DE19503598A1 - Verfahren zur fermentativen Herstellung von Propionsäure oder Buttersäure bzw. deren Salze - Google Patents
Verfahren zur fermentativen Herstellung von Propionsäure oder Buttersäure bzw. deren SalzeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
fermentativen Herstellung von Propionsäure oder
Buttersäure bzw. deren ein- oder zweiwertigen-Salze aus
den entsprechenden Alkoholen.
Das Calcium- und Natriumsalz der Propionsäure werden
hauptsächlich als Antischimmelpilzadditiva in den
Bäckerei- und anderen Lebensmittelprodukten eingesetzt.
Neben diesen Hauptanwendungsgebieten wird die
Propionsäure bei der Herstellung von Kunststoffen auf
Cellulosebasis Herbiziden, Plastifizierungsmittel,
Lösungsmittel und Aromen genutzt.
Die Buttersäure wird hauptsächlich bei der Herstellung
von Kunststoffen auf Cellulosebasis verwendet. Neben
dieser Hauptanwendung ist die Buttersäure einer der
Grundstoffe bei der Herstellung von Aromen für die
Lebensmittelindustrie, ferner werden ihre Derivate als
Anästhetika, Antithyroid- und Vasokonstriktionsmittel
benutzt.
Die überwiegende Menge der zur Zeit produzierten
Propionsäure und Buttersäure wird petrochemisch
hergestellt. Die wichtigsten petrochemischen Verfahren
zur Herstellung von Propionsäure sind die Oxidation von
Propan und Paraffinen in der flüssigen Phase und der
s.g. "Oxo Prozeß", d. h. die Synthese aus Ethylen und
Kohlenmonoxid, wobei als Reaktionszwischenprodukt
Propionaldehyd entsteht. Die Buttersäure wird mit Hilfe
einer katalysierten Hochdruckoxidation von Butan oder
Butanol hergestellt.
Für die Lebensmittelapplikationen wird allgemein nur
biotechnologisch erzeugte Propionsäure, Buttersäure und
deren Salze akzeptiert. Propionsäure wird durch
Bakterien Gattung Propionibacterium, Velionella,
Selenomonas und Clostridium produziert. Für die
Herstellung wird hauptsächlich die Gattung
Propionibacterium genützt, andere Gattungen haben bisher
keine größere Bedeutung gefunden. Substrate für die
Propionsäureproduktion durch Gattung Propionibacterium
sind einfache, wasserlösliche Kohlenhydrate, z. B.
Glukose. Nebenprodukt der Propionsäureproduktion ist die
Essigsäure. Die Ausbeute reiner Propionsäure aus
kohlenhydrathaltigen Substraten liegt zwischen 50 und
75%. Neben dieser relativ geringen Ausbeute ist das
Wachstum der Bakterien Propionibacterium und die
Säureproduktion sehr langsam, die Fermentation dauert 7-
14 Tage. Die erreichten Propionsäureendkonzentrationen
liegen in dem Bereich 20-30 g/l.
Für die industrielle Herstellung von Buttersäure werden
Bakterien Gattung Clostridium unter anaeroben
Bedingungen kultiviert. Als Substrate dienen
Kohlenhydrate wie Glukose und Xylose, die Hydrolysate
von Celluloseherstellung können ebenfalls benutzt
werden. Nebenprodukte bei dieser Herstellung sind Laktat
oder Butanol. Die Fermentation dauert zwischen 50 bis
100 Stunden. Die Ausbeute liegt zwischen 40 und 50%, die
erreichbare Buttersäurekonzentration beträgt 30-40 g/l.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe
zugrunde, ein neues fermentatives Verfahren zur
Gewinnung von Propionsäure oder Buttersäure zu
entwickeln, welches die genannten Nachteile der bisher
genützten Produktionswege nicht aufweist, sondern eine
einfache Herstellung aus allgemein zugänglichen
Rohstoffen ermöglicht.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
man Bakterien der Gattung Acetobacter oder Gluconobacter
im wäßrigen Nährmedium bei einer Temperatur von 15 bis
40°C und einem pH-Wert von 5.0-8.0 bei gleichzeitiger
Zugabe von n-Propanol bzw. n-Butanol submersiv unter
aeroben Bedingungen kultiviert.
Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß man
auf diese Weise Propionsäure oder Buttersäure bei
vergleichsweise geringen Fermentationszeiten in hoher
Ausbeute herstellen kann.
Beim Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung
werden als Produktionsmikroorganismen Ethanol
oxidierende Stämme der Gattung Acetobacter und
Gluconobacter, vorzugsweise die Stämme mit hoher
Ethanoldehydrogenaseaktivität und Azidotoleranz,
verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das n-
Propanol oder n-Butanol nach der exponenziellen
Zellwachstumsphase des Produktionsstammes in das
Kultivationsmedium zugeführt, insbesondere in einer
solchen Menge, daß der aktuelle n-Propanol- bzw. n-
Butanolanteil 0.01 bis 3 Vol.-% bez. auf das Volumen des
Kultivationsmediums beträgt. Bei diskontinuierlicher
Fahrweise wird eine Dosis unmittelbar nach der Oxidation
der vorangegangenen Dosis dem Medium zugeführt. Eine
abgelaufene Oxidation der zugeführten Dosis wird durch
einen steilen Aufstieg der aktuellen Sauerstoffkon
zentration indiziert.
Die Zugabe von n-Propanol oder von n-Butanol kann auch
kontinuierlich erfolgen. Die kontinuierliche Dosierung
wird durch das Messen der aktuellen Sauerstoffkonzentra
tion im Medium kontrolliert, welche bei einem konstanten
Wert zwischen 30 und 100% der Sauerstoffsättigung von
Medium gehalten werden muß.
Während der Kultivation wird der pH-Wert durch die
Zugabe von alkalisch reagierenden Lösungen, bevorzugt
KOH, NaOH, NH₄OH, CaCO₃, Ca(OH)₂, mit Hilfe eines
Ionenaustauschers oder einer Elektrodialyse im
gewünschten Bereich gehalten. Die Kultivation verläuft
unter intensivem konstantem Rühren, einer Durchlüftung
im Bereich von 0.5 bis 2.0 Luftvolumen/Volumen des
Fermentationsmediums/min. bei einem Überdruck von 0 bis
0.2 MPa.
Die aus dem Fermentor austretenden Gase werden
vorzugsweise in einem Dampfkondensator gekühlt und das
n-Propanol bzw. n-Butanol enthaltende Kondensat wird in
den Fermentor zurückgeführt.
Für die Animpfung des Produktionsfermentors wird
bevorzugt ein vegetatives Inokulum, welches in einer 10-
20 stündiger submersen Kultivierung des Produzenten ohne
n-Propanol- bzw. n-Butanolzugabe gewonnen wurde,
verwendet. Für die Animpfung des Produktionsfermentors
wird ein Inokulumvolumen von 5 bis 20 Vol.-% bez. auf
das Gesamtvolumen verwendet. Das Fermentationsmedium
enthält eine Assimilationsquelle von Kohlenstoff in der
Menge von 0.1 bis 5 Gew.-%, bspw. Glycerin. Dem Medium
werden Mineralien und Bakteriumwachstum fördernde
Nährkomponenten zugesetzt.
Nach der Transformation wird das Produkt mit den in der
chemischen Industrie üblichen Methoden isoliert.
Auf diese Weise können Propionsäure oder Buttersäure
bzw. deren Salze, insbesondere deren ein- oder
zweiwertige Salze (wie z. B. die Natrium-, Kalium-,
Ammonium- oder Calciumsalze) in sehr hohen Ausbeuten von
<95% erhalten werden.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher
erläutern.
