DE3734764A1 - Process for the preparation of 1,3-propanediol - Google Patents
Process for the preparation of 1,3-propanediolInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Propandiol (1,3) aus erneuerbaren Rohstoffen unter Verwendung von Mikroorganis men.The invention relates to a process for the preparation of propanediol (1,3) from renewable resources using microorganisms men.
Kurzkettige Diole haben in Industrie und Technik Bedeutung als Bau steine für Polymere, Lösemittel und Pharmazeutika. Sie sind Bestand teile von Klebstoffen, Salben, Schleifmitteln, Schmierölen, Frost schutzmittel und Bremsflüssigkeiten. Propandiol-(1,3) hat einige men genmäßig bedeutende Anwendungsgebiete. Dazu gehören die Herstellung von Polyestern und Polyurethanen und die Synthese von speziellen he terocyclischen Verbindungen.Short-chain diols have industrial and technical importance as a construction stones for polymers, solvents and pharmaceuticals. They are stock parts of adhesives, ointments, abrasives, lubricating oils, frost protective agent and brake fluids. Propanediol (1,3) has some men genüber significant applications. These include the manufacture of polyesters and polyurethanes and the synthesis of special he terocyclic compounds.
Zur Herstellung von Propandiol-(1,3) kann Malonsäurediethylester hy driert werden.For the preparation of propanediol (1,3) can malonic acid diethyl hy be drilled.
Es sind auch mikrobiologische Verfahren zur Herstellung von Propan diol-(1,3) bekannt. So kann nach Mickelson und Werkmann, J. Bact. 39, 709 (1940) Glycerin durch verschiedene Citrobacter-Stämme zu Propan diol-(1,3) fermentiert werden. Die Ausbeute beträgt dabei 30 bis 60%. Die gleichen Autoren beschreiben in Enzymologia 8, 252 (1940) die Fer mentation von Glycerin zu Propandiol-(1,3) mit Hilfe von Aerobacter- Stämmen. Dabei liegt der Umsatz von Glycerin zu Propandiol-(1,3) bei etwa 45%, wobei als Nebenprodukt auch Butandiol-(2,3) entsteht.There are also microbiological processes for the production of propane diol- (1,3) known. Thus, according to Mickelson and Werkmann, J. Bact. 39, 709 (1940) glycerol by various Citrobacter strains to propane diol (1,3) fermented. The yield is 30 to 60%. The same authors describe in Enzymologia 8, 252 (1940) Fer mentation of glycerine to propanediol (1,3) by means of Aerobacter Strains. The conversion of glycerol to propanediol (1,3) is included about 45%, which also produces butanediol (2,3) as by-product.
Nach Forage und Foster, J. Bact. 149, 413 (1982) kann Glycerin durch Klebsiella pneumoniae ATCC 8724 und 25 955 unter anaeroben oder aero ben Bedingungen in neutralem oder schwach alkalischem Medium zu Pro pandiol-(1,3) fermentiert werden. Dabei wird auch Acrolein in signi fikanten Mengen gebildet. Das Wachstum der Mikroorganismen kann hier durch Vitamin B12 stimuliert werden.After Forage and Foster, J. Bact. 149, 413 (1982), glycerin can be fermented by Klebsiella pneumoniae ATCC 8724 and 25,955 under anaerobic or aerobic conditions in neutral or weakly alkaline medium to give propanediol (1,3). Acrolein is also formed in significant quantities. The growth of microorganisms can be stimulated by vitamin B 12 here.
