DD218387A1 - Verfahren zur herstellung von glukonsaeure mittels bakterien - Google Patents

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Dietmar Miethe
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Karl Sattler
Hans-Peter Richter
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Rolf Dueresch
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrobiologisches Verfahren zur Herstellung von freier Glukonsaeure durch Oxydation von Glukose sowie zur Trennung von Glukose/Fruktose-Gemischen bei gleichzeitiger Gewinnung von Fruktose. Das Ziel besteht darin, ein kostenguenstiges und technologisch einfaches Verfahren zu entwickeln. Die Synthese wird katalysiert durch Verwendung acidophiler methylotropher Bakterien. Sie erfolgt unter unsterilen Bedingungen in einem p H-Bereich zwischen 6 bis 1, Neutralisation ist nicht erforderlich. Und da das Enzym konstitutiv ist, setzt die Oxydation sofort nach Zugabe der Glukose ein, was hoehere Raum-Zeit-Ausbeuten als fuer A. niger ermoeglicht. Die Produktivitaet betraegt bis 15 g h 1 l 1 und es werden Konzentrationen bis 310 g l 1 und Ausbeuten bis 97 % erreicht. Diese Werte sind auch mit Biomassekonzentrationen 5 g l 1 moeglich. Bei diesen geringen Biomassekonzentrationen eruebrigen sich - im Falle der Herstellung von Glukonsaeure fuer technische Zwecke - aufwendige Trennoperationen.

