DE3734764A1

DE3734764A1 - Verfahren zur herstellung von propandiol-(1,3)

Info

Publication number: DE3734764A1
Application number: DE19873734764
Authority: DE
Inventors: Khue Dr Tran-Dinh; Frank F Dr Hill
Original assignee: Huels AG; Chemische Werke Huels AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1987-10-14
Filing date: 1987-10-14
Publication date: 1989-05-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Propandiol (1,3) aus erneuerbaren Rohstoffen unter Verwendung von Mikroorganis 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.

Zur Herstellung von Propandiol-(1,3) kann Malonsäurediethylester hy driert werden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Geeignete Kohlenhydrate sind Pentosen und Hexosen wie beispielsweise Arabinose, Xylose, Glucose oder Mannose. Vorzugsweise wird Glucose eingesetzt.

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.

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.

Die Fermentation des Glycerins wird aerob, vorzugsweise unter vermin derter Belüftung, ausgeführt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Propandiol-(1,3) wird durch sein NMR-Spektrum sowie durch sein gaschromatographisches Verhalten identifiziert.

Beispiel

In einem 5-l-Fermenter werden 4 l Kulturbrühe gegeben, die pro Liter

6,64 g
K₂HPO₄
1,5 g	KH₂PO₄
3 g	(NH₄)₂SO₄
50 g	Glycerin
0,3 g	MgSO₄ · 7 H₂O
0,1 g	NaCl
0,058 g	CaCl₂ · 2 H₂O
0,022 g	FeSO₄ · 7 H₂O
0,003 g	MnSO₄ · H₂O
0,075 g	ZnSO₄ · 7 H₂O
5 g	Hefeextrakt
2,5 µmol	CoCl₂

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:

pH-Wert 5,5
Temperatur 30°C
Rührerdrehzahl 300 UpM
Belüftung mit 0,15 vvm Luft

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.

Nach Abtrennung der Zellen zeigt die Analyse, daß pro 100 g abgebautes Glycerin 63 g Propandiol-(1,3) gebildet worden sind.

Wird keine Glucose zugesetzt, werden pro 100 g abgebautes Glycerin le diglich 38 g Propandiol-(1,3) synthetisiert.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Propandiol-(1,3) in hohen Ausbeuten aus Glycerin unter Verwendung von Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß man Glycerin mit Hilfe von Klebsiella pneumoniae DSM 4270 in Gegenwart von mindestens einer Pentose oder Hexose und von Kobalt (II)-salzen unter aeroben Bedingungen fermentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart von Glucose fermentiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart von 0,01 bis 100 µM Kobalt (II)-salzen fermen tiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart von 0,05 bis 10 µM Kobalt (II)-chlorid fermen tiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentation bei 25 bis 35°C im pH-Bereich von 4 bis 7 durchführt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentation bei 30 bis 33°C durchführt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fermentation im pH-Bereich von 4,5 bis 6 durchführt.