DE2444849C2 - Verfahren zur Herstellung organischer Säuren durch biologische Hydrolyse - Google Patents

Verfahren zur Herstellung organischer Säuren durch biologische Hydrolyse

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Description

20
Erfindungsgegenstand ist das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren. Die Patentansprüche 2 und 3 nennen Ausgestaltungen der Erfindung.
Es ist bekannt, für die Herstellung organischer Säuren von großer wirtschaftlicher Bedeutung, wie beispielsweise Milchsäure und allgemein Aminosäuren, die entsprechenden Nitrile chemisch zu hydrolysieren, jo Dieses Verfahren ist jedoch nicht immer anwendbar, insbesondere weil gewisse Nitrile sich der chemischen Hydrolyse widersetzen. In diesem Fall muß man einen Umweg wählen. Beispielsweise kann man im Falle der Aminosäuren den Umweg über das Hydantoin erwägen. Dieses Verfahren ist zwar durchführbar, für die Technik aber zu umständlich. In anderen Fällen ist das Produkt der chemischen Hydrolyse nur schwer von den übrigen Bestandteilen des Reaktionsmediums abzutrennen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, nach dem praktisch alle Nitrile hydrolysiert werden können, und zwar unter milden Bedingungen, was von besonderem Interesse ist, wenn man empfindliche Verbindungen zu behandeln hat, und wobei das Verfahren selbst außerordentlich leicht durchführbar ist « und die Abtrennung der gebildeten Säure von dem Reaktionsmedium ohne Schwierigkeiten erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst.
Die Lösung des Nitrils wird vorzugsweise auf ein schwach basisches pH eingestellt, beispielsweise mit » Kaliumcarbonat, Kaliumhydroxyd oder Ammoniak, bevor sie der Einwirkung der erfindungsgemäß einzusetzenden Bakterienstämme unterworfen wird.
la dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die
55
Tabelle 1 Morphologische Eigenschaften
einfache Nitrile, wie Acetonitril; «-Aminonitrile, wie oc-Aminopropionitril,
Ä-Ämino-y-inethyuhiobutyronhri!,
«-Aminobutyronitril.Aminoacetonitril; «-Hydroxynitrile, wie Lactonitril,
Hydroxyacetonitril;
^-Aminonitrile wie Amino-3-propionitril; Dinitrile, wie Malonitril; «-ungesättigte Nitrile, wie Acrylnitril; «-Benzolnitrile, wie Homoveratrumsäurenitril
(3,4-Dimethoxyphenylessigsäure).
Diese Stämme besitzen die folgenden Eigenschaften: Grampositiv; Alkohol/Säure-Resistenz negativ. Ausgesprochene Aerobiose; katalasepositiv. Verwertung von Glukose, Rohrzucker, Maltose
und Laktose auf oxydativem Weg ohne Erzeugung
von Gas und ohne Ansäuerung.
Kein Stamm bildet Alkohol. Hydrolisiert Stärke
nicht, wächst aber auf Kartoffel.
Test auf Feststellung von Tyrosinase auf Kartoffel
negativ.
Vitaminbedarf. Keine Hydrolyse der Gelatine. Wachstum auf Ammoniak und auf Nitraten als
einziger Stickstoffquelle.
Kein Infreiheitsetzen von Schwefelwasserstoff. Kein Wachstum in Gegenwart von übersalzener
Brühe.
Alle Stämme ergeben Ammoniak bei der Züchtung auf Nitraten; ausgenommen die Stämme B 221, B 211, B 212 und C2M ergeben sie u.a. Nitrite. Der Stamm B 222 setzt aus Nitraten Gase in Freiheit.
