DE2810639A1 - Verfahren zur herstellung von d(-)-3-hydroxybutansaeure durch oxidative fermentation mit mikroorganismen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von d(-)-3-hydroxybutansaeure durch oxidative fermentation mit mikroorganismen

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DE2810639A1
DE2810639A1 DE19782810639 DE2810639A DE2810639A1 DE 2810639 A1 DE2810639 A1 DE 2810639A1 DE 19782810639 DE19782810639 DE 19782810639 DE 2810639 A DE2810639 A DE 2810639A DE 2810639 A1 DE2810639 A1 DE 2810639A1
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Dietmar Dr Vollbrecht
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/42Hydroxy-carboxylic acids

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von D(-) 3-EIydroxybutansäure
  • durch oxidative Fermentation mit Mikroorganismen Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von D(-)-3-Hydroxybutansäure durch oxidative Fermentation mit Mikroorganismen, bei welchem Mutanten von Poly-3-hydroxybutansäure bildenden Mikroorganismen-Gattungen in einem wäßrigen Medium als Substrat, das Ammonium-, Magnesium-, Calcium-, Eisen-, Phosphat-, Sulfat- und übliche Spurenelement-Ionen enthält, sowie entweder eine oder mehrere organische, O-enthaltende Verbindungen mit C-C-Einfachbindungen und einer Anzahl von C-Atomen zwischen 3 und 6 sowie mit mindestens 2 bis höchstens 6 funktionellen O-haltigen Gruppen oder von einem Kohlendioxid-Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch durchströmt wird, bei Temperaturen bis 45 0C und bei pH-Werten vom schwach sauren bis schwach alkalischen Bereich gezüchtet werden und die hierbei gebildete D(-)-3-Hydroxybutansäure aus der Kulturflüssigkeit isoliert wird. D(-)-3-Hydroxybutansäure ist für biochemische, präparativ organisch-chemische, physiologische, pharmazeutische und medizinische Zwecke verwendbar.
  • Es ist bekannt, daß D(-) -3-Hydroxybutansäure aus dem Harn von Diabetikern isoliert werden kann /-P.A. Shaffer und W.M. Marriott, J. biol. Chem. 16(1913/1.4), Seiten 265-2807. Daneben wurde versucht, D(-)-3-Hydroxybutansäure nach Depolymerisierung (Hydrolyse) von Poly-3-hydroxybutansäure aus dem entstehenden Racemat mit Hilfe von Chinin / P.A. Levene und H.L. Haller, J. biol. Chem. 65 (1922), Seiten 49-53 / oder Hydrazin / J.H. Ottaway, Biochem. J. 84 (1962), Seiten 11-12 / zu gewinnen.
  • Zur Herstellung von D(-)-3-Hydroxybutansäure in signifikanten Mengen aus dem Harn von Diabetikern sind große Mengen an Harn erforderlich. Solcher Harn ist jedoch nicht ständig verfügbar. Die Herstellung über die Chinin- oder Hydrazinderivate führt zu nur sehr geringen Ausbeuten und ist wegen des hohen Verbrauchs an Reagenzien zudem noch unrentabel.
  • Vor kurzem wurde ein Verfahren zur Herstellung von D(-)-3-Hydroxybuttersäure (3-HBS) bekannt / DE-OS 27 33 202'7, bei welchem Mikroorganismen in einem wäßrigen Medium, das als Kohlenstoffquelle C02, ein assimilierbares Kohlehydrat aus der Gruppe Glucose, Fructose, Saccharose, Lactose, Melasse und Molke, einen assimilierbaren Alkohol aus der Gruppe Methanol, Äthanol und Glycerin oder die Ablauge der Caprolactamsynthese nebst einer assimilierbaren Stickstoffquelle und Spurenelementen enthält, bei einer Temperatur von ca.
  • 25 0C bis 400C und einem pg-ert von ca. 4 bis 8 gezüchtet werden.
