DD295189A5 - Verfahren zur herstellung von sauerstoffderivaten des phenylethans - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffderivaten des Phenylethans mit einem Gehalt von einem bis zu drei Sauerstoffatomen in der Seitenkette durch Biotransformation. Das Ziel besteht darin, die Oxidation von Phenylethan, Styren bzw. niederen Oxidationsprodukten des Phenylethans mit solchen Mikroorganismen durchzufuehren, die die Synthese von nahezu allen denkbaren Sauerstoffderivaten des eingesetzten Aromaten erlaubt. Die erfinderische Loesung sieht die Verwendung von Methanol verwertenden, jedoch keine Methanmonooxigenase enthaltenen, daher kein Methan verwertenden Hefen der Art Candida boidinii, von Bakterien der Gattung Aerobacter oder Pseudomonas in Anwesenheit von 0,2 bis 12 g Methanol/1 vor.{Sauerstoffderivate; Oxidation; Synthese; Hefe; Phenylethan; Styren; Aromaten; Bakterien; Biotransformation; Mikroorganismen; Methanol}

Description

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Transformation von Alkylbenzenes insbesondere die von Styren

oder von Phenylethan mittels methylotropher Bakterien oder Hefen durchgeführt wM, die keine Methanmonooxigenaseenthalten, also nicht zuvor an Methan angepaßt worden sind bzw. überhaupt kein Methan verwerten können. Das geschiehtvorzugsweise in Anwesenheit von Methanol und im Vergleich zu anderen Verfahren unter Einsparung der Vorkultivierung aufMethan.

Als Methanol verwertende, Jedoch nicht Methan utilisierende Mikroorganismen sind z. B. Hefen der Art Candida boidinii,

acidophile Bakterien der Gattung Acetobacter methanolicus oder neutrophile Bakterien der Gattung Pseudomonas geeignet.

Die Alkylbenzentransformation wird in Anwesenheit von Methanol, einem pH-Wert von 2,5-5,5 bei acidophilen Stämmen oder

von 5,5-7,5 bei weniger acidophilen bzw. neutrophilen Stämmen und einer Temperatur von 30-50⁰C durchgeführt.

Unter diesen Bedingungen sind die angegebenen Mikroorganismen in der Lage, Styren und Phenylethan in die verschiedensten Sauerstoffderivate und wenig oxidierte Verbindungen in höher oxidierte Verbindungen umzuwandeln. Als Oxidationsprodukte

entstehen hierbei z. B. 1 - und 2-Phenylethanol, Phenylacetaldehyd, Acetophenon, Phenylessigsäure, Phenylglyoxal,

Mandelsäure, d. h. Verbindungen, die z. T. in der pharmazeutischen, insbesondere kosmetischen Industrie sowie bei der Herstellung von Pflanzenschutzmitteln eine wichtige Rolle spielen. Aus Styren werden darüber hinaus Styrenoxid und Styrenethylenglycol gebildet. Der prozentuale Anteil der genannten Produkte wird sowohl von den eingesetzten zu oxidierenden aromatischen Kohlenwasserstoffen als auch von den eingestellten Transformationsbedingungen wie der An· oder Abwesenheit einzelner Nährstoffe und auf diese oder andere bekannte Art aktivierten oder desaktivierten Fnzymen bestimmt. Die Blockierung von Enzymen durch bekannte Enzyminhibitoren kann zur Msximierung der Ausbeute von einzelnen Hauptprodukten führen. Im

einzelnen wird so verfahren, daß in einen Methanol verbrauchenden Fermentationsprozeß mit einem der genannten

Mikroorganismen und einer extracellulären Methanolkonzentration von 0,5 bis 10g Methenol/I Styren oder Ethylbenzen in Portionen von 0,5ml/l Fermenterinhalt eingetragen wird. Die Mikroorganismenkonzentration kann zwischen 1 und 50g BTS/I

betragen und die Styren bzw. Ethylbenzenkonzentration sollte vorteilhaft unter 0,5 g/l liegen.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert: Beispiel 1 In einem Rührkesselreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 21 wird eine diskontinuierliche Verhefung von Methanol

durchgeführt:

Temperatur ca. 32⁰C, pH = 4,5, pO₂ = 0-5ppm Als Methanol utilisierende Hefe wird Candida boidinii IMET M 131 verwendet. Ihre Startkonzentration beträgt 3 g HTS/kg, die Vorgabe an Methanol ca. 10 g/l. Das Kulturmedium enthielt bis auf den Stickstoff alle lebensnotwendigen Nährstoffe sowie Vitamine in Form eines geringen Anteils an Hefeextrakt, ausreichend für einen Zuwachs von 15g HTS/I. Die N-Versorgung der Hefe erfolgte autoregulativ über die

pH-Regelung mit NH₄OH. Die Fermentation wurde unter geschützten Bedingungen durchgeführt.

Nach der Auszehrung der Methanol vorlege wurden nochmals, und zwar insgesamt zweimal je 10g Methanol/l entsprechend

dem Verbrauch Wachstumssubstrat in den Fermentor gegeben. Im Ergebnis der Utilisation dieser Methanolmenge durch

Candida boidinii wurde eine Biomassekonzentration von ca. 11 g HTS/I erhalten. Anschließend wurde erneut eine Methanolmenge von 5g Methanol/l vorgelegt und über einon Zeitraum von 11 h eine Styrenmenge von 15 ml/l in Portionen von

0,5ml dosiert. Die Styrenmenge erfolgte in Abhängigkeit von d6r pOj-Anzeige. Nach der letzten Styrengabe wurde eine weiterehalbe Stunde transformiert und darauf der Fermentationsprozeß abgebrochen. Der Fermentorinhalt wurde mit 1 bis 2 % derwirksamen oberflächenaktiven Substanz Formen versetzt und separiert. Die Flüssigphase wurde mit Ethylacetat extrahiert, der

Extrakt mittels Natriumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel abdestilliert. In der aufkonzentrierten Extraktmenge von 2,2g

wurden mit Hilfe der GC und GC/MS die folgenden O-Derivate des Ethylbenzen ermittelt:

Styrenoxid, Styrenethylenglycol, 1- und 2-Phenylethanol, Acetophenon, Phenylacetaldehyd, Phenylessigsäure, Mandelsäure. Beispiel 2

Nahezu die gleiche Produktzusammensetzung - die beiden zuerst genannten Verbindungen ausgenommen - wurde in der Transformation von Ethylbenzen mit Hilfe der acidophilen Bakterienkultur Acetobacter methanolicus spec, bei analogen Kultivierungs- und Transformationsbedingungen erzielt. Es wurden hierbei in einem Zeitraum von 14 Stunden 15ml Ethylbenzen umgesetzt und eine Extraktmenge von 1,9g erhalten.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffderivaten des Phenylethans mit einem Gehalt von einem bis drei Sauerstoffatomen in der Seitenkette durch Biotransformation, dadurch gekennzeichnet, daß die Aromatenoxidation mit Hilfe Methanol verwertender jedoch keine Methanmonooxigenase enthaltenen, daher kein Methan verwertender, Mikroorganismen in Anwesenheit von Methanol durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als methylotrophe, kein Methan verwertenden Mikroorganismen Hefen, z. B. der Ait Candida boidini, oder Bakterien der Gattungen Aerobacter oder Pseudomonas eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biotransformation an Styren, Phenylethan bzw. an niederen Oxidationsprodukten des Phenylethans wie z. B. an Phenylethanolen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, daß die Aromatenoxidation in Anwesenheit von 0,2 bis 12g Methanol/l durchgeführt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffderivaten des Phenylethans mit einem Anteil von einem bis 3 Sauerstoffatomen in der Seitenkette durch mikrobielle Oxidation. Die Erfindung kann in kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Fermentationsprojessen realisiert werden.