Spore
Bewegliche Zellmorphologie Morphologie der Kolonien
schwach Stäbchen kreisförmig, glatt, konvex, rötlich, glatter Rand
(1,8-3,6) μ X 0,9 μ
Stäbchen kreisförmig, klein, weiß, diffuser Rand
2,7 μ X 0,9 μ
Stäbchen Strähnen, sehr granulös, weiß, eben
2,7 u X 0,9 a
Fortsetzung
Spore
Bewegliche Zellmorphologie Morphologie der Kolonien
A 111 — Kokken
0,9 bis 1,8 μ
B222 + Stäbchen
(2,6-4,5) μχ0,9 μ
A 112 schwach Stäbchen
(1,8-3,6) μΧ0,9 μ
A 13 schwach Stäbchen
2,2 μ X 0,9 μ
A 141 — Stäbchen
(1,8-3,6) μΧ0,9 μ
A 142 — Stäbchen
(3,6-4,5) μ X 0,9 μ
B 211 - Stäbchen
1,8 μ X 0,9 μ
- Stäbchen
3,6 μ X 0,9 μ
B 221 schwach Stäbchen
(3,6-4) μ X 0,9 μ
C211 schwach Stäbchen
(3,6-8,1) μ χ 0,9 μ
R 21 - Stäbchen
5,4 μ X 0,9 μ
R 22 schwach Stäbchen
2,7 μ X 0,9 μ
R 311 sphwach Stäbchen
(1,8-3,6) μΧΟ,9 μ
R 312 - Stäbchen
(4,5-9) μ χ 0,9 μ
R 331 - Stäbchen
Tabelle II 4,5 μ X 0,9 μ
Wesentliche ohvsiol osische Eigenschal ften
kreisförmig, klein, faltig, konvex, rötlich, gelappter Rand
kreisförmig, klein, von gelboranger Farbe
klein, trüb, erhaben, gelappter Rand, rötlichorange kreisförmig, glatt, trüb, orangerötlich, glatter Rand
klein, fast eben, trüb, granulös, orangerötlich, gelappter Rand
kreisförmig, glatt, trüb, orange, glatter Rand
kreisförmig, gewölbt, klein, glatt, rötlich, glatter Rand
kreisförmig, gewölbt, glatt, rötlich, glatter Rand
kreisförmig, stark gelappt, erhaben, von gelboranger Farbe
kreisförmig, glatt, gänzendrötlich, glatter Rand
kreisförmig, eben, rötlich, granulös, leicht gelappter Rand
kreisförmig, glatt, orange, erhaben, glatter Rand kreisförmig, gelb, erhaben, glatter Rand kreisförmig, konvex, gelb, glatter Rand kreisförmig, rötlich, eben, diffus und trüb
Oxydase
Indol
Zitronensäureverwertung Eiweißhydrolyse
Optimales pH
Acetylmethylcarbinolerzeugung
R 332 R 340 R 341 A 111 B 222 A 112 A 13 A 141 A 142 B 211 B 212 B 221 C211 R 21 R 22 R 311 R 312
wenig
wenig
6,5 stark
6,5 -
6.0 -
6,5 schwach
6,0 -
6,5 -
6,0 schwach
6,5 schwach
6,0 schwach
6,5 stark
6,0 -
6,5 -
6,0 -
7,5 -
6,0 -
6,0 schwach
6,0 -
6.0 _
Der Stamm R 332 stammt von der Gattung Bacillus, besitzt jedoch eine schwache proteolytische Wirkung. Die Stämme R 340 und R 341 sind der Gattung Bacteridium im Sinne von Prevot ähnlich. Die übrigen Stämme sind asporisch. Der Stamm AIII ist ein Micrococcus. Alle anderen Stämme sind der Gattung Brevibacterium im Sinne von Bergey verwandt Der Stamm B 222 isi dem Brevibacterium imperiale sehr nahe verwandL
Obwohl in einigen Fällen (beispielsweise beim Homoveratrumsäurenitrü) die geringe Wasserlöslichkeit des Nitrils ein Problem darstellt, behindert sie die Nitrilasewirkung der in dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendbaren Bakterien nicht beträchtlich.
Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung Hegt darin, daß die bei Beendigung des Verfahrens noch aktiven Bakterien zurückgeführt werden können, so daß in gewissem Ausmaß halbkontinuierlich gearbeitet werden kann und damit der notwendige Zusatz an Kaliumcarbonat und Ammoniak zu Beginn der folgenden Umsetzung gesenkt wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht
Die gemäß der Erfindung verwendeten Stämme können auf billigen Medien gezüchtet werden. Insbesondere können als Kohlenstoffquelle die Hexadecane oder die »Gasöle« verwendet werden (was die Deparaffinierung der Gasöle ermöglicht) oder Laktoserum kann als vollständiges Medium verwendet werden.