  • Als Mikroorganismen wurden geringe Mengen 3-HBS ausscheidende Mutanten, die nicht in der Lage sind, diese geringen Mengen 3-HBS abzubauen, von z.B. folgenden Species verwendet: Alcaligenes eutrophus ATCC 23440, Azotobacter chroococcum DSM 281, Bacillus megatherium ATCC 32.
  • In der Beschreibung dieses Verfahrens wurde empfohlen, um bei der Herstellung der 3-HBS in großtechnischem Maßstabe hohe Ausbeuten sicherzustellen, solche Mutanten zu verwenden, die während einer Züchtungsdauer von 30 Stunden mindestens 100 mg der 3-HBS pro Liter bis mindestens 1 g/l Nährlösung zu erzeugen vermögen, einzusetzen.
  • Da der Verwendung von D(-)-3-Hydroxybuttersäure in der Medizin große Bedeutung zukommt, sind Herstellungsverfahren mit Ausbeuten im Milligrammbereich für eine gewerbliche Verwertung unbefriedigend.
  • Das Bedürfnis nach Verfahren mit größeren Ausbeuten bleibt daher trotz des Verfahrens nach der DE-OS 27 33 202 nach wie vor bestehen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von D(-)-3-Hydroxybutansäure zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet, mit welchem um eine Zehnerpotenz oder mehr höhere Ausbeuten an D(-)-3-Hydroxybutansäure gegenüber den zum Stand der Technik gehörigen Verfahren erzielt werden können, und das in einfachster Weise ohne größeren Aufwand an Fachpersonal, an Vorrichtungen und an Reagenzien durchgeführt werden kann, ohne von der mangelhaften Verfügbarkeit einer Ausgangssubstanz abhängig zu sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mutanten, die die Fähigkeit Poly-3-hydroxybutansäure zu produzieren verloren haben, die D(-)-3-Hydroxybutansäure (3-HBS) in den Zellen anhäufen und ausscheiden, jedoch unfähig sind, die ausgeschiedene 3-HBS nachträglich zu verwerten, in einer Submerskultur bei wachstumsbegrenzender Verringerung der Ammonium-, Magnesium-, Sulfat-, Phosphat, und Eisen-Konzentrationen und niedrigem, wachstumsbegrenzenaem Sauerstoffpartialdruck in Gegenwart eines Überschusses an Kohlenstoffquellen kultiviert werden.
  • Von Mikroorganismen, die befähigt sind Poly-3-hydroxybutansäure zu bilden, werden in bekannter Weise Mutanten gezüchtet, die die Fähigkeit, das Polymere zu bilden, verloren haben. Solche Mutanten, beispielsweise Alcaligenes eutrophus, Stamm 21646 (DSM) oder Stamm 24408 (DSM), sind für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbar und werden unter für das Wachstum suboptimalen Konzentrationen an Sauerstoff, Stickstoffverbindungen, Phosphat, Eisen, Mangan, Calcium, Kupfer, Kobalt, Nickel, Magnesium, Molybdän, Schwefelverbindungen kultiviert. Bevorzugt werden Zellen von Alcaligenes eutrophus Stamm 21646 (DSM) und/oder Stamm 24408 (DSM) in einer Submerskultur mit Gluconsäure, Brenztraubensäure oder deren Salze und/oder Milchsäure als Kohlenstoffquellen verwendet. Es können jedoch auch Zellen der genannten Stämme in einer Submerskultur mit Glucose, Fructose, Glycerin oder Melasse als Kohlenstoffquellen verwendet werden. Aber auch andere verwertbare, definierte Kohlenstoffquellen, wie z.B. Acetoin oder 2,3-Butandiol oder Abfallprodukte , die einzelne oder mehrere der genannten Substanzen enthalten, können verwendet werden, um in Submersfermentationen und gleichzeitigem Überschuß von Kohlenstoffquellen D(-)-3-Hydroxybutansäure zu produzieren. Zur Steigerung der Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure können der Kulturflüssigkeit Precursoren (Alkaliacetat, Alkali-lact t) zugesetzt werden. Zur Steigerung der Ausbeute ist es ferner möglich, Substanzen zuzusetzen, die das Wachstum partiell oder vollständig hemmen, wie Methanol oder Schwermetallionen, sowie oberflächenaktive Agentien, beispielsweise blsäure-Derivate (Salze oder Ester) zuzusetzen.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß D(-)-3-Hydroxybutansäure in bisher unerreicht hoher Ausbeute hergestellt werden kann und daß keine kostspielige Trennung des Racemates erforderlich ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand einiger Beispiele näher beschrieben.