Charakteristik der bekannten Lösungen

Es sind Verfahren zur mikrobiellen Oxidation der verschiedensten Benzenderivate bekannt. Es handelt sich hierbei überwiegend um die Herstellung von Epoxyden aus Styren (Idemitsu Kasan Co, Ltd., 1.6.78, JP-PS 8000033,; ICI, 297.81, DE-OS 3129935), von Hydroxyllerungsprodukten wia Phenole und Phenylethanole (Phizer Co. 1983, EP-PS 73134; ICI, 13.4.83, EP-PS 76606), von Ketonen (Idemitsu Kasan Co. Ltd., 5.1.80, JP-PS 8000 012; D. P. Cox, C. D. Goldsmith, 1979, Appl. Environ. Microbiol. 38 [3], 514-526) sowie um die Gewinnung verschiedener Carbonsäuren (Calanese Co. 18.1.84, EP-PS 98750; Hsieh, Jih Han, 10.1.82, US-PS 4608338; Horiguchi et. al., 18.8.82, JP-PS 61185192; Jigami, Yoshifumi et al., Agric. Biol. Chem. 1974,38 [2], 401-8). In der Regel werden Stämme wie auch Defektmutanten von Bakterien Hefen oder Pilze eingesetzt, die besondere Leistungen hinsichtlich einzelner Zielprodukte oder Produktgemischen aufweisen und die vor Wildstämmen bzw. Fremdorganismen geschützt und demzufolge unter sterilen Bedingungen kultiviert werden müssen. Vor allem mikrobielle Spezialisten erfordern zur Kultivierung zumeist einen großen Aufwand und besondere Verfahrensweisen, die oftmals zeitaufwendig sind. So werden nach einem Verfahren methylotrophe Bakterien zur Oxidation von aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen verwendet (IJ. Higgins, 22.4.82, DE-OS 3129935), die über mehrere Stufen präpariert, zunächst auf Methan kultiviert, dann auf Methanoldampf angepaßt, weiterhin gewaschen und anschließend indem Oxidationsprozeß eingesetzt werden. Die bei diesem Verfahren eingesetzten Mikroorganismen weisen entsprechend der Aktivität der Methanmonooxigenase eine relativ niedere Wachstumsgeschwindigkeit und Oxidationsrate auf. So beträgt nach einer Verfahrensvariante die Adaptionszeit an Methan 4-5 Tage, die Dauer der Kultivierung auf dieser Kohlenstoffquelle allein 7 Tage. Die an Methanol angepaßten, eine ϊ lethanmonooxigenase enthaltenen und daher Methan verwertenden Bakterien der Art Methylosinus, Trichosporium cder Methylococcus capsulatus werden bevorzugt zur Hydroxilierung verwendet. Sie sollen aber auch zur Epoxidierung von Styren sowie zur Synthese von Sauerstoffderivaten des Phenylethans im begrenzten Umfange eingesetzt werden können, wie ~:ur Gewinnung von 2-Phenylethanol, p-Hydroxyethylbenzen, Benzoesäure und Phenylessigsäure aus Ethylbenzen. Für die Synthese anderer Zielprodukte müssen andere Spezialisten eingesetzt werden, wobei sich die Kultivierungsbestimmungen und damit der technische und materielle Aufwand erheblich unterscheiden können, was bei einer Produktionsumstellung von ökonomischen Nachteil ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein mlkroblelles Verfahren mit dem es möglich ist, kostengünstig und insbesondere zeitsparend nahozu alle theoretisch ableitbaren Sauerstoffderivate des Phenylethans zu synthetisieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, das mittels geeigneter mikrobieller Biomasse und Prozeßführung erlaubt, durch Oxidation von Alkylbenzenen im Vergleich zu bekannten mikrobiellen Verfahren ein breites Spektrum an Sauerstoffderivaten des Phenyiethans zu erhalten.