Die folgenden Beispiele wurden alle mit dem Stamm R 312, hinterlegt in der »Collection de la Chaire Genetique de l'Ecole Nationale Superieure Agronomique de Montpellier«, durchgeführt
Beispiel 1 Herstellung von razemischer Milchsäure
Der Stamm R 312 wird auf einem Medium, das als Kohlenstoffquelle Glukose enthält, gezüchtet. Nach dem Wachsen werden die Zellen abzentrifugiert, mit physiologischem Wasser gewaschen und dann in einem Reaktionsmedium suspendiert, das aus einer Lösung von 10 Gew.-% von durch chemische Synthese erhaltenem Laktonitril besteht. Der pH-Wert wird mit Kaliumcarbonat oder Ammoniak auf 8 eingestellt. Die Bakterienzellen, die etwa 20 bis 40 g Trockenmasse je Liter büden, bewirken die vollständige Hydrolyse des Nitrils innerhalb von 2 bis 3 Stunden bei 25° C unter Bewegen. Sie werden dann durch Zentrifugieren abgetrennt. Die überstehende Lösung enthält das Ammoniumlaktat, dai durch Trocknen in quantitativer Ausbeute erhalten werden kann. Das Produkt kann für viele Zwecke als solches verwendet werden, beispielsweise als Enthärtungsmittel für Waschflüssigkeiten. Die Milchsäure kann auch nach jeder anderen bekannten Methode gewonnen werden. Beispielsweise kann man nach Ansäuern eine kontinuierliche Extraktion mit Ethyläther oder irgendeinem anderen geeigneten organischen Lösungsmittel durchführen und auch damit eine quantitative Ausbeute erzielen. Diese Milchsäure wird einerseits in der Nahrungsmittelindustrie, andererseits in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie verwendet.
Beispiel 2
Modifikation des Verfahrens von Beispiel 1 In diesem Verfahrer wird das Laktonitril in situ durch Einwirkenlassen einer wäßrigen Acetaldehydlösung auf eine gleichmolare wäßrige Cyanwasserstofflösung in den gleichen Konzentrationen wie oben synthetisiert Das pH der Lösung wird durch Zugabe von konzentriertem Ammoniak auf ungefähr 5 eingestellt, um die Umsetzung ablaufen zu lassen. Dann wird in einer zweiten Stufe das pH der Lösung mit Ammoniak auf 8 eingestellt, die Bakterienzellen werden in einer Menge von 20 bis 40 g Trockengewicht je Liter in dem
ίο Medium suspendiert, und die Hydrolyse erfolgt in zwei bis drei Stunden wie in dem vorhergehenden BeispieL
Beispiel3
Herstellung von Glykokoll
Wie in den vorhergehenden Beispielen wird der Stamm R 312 auf einem Medium, das als Kohlenstoffquelle Glucose enthält gezüchtet Nach dem Wachsen werden die Zellen abzentrifugiert, mit physiologischem Wasser gewaschen und dann in einem Reaktionsmedium, das eine wäßrige Lösung von Wo Glyzinnitril (in der Form des Chlorhydrats) ist suspendiert Das pH der Lösung wird mit Kaliumcarbonat oüer Ammoniak auf etwa 8 eingestellt Die Bakterienzellen, die 60 bis 80 g
Trockenmasse je Liter bilden, bewirken die vollständige Umwandlung des Nitrils in Säure in etwa 5 Stunden bei 25° C, wobei das pH eine Stunde lang bei 8 und die folgenden 4 Stunden bei 7 gehalten wird.
Die Zellen werden dann abzentrifugiert, und von der verbleibenden Lösung wird das Glykokoll gefällt, indem man die Lösung auf 1/5 ihres Volumens einengt und in der Kälte Methanol zusetzt
Beispiel 4 Herstellung von razemischem «-Alanin
Der Stamm R 312 wird auf einem Medium, das als Kohlenstoffquelle Glucose enthält, gezüchtet Nach dem Wachsen werden die Zellen abzentrifugiert, mit physiologischem Wasser gewaschen und dann in einem Reaktionsmedium, das aus einer wäßrigen Lösung von 5 Gew.-% des Chlorhydrats von «-Aminopropionitril besteht, suspendiert Das pH wird auf 8 eingestellt und zwei Stunden auf diesem Wert gehalten. Die Bakterienzellen, die in einer Menge von 20 bis 40 g Trockenmasse je Liter anwesend sind, bewirken eine vollständige Hydrolyse der Lösung in zwei bis drei Stunden bei 250C unter Bewegen. Nach Abzentrifugieren der Zellen enthält die Lösung etwa 40 g «-Alanin je Liter, das nach
so bekannten Methoden gewonnen werden kann.