Description

- A-
Titel
Verfahren zur Herstellung von Glukonsäure mittels Bakterien
Anwendungsgebiete der Erfindung . .
Die Erfindung betrifft ein biotechnisches Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Glukonsäurelösung durch Oxydation von Glukose mit Hilfe von Bakterien«
Charakteristik der bekannten technischen lösungen
Glukonsäure kann im technischen Maßstab mikrobiell unter Verwendung von Schimmelpilzen oder Bakterien, biochemisch mit Hilfe immobilisierter Glucose-Oxidase (und Katalase) oder elektrochemisch durch Oxydation von Glukose hergestellt werden (s. H.J. Rehm: Industrielle Mikrobiologie, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-Hew York 1967). Die technische Herstellung von Glukonsäure, die gegenwärtig hauptsächlich in der lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie angewendet wird, erfolgt fast ausschließlich auf mikrobiellem V/ege, wobei meist Stämme von Aspergillus niger benutzt werden. Obwohl die Fähigkeit zur Oxydation von Glukose unter Bildung von Glukonsäure (und'H-O.) auch, bei Penicillien und Pullularien bekannt ist und verschiedene
«· 2 —
Aceto-, Gluconobacter- and Pseudomonas-Species Glukose ebenfalls in Glukonsäure umwandeln können, werden in technischen Verfahren Bakterien nicht eingesetzt (s. K. Yamada: Biotechn. Bioeng. 22 (1977) 1563; H.J. Rehm: Industrielle Mikrobiologie, Springer "Verlag, Berlin-Heidelberg-Iew York 1980).
Die bekannten mikrobiellen Verfahren zeichnen.sich dadurch aus, daß hohe Glukonsäurekonzentrationen and hohe Ausbeuten erreicht werden» Sie haben alle den lachteil, daß die Pro-
1G duktionskultur unter sterilen Bedingungen - und nur zum Zwecke der Glukoseoxydation - gewonnen werden und daß sowohl in der Wachstumsphase als auch in der ersten Produktbildungsphase ("Gärphase") - bis die Enzymsynthese abge- . schlossen ist - Sterilität gewahrt und der pH-Wert dur.ch Titration mit Aikali -oder Erdalkali-Hydroxid zwischen 6 und 7 konstant gehalten werden müssen (s. Patent DE-AS 1817 907). Diese Notwendigkeit zur Heutralisierung bedingt einen weiteren Uachteil insofern, als durch die damit eintretende Viskositätserhöhung erhebliche Schwierigkeiten für den weiteren technischen Prozeß (erhöhter Energieaufwand, Aufarbeitung usw.) entstehen (s. Patent DE-AS 1817 907)«
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Glukonsäure mit geringem technologischen Aufwand zu entwickeln·
Wesen der Erfindung ' .
Der Erfindung liegt die Aufgabe" zugrunde, Glukonsäure unter unsterilen Bedingungen, ohne neutralisation des Mediums während der Erzeugung des Produzenten und während der Produktbildung und ohne Induktionsphase für die Bildung des glükose-oxydierenden Enzyms, herzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß acidophile
methylotrophe Bakterien-Species, z.B. MB 5S IHET B 34-6, auf Methanol (oder Glukose) nach den für die SCP-Syntbese bekannten Verfahren kultiviert werden, wobei diese Bakterien ein glukose-oxy&ierendes Enzym synthetisieren. Diese Bakterienbiomasse kann als Eiweißquelle für I?utter- oder Kahrongszwecke verwendet werden und/oder als Produzent für Glukonsäure aus Glukose. Die Glukonsäurebildung kann entweder nach Separie'rung der erzeugten Biomasse vom Permentationsmedium in einer wäßrigen Glukoselösung vorgenommen werden, was den Vorteil hoher Reinheit des Produktes und geringer Aufarbeitungsoperationen hat, oder direkt nach Auszehren des Wachstumsmediums (z.B. Methanol, HH_) und Zugabe von Glukose im Permentationsmedium durchgeführt werden (Glukosekonzentration 5 bis 20 % )· letzteres bedingt , eine durch die nährlösung eingebrachte Verunreinigung mit Salzen. Da die Biomasse (Produzent) nach dem Cbemostat-Prinzip unter C-Limitation erzeugt wird, sind Verunreinigungen durch Intermediate des Stoffwechsels vernachlässigbar klein. Hinzu kommt, daß die Biomassekonzentration in· der Produktionsphase im Interesse hoher spez. Produktbildungsraten (bis 6g . h . g ) und Ausbeuten (bis 97 %) unter 5g· 1 gebalten werden kann. Dies ermöglicht - im Palle der Gewinnung von Glukonsäure für technische Zwecke, z.B. auch in der Waschmittelindustrie - einfachste Aufarbeitung; eine vorherige Abtrennung der Biomasse ist nicht notwendig. Die wäßrige Glukonsäurelösung (bis 310 g . 1~ ) kann durch bekannte Verfahren sofort konzentriert werden. Der Vorteil der Verwendung dieser Bakterien besteht darin, daß sie als Produzent für Glukonsäure unsteril, weil im
3P sauren pH-Bereich wachsend, auf Methanol als Kohlenstoff- und Energiequelle erzeugt werden können, daß die Produktbildung sofort, d.h. ohne Verzögerung und nicht mit der wie für Aspergillus niger notwendigen Induktionsphase für das glukose-oxydierende Enzym (s. Patent DE-AS 1817 907, · US-Patent 3 669 840) bei dem für das Wachstum optimalen pH-Wert, aber auch oberhalb pH 4 bis pH 6, nach Zugabe von