  • Beispiel 1 Zellen von Alcaligenes eutrophus, Stamm 21646, der durch Mutation die Fähigkeit zur Speicherung von Poly-3-hydroxybutansäure verloren hat, wurden in Submerskultur mit einem Medium der folgenden Zusammensetzung kultiviert Na-Gluconat 30 g, (NH4)2HP°4 2.0 g, KH2PO4 2.1 g, MgS04 x 7 H20 0.2 g, FeCl3 x 6 H20 6 mg, CaC12 x 2 H20 10 mg, H3B03 300 Mg CoCl3 x 6 H20 200 pg, ZnSO4 x 7 H20 100 pg, MnC12 x 4 H20 30 jag, Nie12 x 2 H2 0 30 pg, CuCl2 x 2 H20 10 pg, Na2MoO4 x 2 H20 30 pg, H20 ad 1000 ml, pH 6.8 - 6.9.
  • 0 Die Zellkultur wurde bei 30 C unter für das Wachstum optimalen Bedingungen belüftet (125 ml Luft minze 1) und gerührt (600 Upm; KLa = 150 h 1), bis die Vorräte an Ammonium, Magnesium, Sulfat, Phosphat sowie Eisen begrnzend.wirkten. Nachdem auch Sauerstoff das Wachstum begrenzte, fand die Produktion von D(-)-3-Hydroxybutansäure statt. Das Verfahren dauerte 50 Stunden. Die Kulturbrühe wurde anschließend auf einen pH-Wert von 2 - 3 eingestellt und bis zum Erreichen einer breiigen Konsistenz eingeengt. Danach wurde die D(-)-3-Hydroxybutansäure mit Diäthyläther (es kann auch Isoamylalkohol oder ein anderes geeignetes Lösungsmittel verwendet werden) extrahiert, das Lösungsmittel entfernt und aus dem sirupösen Rückstand säulenchromatographisch mit dem Anionenaustauscher Dowex 1 (es kann auch Kieselgel verwendet werden) die D(-)-3-Hydroxybutansäure abgetrennt. Die Kontrolle des Reinigungsverfahrens und der Reinheit der D(-)-3-Hydroxybutansäure erfolgte durch Gaschromatographie der in Methyl- bzw. Butylester umgewandelten Komponenten, IR-Spektrophotometrie sowie durch Bestimmung der Drehung polarisierten Lichtes durch verdünnte Lösungen. Die Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure betrug 10 Gew.-%, bezogen auf den Einsatz an Gluconat.
  • Beispiel 2 Zellen von Alcaligenes eutrophus, Stamm 24408, wurden unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen Medium wie in Beispiel 1 beschrieben kultiviert und die D(-)-3-Hydroxybutansäure nach dem dort beschriebenen Verfahren gewonnen. Die Ausbeute betrug 12,3 Gew.-%, bezogen auf den Einsatz an Gluconat.
  • Beispiel 3 Zellen von Alcaligenes eutrophus, Stämme 21646 oder 24408, wurden unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen Medium wie in Beispiel 1 beschrieben kultiviert, mit der Ausnahme, daß das Medium anstelle von Na-Gluconat Na-Lactat (30 g) als C-Verbindung enthielt. Fermentation und Aufarbeitung von D(-)-3-Hydroxybutansäure fanden, wie in Beispiel 1 beschrieben, statt. Die Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure betrug 22,6 Gew.-%, bezogen auf den Einsatz an Lactat.