Beispiel 5 Herstellung von ^-Alanin
Der Stamm R 312 wird wie oben »»ezüchtst und gewonnen. Er wird in dem Reaktionsmedium, das aus einer wäßrigen Lösung von Amino-3-propionitril von 5 Gew.-% besteht, suspendiert. Das pH wird auf 8 eingestellt und ^O Minuten auf diesem Wert gehalten. Dann wird das pH auf 7 gesenkt und für fünf Stunden bei 250C unter Bewegen auf diesem Wert gehalten. Die Bakterienzellen, die 60 bis 80 g Trockenmasse je Liter bilden, bewirken unter diesen Bedingungen eine vollständige Hydrolyse. Nach Abtrennen der Zellen durch Zentrifugieren enthält die Lösung etwa 60g j9-Alanin/l, das nach bekannten Methoden gewonnen werden kann.
Beispiel 6
Herstellung von razemischem Methionin
Der Stamm R 312 wird gezüchtet und gewonnen, wie oben beschrieben. Es wird in einem Reaktionsmedium, das aus einer wäßrigen 6%igen Lösung von «-Amino-ymethylthiobutyronitril besteht, suspendiert. Das pH wird auf 8 eingestellt. Die Bakterienzellen, die in einer Menge von 20 bis 40 g Trockenmasse je Liter anwesend sind, bewirken die Hydrolyse innerhalb von drei Stunden bei 25"C unter Bewegen. Nach Abtrennen der Zellen durch Zentrifugieren wird die Lösung auf 1/3 ihres Volumens eingeengt, und das pH wird auf 7 eingestellt. Das Methionin fällt aus. Die Ausbeute beträgt etwa 80%.
Beispiel 7
Wie in Beispiel 2 kann das a-Amino-y-methylthiobutyronitril in situ aus Methylmercaptopropicnaldehyd, Ammoniak und Alkalicyanid in stöchiometrischen Verhältnissen hergestellt werden. Nach Beendigung der Umsetzung werden die Bakterien suspendiert, und es wird weiter verfahren wie in Beispiel 6.
Es müssen noch einige Bemerkungen zum Reaktionsgleichgewicht angefügt werden, um der Toxizität der Cyanide Rechnung zu tragen.
Im Falle, daß das hydrolysierte Nitril mit der Blausäure ins Gleichgewicht kommt: Einerseits sind die gemessenen Konstanten in jedem Fall sehr günstig für das Nitril. Andererseits wird durch die Hydrolyse das
ίο Gleichgewicht in Richtung des vollständigen Verbrauchs des in dem Medium anwesenden Cyanids verschoben. Nichtsdestoweniger muß die Konzentration an Cyanid in den gebildeten Produkten dauernd überwacht werden, um jeden Zufall auszuschalten, da eine Abweichung von den stöchiometrischen Verhältnissen zu Beginn der Umsetzung immer möglich ist.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung kann also eine große Anzahl von Nitrilen unter milden Bedingunger: in einem einfachen Reakiionsrncuiüiii hydrolysiert werden, und es können in quantitativen Ausbeuten sehr reine Verbindungen erhalten werden.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Verfahren zur Herstellung organischer Säuren durch Hydrolyse der entsprechenden Nitrile, dadurch gekennzeichnet, daß man das Nitril in wäßriger Lösung der Einwirkung des Bakterienstammes R332, R340, R341, AIII, B222, A 112, A 13, A 141, A 142, B 211, B 212, B 221, C 211, R 21, R 22, R 311, R 312 oder R 331, sämtliche hinterlegt in der Chaire de Genetique de TEcole Nationale Superieure Agronomique de Montpellier, unterwirft
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in neutraler oder basischer Lösung arbeitet
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das pH der Lösung nach einer Stunde, um die Hydrolyse zu Ende zu führen, schwach sauer macht
    Stämme mit Nitrilasewirkung nach ihrer Züchtung auf
    einem Nährmedium in der wäßrigen Lösung des Nitrils
    suspendiert, wonach sie dieses innerhalb einiger
    Stunden hydrolysieren. Das pH der Lösung wird
    5. schwach basisch (beispielsweise pH 8) oder neutral
    gehalten. Um die Hydrolyse zu Ende zu führen, ist es
    manchmal notwendig, das pH der Lösung nach etwa
    einer Stunde schwach sauer zu machen.
    Nach Beendigung der Hydrolyse, d. h. im allgemeinen
    to nach einigen Stunden, werden die Bakterien nach irgendeiner für biologische Verfahren bekannten Methode, beispielsweise durch Zentrifugieren, entfernt Die Säure ihrerseits wird nach bekannten Methoden, beispielsweise durch Extrahieren, Fällung usw, von der
    is Lösung abgetrennt
    Die erfindüngsgemäß einzusetzenden, hier beschriebenen Stämme können nahezu ohne Unterschied die folgenden Verbindungsarten hydrolysieren:
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