.011% "MnCl2. 4 H20 0.001% CaCl2 . 2 H20 0.02 '"" This mixture is called salt base in the following; she has proved to be suitable in the tests. It is of course possible to their qualitative and to change quantitative composition.
Um die optimale Menge an Calciumionen zu ermitteln, wurden in der obigen Salzmischung die CaCl2-Gehalte variiert und der Einfluß auf die PdC-Bildung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengestellt. Daraus ist zu entnehmen, daß zum optimalen Wachstum und zur Optimalen PdC-Saynthese etwa 0,01 bis 0,05 % Calciumchlorid entsprechend 27 bis 137 ppm Ca2+erforderlich sind.In order to determine the optimal amount of calcium ions, the The above salt mixture varies the CaCl2 content and the influence on the PdC formation certainly. The results are shown in Table 6. From this it can be seen that for optimal growth and optimal PdC-Saynthese about 0.01 to 0.05% Calcium chloride corresponding to 27 to 137 ppm Ca2 + are required.
Für eine maximale Ausbeute ist auch die Konzentration der Kohlenstoff- und Stickstoffquelle von Bedeutung. Mit steigender Konzentration der C-Quelle nimmt bei gleichbleiDender Konzentration der N-Quelle zwar das Wachstum der Bakterien deutlich zu, nicht jedoch der relative PdC-Gehalt der Sporen, der erst mit steigender Konzentration der Stickstoffquelle zunimmt. Dies verdeutlicht die Bedeutung der Stickstoffquelle für den PdC-Gehalt der Sporen.For maximum yield, the concentration of the carbon and nitrogen source of importance. With increasing concentration of the carbon source increases with the same concentration of the N source, the growth of the bacteria is true significantly, but not the relative PdC content of the spores, which only increases with the The concentration of the nitrogen source increases. This illustrates the importance of Nitrogen source for the PdC content of the spores.
Tab. 6 Der Einfluß von Calciumionen auf die PdC Bildung durch Bacillus
subtilis N 26 ATCC 2/855
Die Zeit, in der das Maximum an PdC gebildet wird, hängt außer von der Zusammensetzung der Nährlösung von dem verwendeten Kulturgefäß ab. Sie liegt im Durchschnitt zwischen 24 und 48 Stunden, wobei in der Regel bereits nach 24 Stunden eine optimale Ausbeute erzielt wird. Aus Tabelle 7 ist zu entnehmen, daß im Fermenter erheblich höhere Ausbeuten erzielt werden als im Schuttelkolben.The time in which the maximum of PdC is formed also depends on the composition of the nutrient solution depends on the culture vessel used. she lies on average between 24 and 48 hours, usually after 24 hours an optimal yield is achieved. From Table 7 it can be seen that in the fermenter significantly higher yields can be achieved than in the shake flask.
Die vorangegangenen Versuchsergebnisse zeigen, daß bei Ver-ATCC 21855 wendung von Bacillus subtilis N 26/in relativ Kurzer Zeit Sporen in einer solchen Anzahl und mit einem derart hohen Gehalt an PdC gebildet werden, daß de fermentative Geazinnung von PdC wirtschaftlich interessant wird. Außerdem hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß die PdC ohne weitere Reinigungsaktionen absolut isomerenfrei anfällt, was bei synthetischen Verfahren nicht der Fall ist.The foregoing test results show that Ver-ATCC 21855 application of Bacillus subtilis N 26 / spores in such a relatively short time Number and are formed with such a high content of PdC that de fermentative Tin plating of PdC becomes economically interesting. In addition, the inventive Method has the advantage that the PdC is absolutely isomer-free without further purification actions accrues, which is not the case with synthetic processes.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens aber ist, daß es kontinuierlich durchgeführt werden kann.A particular advantage of the method according to the invention, however, is that it can be carried out continuously.