  • Beispiel 4 : Zellen von Alcaligenes eutrophus, Stämme 21646. und 24408 wurden unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen Medium wie in Beispiel 1 beschrieben kultiviert, mit der Ausnahme, daß das Medium anstelle von Na-Gluconat Fructose (30 g) als C-Verbindung enthielt. Fermentation und Aufarbeitung von D(-)-3-Hydroxybutansäure fanden, wie in Beispiel 1 beschrieben, statt Die Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure betrug 8 - 10 Gew.-90 bezogen auf den Einsatz an Fructose.
  • Beispiel 5 Zellen von Alcaligenes eutrophus, Stämme 21646 oder 24408, wurden unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen Medium wie in Beispiel 1 beschrieben kultiviert, mit der Ausnahme, daß das Medium anstelle von Na-Gluconat Na-Pyruvat (30 g) als C-Verbindung enthielt. Fermentation und Aufarbeitung von D(-)-3-Hydroxybutansäure fanden, wie in Beispiel 1 beschrieben, statt. Die Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure betrug 6 bis 8 Gew.-%, bezogen auf den Einsatz an Pyruvat.

Claims (9)

  1. Patentansprüche : Verfahren zur Herstellung von D(-)-3-Hydroxybutansäure durch oxidative Fermentation mit Mikroorganismen, bei welchem Mutanten von Poly-3-hydroxybutansäure bildenden Mikroorganismen-Gattungen in einem wäßrigen Medium als Substrat, das Ammonium-, Magnesium-, Calcium-, Eisen-, Phosphat-, Sulfat- und übliche Spurenelement-Ionen enthält, sowie entweder eine oder mehrere organische, 0-enthaltende Verbindungen mit C-C-Einfachbindungen und einer Anzahl von C-Atomen zwischen 3 und 6 sowie mit mindestens 2 bis höchstens 6 funktionellen 0-haltigen Gruppen oder von einem Kohlendioxid-Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch durch-0 strömt wird, bei Temperaturen bis 45 C und bei pWerten vom schwach sauren bis schwach alkalischen Bereich gezüchtet werden und die hierbei gebildete D(-)-3-Hydroxybutansäure aus der Kulturflüssigkeit isoliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mutanten, die die Fähigkeit Poly-3-hydroxybutansäure zu produzieren verloren haben, die D(-)-3-Hydroxybutansäure (3-HBS) in den Zellen anhäufen und ausscheiden, jedoch unfähig sind, die ausgeschiedene 3-HBS nachträglich zu verwerten, in einer Submerskultur bei wachstumsbegrenzender Verringerung der Ammonium-, Magnesium-, Sulfat-, Phosphat- und Eisen-Konzentrationen und niedrigem, wachstumsbegrenzendem Sauerstoffpartialdruck in Gegenwart eines Überschusses an Kohlenstoffquellen kultiviert werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zellen von Alcaligenes eutrophus Stamm 21646 (DSM) und/oder Stamm 24408 (DSM) in einer Submerskultur mit Gluconsäure, Brenztraubensäure oder deren Salze und/oder Milchsäure als Kohlenstoffquellen verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zellen von Alcaligenes eutrophus Stamm 21646 (DSM) und/oder Stamm 24408 (DSM) in einer Submerskultur mit Glucose, Fructose, Glycerin oder Melasse als Kohlenstoffquellen verwendet werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffquellen Acetoin oder 2,3-Butandiol verwendet werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure der Kulturflüssigkeit Precursoren (Alkali-acetat, Alkali-lactat) zugesetzt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Ausbeute an D(-)-3-Hydroxybutansäure der Kulturflüssigkeit Substanzen zugesetzt werden, die das Wachstum partiell oder vollständig hemmen.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kulturflüssigkeit Methanol oder Schwermetallionen zugesetzt werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Ausbeute oberflächenaktive Agentien zugesetzt werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktive Agentien blsäure-Derivate (Salze oder Ester) eingesetzt werden.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4540665A (en) * 1982-03-16 1985-09-10 Kanegafuchi Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Process for producing D-β-hydroxyalkanoic acid

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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