Nach Forsberg, Applied and Environmental Microbiology 53, 639 (1987) kann man mit Hilfe von Chlostridium-Stämmen unter Zusatz von Kobalt chlorid und Cobalamin Glycerin in Propandiol-(1,3) überführen, wobei Umsätze bis maximal 61% erreicht werden. According to Forsberg, Applied and Environmental Microbiology 53, 639 (1987) can be with the help of Chlostridium strains with the addition of cobalt chloride and cobalamin convert glycerol to propanediol (1,3), wherein Turnover can be achieved up to a maximum of 61%.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Propandiol-(1,3) wer den Umsätze und Ausbeuten bis etwa 60% erreicht. Dabei werden auch Nebenprodukte, vor allem Acrolein, in größerem Umfange gebildet, die die Reinigung des gewünschten Produktes erschweren.In the known processes for the preparation of propanediol (1,3) who Sales and yields reached about 60%. In the process, too By-products, especially acrolein, formed to a greater extent, the make it difficult to clean the desired product.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Propandiol-(1,3) bereitzustellen. Im besonderen sollen dabei Ausbeute und Umsatz erhöht werden.The object of the present invention is an improved process for the preparation of propanediol (1,3). In particular it should be increased while yield and turnover.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man Glycerin durch den Mikroorganismus Klebsiella pneumoniae DSM 4270 in Gegenwart von vergärbaren Kohlenhydraten und Kobalt (II)-salzen unter aeroben Bedingungen fermentiert.The object is achieved in that glycerol by the microorganism Klebsiella pneumoniae DSM 4270 in the presence of fermentable carbohydrates and cobalt (II) salts under aerobic Conditions fermented.
Geeignete Kohlenhydrate sind Pentosen und Hexosen wie beispielsweise Arabinose, Xylose, Glucose oder Mannose. Vorzugsweise wird Glucose eingesetzt.Suitable carbohydrates are pentoses and hexoses such as Arabinose, xylose, glucose or mannose. Preferably, glucose becomes used.
Die wäßrige Kulturbrühe, in die der Bakterienstamm Klebsiella pneu moniae DSM 4270 geimpft wird, enthält anfangs 5 bis 15% Glycerin und 2 bis 10% vergarbare Kohlenhydrate. Das Nährmedium enthält 0,01 bis 100 µM Kobalt (II)-salze, beispielsweise Kobalt (II)- chlorid. Der Ge halt liegt vorzugsweise bei 0,05 bis 10 µM.The aqueous culture broth into which the bacterial strain Klebsiella pneu moniae DSM 4270 initially contains 5 to 15% glycerol and 2 to 10% carbohydrates. The nutrient medium contains 0.01 to 100 μM cobalt (II) salts, for example cobalt (II) chloride. The Ge It is preferably 0.05 to 10 μM.
Das Nährmedium kann zusätzlich eine komplexe organische Nährstoffquel le wie Hefeextrakt, Sojapepton oder Maisquellwasser enthalten. Es kön nen aber auch rein synthetische Nährlösungen fermentiert werden, die außer den genannten Substraten nur anorganische Salze enthalten.The nutrient medium may additionally contain a complex organic nutrient source le like yeast extract, soy peptone or corn steep liquor. It can but also purely synthetic nutrient solutions are fermented, the contain only inorganic salts except the substrates mentioned.
Die Fermentation des Glycerins wird aerob, vorzugsweise unter vermin derter Belüftung, ausgeführt.The fermentation of glycerol is aerobic, preferably with vermin ventilation, executed.
Die Temperatur wird in einem Bereich von 25 bis 35°C gehalten. Vor zugsweise stellt man eine Temperatur von 30 bis 33°C ein. Während der Umsetzung wird der pH-Wert bei 4 bis 7 gehalten. Vorzugs weise wird ein pH-Wert von 4,5 bis 6 eingestellt. The temperature is maintained in a range of 25 to 35 ° C. before Preferably, a temperature of 30 to 33 ° C is set. During the reaction, the pH is kept at 4 to 7. virtue wise, a pH of 4.5 to 6 is set.
Bei der Reaktion wird im allgemeinen als Nebenprodukt auch Butandiol (2,3) gebildet. Die Nebenproduktbildung wird stark von den Fermenta tionsbedingungen beeinflußt und hängt vor allem vom pH-Wert und von der Temperatur ab.In the reaction is generally by-produced butanediol (2,3) formed. The by-product formation is strong by the fermenta tion conditions and depends mainly on the pH and of the temperature off.