Glukose einsetzt, was im Vergleich zu den bekannten technischen Lösungen höhere lauin/Zeit-Ausbeuten ermöglicht (bis 15 g ♦ h"1 . l"*1)· Daß der pH-Bereich der Glukose-Oxy- ) dation den für das Wachstum dieser acidophiien Bakterien bei weitem, überschreitet, bedingt weitere Torteile· Die Produktbildung kann unsteril durchgeführt werden und neutralisation ist nicht erforderlich, und somit kann die bei den bekannten mikrobiologischen Verfahren, die Glukonsäure im wesentlichen als Glukonat produzieren, nachteilige Viskoaitätserhöhung umgangen werden.
Schließlich erübrigen sich für die Gewinnung von Glukonsäure für technische Zwecke wegen der zur Produktion notwendigen geringen Biomassekonzentration aufwendige Operationen zur Abtrennung· Die Produktion von Glukonsäure kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich durchgeführt werden·
Im Falle einer bestehenden SGP-Produktion auf der Basis dieser Bakterien ist eine enge Koppelung mit der Glukonsäureproduktion vorteilhaft insofern, als damit der Glukonsäureproduzent sofort zur Verfugung steht.
Weiterhin ist eine gleichzeitige Gewinnung von Fruktose und Glukonsäure aus Glukose/Fruktose-Gemischen durch selektive mikrob ie lie Oxydation des Glukoseanteils möglich. Die dabei erhaltene Glukonsäure kann nach Entfernung des Produzenten quantitativ von der im Medium verbleibenden Fruktose abgetrennt werden· Die verbleibende Fruktose kann nach bekannten Verfahren gewonnen oder ohne vorherige Abtrennung als Substrat für nachfolgende Produktsynthesen, wie beispielsweise zur Gewinnung von Citronensäure, Verwendung finden.
Ein mpLkrobieller Abbau der Fruktose ist auch nach erfolgtem quantitativen Umsatz der Glukose zu'Glukonsäure nicht zu beobachten· Im Gegensatz dazu erfolgt bei der elektrochemischen Oxydation von Glukose zu Glukonsäure in Gemischen von Glukose und Fruktose ein gleichzeitiger bzw. anschließender Abbau von Fruktose, was zwangsläufig mit erheblichen Ausbeuteverlusten an Fruktose verbunden ist (US 2 567 060, DE-OS 2 130 994, CH 631 428).
Sin weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bekannten Einsatz von Aspergillus niger bzw. Aerobacter aerogenes (US 2 949 389, Dalby, J. Mierobiol·. 1*733 - 42, 1955) besteht darin, daß keine Nebenprodukte gebildet werden*
Außer reiner Glukose bzw· Glukose/Fruktose-Gemisohen konnen zur Glukonsä.uretaerstellung glukosehaltige Lösungen, wie z.B. alle bei der Hydrolyse von pflanzlichen Produkten : (Cellulose, Stärke) anfallenden glucosehaltigen Zwischen- und Abprodukte verwendet werden·
ν '
Auaführungsbeispiele
Beispiel 1
Die zur Produktion von Glukonsäure verwendete Bakterienbiomasse MB 58 IHlT B 346 wird zentrifugiert, so daß man ein Konzentrat mit einem Feststoffgehalt von ca* 80 g/kg erhält. Mit diesem Bakterienkonzentrat werden in einem 12 1 Rührkesself ermenter 4 1 einer Glukose/Froktose-Eischung mit.jeweils 95 g Glukose and Fruktose im Liter angeimpft, so daß sich eine Zellkonzentration von '5 g/l ergibt· Anschließend ; wird dieses Medium bei 300C mit 10 1/1 · h belüftet und mit 900 U/min gerührt, Nach einer Fermentationsdauer.von 11 Stunden ist eine vollständige Oxydation der vorgegebenen Glukose zu Glukonsäure erfolgt und eine Säurekonzentration von 90,2 g, entsprechend einer Ausbeute von 95 % bezogen auf Glukose bei einer Produktivität von 8,2 g Säure/1 ♦ h erreicht. Während dieser Produktbildungsphase ist die aktuelle Sauerstoffkonzentration größer 10 % des Sättigungswertes zu halten*
Die Fruktose wird bei diesem Prozeß von den Mikroorganismen nicht angegriffen·
lach Abtrennung der Biomasse sowie der Glokonsäure kann die fruktosehaltige Mutterlauge entsprechend der Zielstellung weiter verarbeitet werden.
Beispiel 2
In einem 12 1 Rührkesselfermenter werden 3 1 Wasser und 1,2 1 eines Abproduktes aus einem Prozeß der Stärkehydrolyse gegeben, das einen Glukosegehalt von 44,5 % besitzt. Bach Zugabe der Bakteriensuspension von 5 g/l Fermentationsmedium wird analog Beispiel 1 verfahren, lach einer Fermentationsdauer von 14 Stunden ist eine Säurekonzentration von 135 g/l entsprechend einer Ausbeute von 81 % erreicht.
Die Entfernung der gebildeten Glukonsäure aus demFermentationsmedium kann nach den bekannten Methoden erfolgen.

Claims (2)

Erfindungsansprucfa
1· Verfahren zur Herstellung von Glukonsäure mittels Bakterien dadurch gekennzeichnet, daß in Glukose/Pruktose-Gemischen der GIukoseanteil mikrobiell zu Glukonsäure oxydiert wird und nach Abtrennen der Biomasse und der Glukonsäure die verbleibende Pruktose gewonnen wird oder ohne vorherige Abtrennung aus dem Permentationsmedium mikrobiell z· B, zu Citronensäure konvertiert wird·
2, Verfahren zur Herstellung von Glukonsäure mittels Bakterien dadurch gekennzeichnet,daß als Substrat alle bei der Hydrolyse von pflanzlichen Produkten (Stärke, Cellulose) anfallenden glukosehaltxgen Ab- und Zwischenprodukte eingesetzt werden·
DD25183983A 1983-06-09 1983-06-09 Verfahren zur gewinnung von gluconsaeure und fructose aus glucose/fructose gemischen mittels bakterien DD218387B1 (de)

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