Bei der kontinuierlichen Kultivierung von. Bacillus subtilis TCC 285 N 26 wird in den ersten Fermenter laufend frische Nährlösung eingeleitet, und die zellhaltige Kulturlösung wird in gleicher Menge wie' der Zufluß in einen zweiten Fermenter geleitet, in dem dann die Zellen PdC bilden und versporen. Um die zeitlichen Unterschiede zwischen der Generationszeit der vegetativen Zellen und der Sporulationsdauer auszugleichen, sollte der zweite Fermenter größer sein, mindestens doppelt so groß wie der erste. Noch günstiger ist es, dreistufig zu fermentieren, indem der überlauf des zweiten Fermenters in einen dritten Fermenter geleitet wird.In the continuous cultivation of. Bacillus subtilis TCC 285 N 26 is continuously fed fresh nutrient solution into the first fermenter, and the cell-containing culture solution is in the same amount as' the inflow into a second Fermenter, in which the cells then form and spor PdC. To the temporal Differences between the generation time of the vegetative cells and the sporulation time To balance out, the second fermenter should be larger, at least twice as large like the first. It is even cheaper to ferment in three stages by using the overflow of the second fermenter is passed into a third fermenter.
Tab. 7 Abhängigkeit der PdC-Bildung vom Kulturgefäß Schüttelkolben Fermenter nach Std. Tab. 7 Dependence of the PdC formation on the culture vessel shake flask Fermenter after hours
100 ml 8 1 PdC µg/ml 164,5 248,8 24 TRGW mg/ml 4,07 3,76 So PdC/TRGW 4,04 6,63 PdC µg/ml 189,5 48 TRGW mg/ml- 2,68 unverändert %PdC/TRGW 7,07 Medium : 1 Vo Stärke + 1 % Pepton + Salzbase, pH 7,5 Anzucht: bei 370 C Zur Gewinnung der Sporen kann der Überlauf der letzten Fermenterstufe in einen geschlossenen selbstaustragenden Separator geleitet werden. Der überstand kann zur Bereitung frischer Nährlösung verwendet werden. In unseren ATCC 21855 Versuchen mit Bacillus subtilis N 26 Konnten wir keine signifikante Abnahme des \fachstums und insbesondere der Versporung feststellen, wenn zwei Teile Überstand mit einem Teil frischem iCasser gemischt und frische C- und N-Quelle und Calcium hinzugefügt wurden. 100 ml 8 1 PdC µg / ml 164.5 248.8 24 TRGW mg / ml 4.07 3.76 So PdC / TRGW 4.04 6.63 PdC µg / ml 189.5 48 TRGW mg / ml- 2.68 unchanged% PdC / TRGW 7.07 medium : 1 Vo starch + 1% peptone + salt base, pH 7.5 Cultivation: at 370 ° C To the Obtaining the spores can overflow the last fermenter stage into a closed one self-discharging separator. The supernatant can be used to prepare fresher Nutrient solution can be used. In our ATCC 21855 experiments with Bacillus subtilis N 26 We could not see any significant decrease in growth, and in particular in Determine sporulation if two parts supernatant with one part fresh iCasser mixed and fresh C and N sources and calcium were added.
Die in Tabelle 8 zusammengestellten Vergleichsversuche zeigen deutlich die höheren Ausbeuten bei Anwendung der kontinuierlichen Kultur.The comparative tests compiled in Table 8 clearly show the higher yields using continuous culture.
Tab. 8 Ausbeuten bei verschiedenen Fermentationsarten a) kontinuierliche
Fermentation
Die wasserfreie Sporenmasse wird mit 230 ml Äthanol -und 20 ml konzentrierter Schwefelsäure'versetzt und 1 Stunde unter Rühren zum Rückfluß erhitzt. Anschließend wird filtriert und das Filtrat auf etwa 100 ml eingeengt. Mit einer wäßrigen Aufschlämmung von Calciumcarbonat wird neutralisiert. Danach wird mit Benzol extrahiert, dieorganische Phase mit Wasser gewaschen, mit Natriumsulfat geklärt und das Benzol im Rotationsverdampfer abdestilliert.The anhydrous spore mass is concentrated with 230 ml of ethanol and 20 ml Sulfuric acid 'and heated to reflux for 1 hour with stirring. Afterward is filtered and the filtrate is concentrated to about 100 ml. With an aqueous slurry of calcium carbonate is neutralized. Then it is extracted with benzene, the organic Phase washed with water, clarified with sodium sulfate and the benzene in a rotary evaporator distilled off.
Der verbleibende kristallisierende Rückstand wird durch Kugelrohrdestillation bei reduziertem Druck gereinigt.The remaining crystallizing residue is by Kugelrohr distillation cleaned at reduced pressure.