Unter den erfindungsgemäßen Bedingungen werden aus 100 g Glycerin 60 bis 82 g Propandiol-(1,3) gebildet, was einer maximal möglichen Aus beute von 73 bis 100% entspricht.Under the conditions according to the invention, 100 g of glycerol 60 are used to 82 g of propanediol (1,3) formed, giving a maximum possible Aus from 73 to 100%.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird zunächst eine Nährlösung an gesetzt, die Glycerin als Kohlenstoffquelle enthält. Dann wird Kobalt (II)-salz zugesetzt, worauf die Lösung mit einer Vorkultur von Kleb siella pneumoniae DSM 4270 beimpft wird. Hexosen oder Pentosen können zusammen mit Glycerin eingesetzt werden. Man kann sie aber auch erst nach Beginn der Fermentation zufügen.In carrying out the method, a nutrient solution is first set, which contains glycerol as a carbon source. Then cobalt becomes (II) salt, whereupon the solution with a preculture of adhesive siella pneumoniae DSM 4270 is inoculated. Hexoses or pentoses can used together with glycerin. But you can also do it first Add after the beginning of the fermentation.
Bei großen Ansätzen wird die Fermentationsbrühe unter aeroben Bedin gungen gerührt. Bei kleinen Ansätzen wird die Fermentation unter Schütteln des Reaktionskolbens durchgeführt. Die Reaktion ist im all gemeinen nach 48 bis 72 Stunden beendet.For large batches, the fermentation broth is under aerobic condition stirred. In small batches, the fermentation is under Shaking the reaction flask performed. The reaction is in the air common after 48 to 72 hours.
Wenn die Umsetzung beendet ist, werden die Zellen aus dem Ansatz abge trennt und das Propandiol-(1,3) durch Destillation und fraktionierte Destillation in reiner Form isoliert.When the reaction is complete, the cells are removed from the batch separates and the propanediol (1,3) by distillation and fractionated Isolated distillation in pure form.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Propandiol-(1,3) wird durch sein NMR-Spektrum sowie durch sein gaschromatographisches Verhalten identifiziert.The propanediol (1,3) prepared by the process according to the invention is characterized by its NMR spectrum and by its gas chromatographic Behavior identified.
In einem 5-l-Fermenter werden 4 l Kulturbrühe gegeben, die pro LiterIn a 5 l fermenter, 4 l of culture broth are added, which per liter
enthält. Diese Kulturbrühe wird sterilisiert und dann mit 40 ml Vor kultur des Stammes Klebsiella pneumoniae DSM 4270 beimpft, worauf die Fermentation unter folgenden Bedingungen erfolgt:contains. This culture broth is sterilized and then with 40 ml Vor culture of the strain Klebsiella pneumoniae DSM 4270 inoculated, whereupon the Fermentation takes place under the following conditions:
pH-Wert 5,5
Temperatur 30°C
Rührerdrehzahl 300 UpM
Belüftung mit 0,15 vvm LuftpH 5.5
Temperature 30 ° C
Stirrer speed 300 rpm
Ventilation with 0.15 vvm air
Nach einer Fermentationszeit von 7 Stunden werden pro Liter 50 g Glu cose in die Fermentationsbrühe gegeben. Nach 72 Stunden wird die Fer mentation beendet.After a fermentation time of 7 hours, 50 g Glu per liter cose added to the fermentation broth. After 72 hours, the Fer mentation ended.
Nach Abtrennung der Zellen zeigt die Analyse, daß pro 100 g abgebautes Glycerin 63 g Propandiol-(1,3) gebildet worden sind.After separation of the cells, the analysis shows that mined per 100 g Glycerol 63 g of propanediol (1,3) have been formed.
Wird keine Glucose zugesetzt, werden pro 100 g abgebautes Glycerin le diglich 38 g Propandiol-(1,3) synthetisiert.If no glucose is added, per 100 g of degraded glycerol le 38 g of propanediol (1,3) were synthesized.
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