Mikrobielle Produktion von 3-Hydroxypropionaldehyd. Prozessentwicklung, Optimierung und Aufarbeitung

Ulmer, Christoph

Die Produktion von 3-Hydroxypropionaldehyd (3-HPA) aus Glycerin ist von großem industriellen Interesse, sowohl von der Rohstoff- als auch von der Produktseite her. Zum einen fällt Glycerin durch die verstärkte Biodieselproduktion aus Rapsöl in zunehmendem Maße als Abfallprodukt an und wird so zu einem günstigen und leicht zugänglichen Substrat. Zum anderen kann 3-HPA als Grundchemikalie verwendet werden, weil es relativ leicht in eine große Zahl von industriell interessanten Folgechemikalien wie Acrolein, 3-Hydroxypropionsäure, Acrylsäure, Malonsäure oder auch 1,3-Propandiol überführt werden kann. Seit einiger Zeit ist diese Substanz auch über einen biotechnologischen Prozess mit Klebsiella pneumoniae zugänglich, der sich die Vergärung von Glycerin zu 1,3-Propandiol zunutze macht und bei dem 3-HPA als Zwischenprodukt auftritt. Dabei wird zunächst Zellmasse mit Glycerin als Substrat angezogen. Diese setzt dann in einer zweiten Stufe, dem Biotransformationsschritt, weiteres Glycerin in Gegenwart von Semicarbazid (SEM) zu 3-HPA um. SEM fängt 3-HPA ab und verhindert so die Weiterreaktion zu 1,3-Propandiol. Im Zuge dieser Arbeit wurde sowohl die Zellmasseproduktion in der ersten Stufe als auch die Biotransformation in der zweiten Stufe optimiert. Für die Zellmasseproduktion lieferten sauerstofflimitierende Bedingungen die aktivsten Zellen. Durch eine geeignete Zufütterungsstrategie mit SEM und zusätzlicher Zugabe neuer Biomasse konnte die 3-HPA-Konzentration auf 54 g/l bei einer Ausbeute von 97 % (mol/mol) im Biotransformationsschritt gesteigert werden. Dies sind die höchsten bisher in der Literatur berichteten Werte. Es wurden mehrere Aufarbeitungsverfahren untersucht, wobei je nach weiterer Verwendung des 3-HPA unterschieden wurde. Für Synthesen, die direkt vom 3-HPA ausgehen, erwies sich die Verdrängungsreaktion von SEM mit Aceton aus dem SEM-3-HPA-Komplex mit einer Ausbeute von 84 % unter Wiedergewinnung des Semicarbazids als gut geeignet.

The production of 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) from glycerol is of high industrial interest as a new platform intermediate because it can be easily converted into a number of large scale commodity chemicals such as acrolein, 3-hydroxypropionic acid, acrylic acid, malonic acid, acrylamide and 1,3-propanediol. As a byproduct of the ever increasing production of biodiesel from rapeseed oil, glycerol is nowadays a very cheap and abundant substrate for the production of chemicals such as 3-HPA. In this work we studied the production of 3-HPA from bioconversion of glycerol in a two-stage process. In the first stage, active biomass is produced. The active biomass is then used for the production of 3-HPA in a second stage by biotransformation with the assistance of semicarbazide to trap 3-HPA from the biotransformation buffer. Within this work we optimized both the active biomass production in the first stage as well as the biotransformation step in the second stage. Most active biomass was obtained under oxygen limiting conditions in the first stage. By using a fed-batch process with proper feeding of semicarbazide and an active biomass supplement, we reached a final concentration of 54 g/l 3-HPA with a yield of 97 % (mol/mol) in the second stage. This represents the highest 3-HPA concentration and yield reported so far for the microbial production of 3-HPA from glycerol. Several downstream processes could be described and were distinguished according to the further use of 3-HPA. For syntheses based directly on 3-HPA the displacement reaction from semicarbazide with acetone from the semicarbazide-3-HPA-complex lead to a suitable yield of 84 %. Thus this biotechnological process for the production of 3-HPA could be developed decisively in view of an industrial application.

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Ulmer, Christoph: Mikrobielle Produktion von 3-Hydroxypropionaldehyd. Prozessentwicklung, Optimierung und Aufarbeitung. 2008.

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