Drei Kultivationsrundkolben von 500 ml, gefüllt mit je
100 ml Kultivationsmedium wurden mit dem Stamm
Gluconobacter oxydans CCM 1783 vo einer Agar-
Schrägkultur beimpft und in dem Rotationsschüttler bei
30°C für 16 h kultiviert. Auf diese Weise vorbereitete
Submersionskultur des Produktionsmikroorganismus wurde
für die Inokulation von 2.7 l Kultivationsmedium
genutzt. Das Kultivationsmedium enthielte 5 g/l Glycerol
und 5 g/l Hefeextrakt.
Die Kultivation wurde in einem 5 l Bioreaktor unter
folgenden Bedingungen durchgeführt: Temperatur 30°C,
Drehzahl 500/min., Aeration 3 l Luft/min., ohne
Überdruck. Nach 9 stündiger Kultivation wurde n-Propanol
in 25 ml Dosen zugeführt, wobei eine neue Dosis
unmittelbar nach dem Sauerstoffanstieg im Medium
erfolgte. Der pH-Wert wurde bei 6.0 durch die Zugabe von
festem CaCO₃ gehalten. Nach 30 Kultivationsstunden
erreichte der n-Propanolgesamtverbrauch 100 ml, das
Fermantationsmedium enthielt Ca-Propionat in der Menge
equivalent 29.5 g/l reiner Propionsäure. Die Ausbeute
betrug 98% des theoretischen Werts.
Bei der Vorbereitung von vegetativem Inokulum und der
Beimpfung vom Kultivationsmedium wurde entsprechend
Beispiel 1 vorgegangen. Die Kultivationsbedingungen
glichen den im Beispiel 1. Nach einer 9 stündiger
Kultivation wurde n-Propanol in 25 ml Dosen dem Medium
zugeführt, der Ablauf der Dosierung entspricht dem in
Beispiel 1, nach der Oxidation von 125 ml n-Propanol
wurden die Dosen auf 15 ml reduziert. Der pH-Wert wurde
auf 6.0 durch eine kontinuierliche Zugabe von 40 Gew.-%
iger NaOH Lösung gehalten. Nach einer 70 stündigen
Kultivation betrug der Gesamtverbrauch an n-Propanol
155 ml, das Fermentationsmedium enthielt Na-Propionat
equivalent 43.7 g/l reiner Propionsäure. Die Ausbeute
erreichte 96% des theoretischen Werts.
Die Vorbereitung des vegetativen Inokulums und des
Kultivationsmediums, sowie die Kultivationsbedingungen
erfolgten analog Beispiel 1. Nach einer 10-stündigen
Kultivation wurde n-Butanol in 40 ml Portionen in den
Bioreaktor zugegeben, der Dosierungsablauf entsprach dem
im Beispiel 1. Der pH-Wert wurde durch die Zugabe von 40
Gew.%-iger NaOH-Lösung auf 6.0 gehalten. Verdampftes n-
Butanol wurde nach der Kondensation zurückgeleitet. Nach
einer 80 stündiger Kultivation Betrug der Gesamtver
brauch an n-Butanol 120 ml, das Fermentationsmedium
enthielt Na-Butyrat equivalent 49 g/l reiner Butter
säure, die Ausbeute erreichte 96% des theoretischen
Werts.