Erhalten werden 4,43 g Pyridin-2,6-dicarbonsäurediäthylester, aus dem durch Verseifung mit Kalilauge 3,32 g Pyridin-2,6-dicarbonsäure in reiner Form gewonnen werden.4.43 g of pyridine-2,6-dicarboxylic acid diethyl ester are obtained from that by saponification with potassium hydroxide solution 3.32 g of pyridine-2,6-dicarboxylic acid in pure form be won.
Beispiel 2 tin 1 Liter Glasfermenter und ein 2 Liter Glasfermenter werden zu einer 2-stufigen Fermentereinheit verbunden dergestalt, daß der Auslauf des ersten Fermenters in den 2. Fermenter einläuft.Example 2 tin 1 liter glass fermenter and a 2 liter glass fermenter are connected to a 2-stage fermenter unit in such a way that the outlet of the first fermenter enters the second fermenter.
Der erste Fermenter wird mit Nährlösung (1% Stärke + 1 % Hefe- -extrakt + Salzbase, pH 7,5) gefüllt und mit Bacillus subtilis N 26 beimpft. Während der logarithmischen Wachstumsphase wird damit begonnen, mit Hilfe einer Pumpe frische sterile Nährlösung aus einem Vorratstank kontinuierlich in den ersten Fercenter mit einer Durchlaufrate von 0,2 h @ zu pumpen. Befindet sich die Kultur in beiden Fermentern im Gleichgewicht, können in 5 Std. aus einem Liter Auslauf der zweiten Stufe 6,36 g Trockensubstanz gewonnen werden, aus der, wie in Beispiel 1 beschrieben, 334 mg Pyridin-2,6-dicarbonsäure isoliert werden.The first fermenter is filled with nutrient solution (1% starch + 1% yeast extract + Salt base, pH 7.5) and inoculated with Bacillus subtilis N 26. During the logarithmic growth phase is started with the help of a fresh pump sterile nutrient solution from a storage tank continuously into the first Fercenter to pump at a flow rate of 0.2 h @. The culture is in both Fermenters in equilibrium can spout one liter from the second in 5 hours Stage 6.36 g of dry matter are obtained, from which, as described in Example 1, 334 mg of pyridine-2,6-dicarboxylic acid can be isolated.
Beispiel 3 Ein 1 Liter Glasfermenter und zwei 2 Liter Glasfermenter werden zu einer 3-stufigen Fermentereinheit verbunden. Der 1. Fermenter wird mit Nährlösung gefüllt (1 c Stärke + 1 5'o Hefeextrakt + Salzbase, pH 7,5) und mit Bacillus subtilis N 26 beimpft. Während der logarithmischen Wachstumsphase wird damit begonnen, mit Hilfe einer Pumpe frische sterile' Nährlösung aus einem Vorratstank kontinuierlich in den ersten Fermenter mit einer Durchlaufrate von 0,28 h-1 zu pumpen. Befindet sich die Kultur in allen drei Fermentern im Gleichgewicht, können in 3,57 Std. aus einem Liter Auslauf des dritten Fermenters 5,92 g Trockensubstanz gewonnen werden, aus der, wie Beispiel 1 beschrieben, 300,4 mg Pyridin-2,6-dicarbonsäure isoliert werden.Example 3 One 1 liter glass fermenter and two 2 liter glass fermenters are connected to a 3-stage fermenter unit. The 1st fermenter is with Nutrient solution filled (1 c starch + 1 5'o yeast extract + salt base, pH 7.5) and with Bacillus subtilis N 26 inoculated. During the logarithmic growth phase, it begins to with the help of a pump, fresh sterile nutrient solution from a storage tank continuously to pump into the first fermenter at a flow rate of 0.28 h-1. Located If the culture in all three fermenters is in equilibrium, it can be finished in 3.57 hours 5.92 g dry matter are obtained from one liter of the discharge from the third fermenter, from which, as described in Example 1, 300.4 mg of pyridine-2,6-dicarboxylic acid were isolated will.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4237301A (en) | 1977-12-01 | 1980-12-02 | Luigi Stoppani S.P.A. | Two stage process for preparing 2,6-pyridin-dicarboxylic acid |
-
1973
- 1973-01-02 DE DE19732300056 patent/DE2300056A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US4237301A (en) | 1977-12-01 | 1980-12-02 | Luigi Stoppani S.P.A. | Two stage process for preparing 2,6-pyridin-dicarboxylic acid |
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