Claims (5)
1. Verfahren zur fermentativen Herstellung von
Propionsäure oder Buttersäure bzw. deren Salze
dadurch gekennzeichnet, daß man Bakterien ausgewählt
aus der Gattung Acetobacter, oder Gluconobacter in
wäßrigem Medium bei einer Temperatur von 15 bis
40°C und einem pH-Wert von 5.0 bis 8.0 unter
gleichzeitiger Zugabe von n-Propanol bzw. n-Butanol
submers unter aeroben Bedingungen kultiviert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der aktuelle n-Propanol- bzw. n-Butanolanteil in
dem Fermentationsmedium 0.01 bis 3 Vol.-% bez. auf
das Volumen des Mediums beträgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man das n-Propanol bzw. n-Butanol
diskontinuierlich dem Medium in der Weise zudosiert,
daß die nächste n-Propanol- bzw. n-Butanoldosis erst
nach der Oxidation der vorangegangenen Dosis erfolgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß inan das n-Propanol bzw. n-Butanol
kontinuierlich zuführt, wobei man die Zufluß
geschwindigkeit so reguliert, daß eine konstante
Sauerstoffkonzentration im Bereich von 30 bis 100%
der Sauerstoffsättigung des Mediums eingestellt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß man n-Propanol oder n-Butanol
nach der exponenziellen Zellwachstumsphase des
Produktionsstammes in das Kultivationsmedium zuführt.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19503598A DE19503598A1 (de) | 1995-02-03 | 1995-02-03 | Verfahren zur fermentativen Herstellung von Propionsäure oder Buttersäure bzw. deren Salze |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19503598A DE19503598A1 (de) | 1995-02-03 | 1995-02-03 | Verfahren zur fermentativen Herstellung von Propionsäure oder Buttersäure bzw. deren Salze |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19503598A1 true DE19503598A1 (de) | 1996-08-08 |
Family
ID=7753138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19503598A Withdrawn DE19503598A1 (de) | 1995-02-03 | 1995-02-03 | Verfahren zur fermentativen Herstellung von Propionsäure oder Buttersäure bzw. deren Salze |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19503598A1 (de) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1078990A1 (de) * | 1999-08-25 | 2001-02-28 | Haarmann & Reimer Gmbh | Fermentatives Verfahren zur Gewinnung natürlicher, aliphatischer und Thiocarbonsäuren und Mikroorganismus dafür |
| EP1081229A1 (de) * | 1999-08-25 | 2001-03-07 | Haarmann & Reimer Gmbh | Fermentatives Verfahren zur Gewinnung natürlicher aromatischer, aliphatischer und Thiocarbonsäuren und Mikroorganismus dafür |
| TWI549934B (zh) * | 2014-07-08 | 2016-09-21 | 鼎唐能源科技股份有限公司 | 由含有丁酸的水性發酵液中製備丁醇的方法 |
| WO2019012108A1 (de) * | 2017-07-13 | 2019-01-17 | Horst Przuntek | Propion- und/oder buttersäure zur verwendung zur prophylaktischen und/oder unterstützenden therapeutischen behandlung von morbus parkinson |
| WO2019012137A1 (de) * | 2017-07-13 | 2019-01-17 | Horst Przuntek | Kombination aus propionsäure/buttersäure und fingolimod zur anwendung bei der behandlung von multipler sklerose |
| US11471432B2 (en) | 2015-10-19 | 2022-10-18 | Flexopharm Brain Gmbh & Co. Kg | Supporting immunomodulatory agent |
| US11602510B2 (en) | 2017-03-09 | 2023-03-14 | Flexopharm Brain Gmbh & Co. Kg | Agent for use in the treatment of dyslipidemia |
| US11865091B2 (en) | 2014-10-17 | 2024-01-09 | Flexopharm Brain Gmbh & Co. Kg | Supporting immunomodulatory agent |
-
1995
- 1995-02-03 DE DE19503598A patent/DE19503598A1/de not_active Withdrawn
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| WO2019012108A1 (de) * | 2017-07-13 | 2019-01-17 | Horst Przuntek | Propion- und/oder buttersäure zur verwendung zur prophylaktischen und/oder unterstützenden therapeutischen behandlung von morbus parkinson |
| WO2019012137A1 (de) * | 2017-07-13 | 2019-01-17 | Horst Przuntek | Kombination aus propionsäure/buttersäure und fingolimod zur anwendung bei der behandlung von multipler sklerose |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |