JP2007289062A - Method for producing α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium using biocatalyst - Google Patents
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Abstract
【課題】ニトリラーゼ活性を有する生体触媒を用いて、高い生産性でα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造する方法の提供。
【解決手段】ニトリラーゼ活性を有する微生物菌体に由来する生体触媒を用いてα−ヒドロキシニトリルをα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムに変換するに際し、原料α−ヒドロキシニトリル水溶液に含まれる不純物アルデヒドの濃度を0〜3000重量ppmにコントロールすることを特徴とするα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
【選択図】なしProvided is a method for producing α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid with high productivity using a biocatalyst having nitrilase activity.
Impurity aldehyde contained in an aqueous solution of α-hydroxynitrile as a raw material when converting α-hydroxynitrile into α-hydroxyacid or α-hydroxyammonium ammonium using a biocatalyst derived from a microbial cell having nitrilase activity The manufacturing method of alpha-hydroxy acid or alpha-hydroxy acid ammonium characterized by controlling the density | concentration of 0 to 3000 ppm by weight.
[Selection figure] None
Description
本発明は、ニトリラーゼ活性を有する生体触媒を用いて、α−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid using a biocatalyst having nitrilase activity.
酵素活性を有する生体触媒を利用して目的の化合物を合成する方法は、反応条件が穏和であるため反応プロセスが簡略化できること、あるいは副生成物が少なく高純度の反応生成物を取得できる等の利点があるため、近年、様々な化合物の製造に用いられている。中でもニトリル化合物をカルボン酸或いはカルボン酸アンモニウムに変換する活性を持つニトリラーゼやニトリル化合物をカルボン酸アミドに変換する活性を持つニトリルヒドラターゼ等の加水分解酵素は、その特異的な反応挙動から、様々なカルボン酸或いはカルボン酸アンモニウム及びカルボン酸アミドの製造に用いる検討がなされている。 The method of synthesizing a target compound using a biocatalyst having enzyme activity can simplify the reaction process because the reaction conditions are mild, or can obtain a high-purity reaction product with few byproducts. Due to its advantages, it has recently been used in the production of various compounds. Among them, hydrolyzing enzymes such as nitrilase, which has the activity of converting nitrile compounds into carboxylic acids or ammonium carboxylates, and nitrile hydratase, which has the activity of converting nitrile compounds into carboxylic acid amides, have various reaction behaviors. Studies have been made on the production of carboxylic acids or ammonium carboxylates and carboxylic acid amides.
それらの中で、ニトリラーゼ活性を有する生体触媒を用いて、α−ヒドロキシニトリルをα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムに変換するα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法も数多く検討されている。例えばCorynebacterium属を用いてグリコール酸、乳酸、2−ヒドロキシイソ酪酸を製造する方法(特許文献1)、或いはRhodococcus属またはGordona属を用いてグリコール酸を製造する方法(特許文献2)、或いはAcidovorax属を用いてグリコール酸、2−ヒドロキシイソ酪酸を製造する方法(特許文献3)、或いはBrevibacterium属を用いて乳酸を製造する方法(特許文献4)、或いはPseudomonas属またはArthrobacter属またはAspergillus属またはPenicillium属またはCochliobolus属またはFusarium属を用いて乳酸、2−ヒドロキシイソ酪酸、2−ヒドロキシ−2−フェニルプロピオン酸、マンデル酸、を製造する方法(特許文献5)、或いはEnterobacter属またはArthrobacter属またはCaseobacter属またはBrevibacterium属またはAureobacterium属またはEscherichia属またはMicrococcus属またはStreptomyces属またはFlavobacterium属またはAeromonas属またはNocardia属またはMycoplana属またはCellulomonas属またはErwinia属またはCandida属またはPseudomonas属またはRhodococcus属またはBacillus属またはAlcaligenes属またはCorynebacterium属またはMyclobacterium属またはObsumbacterium属を用いてD-乳酸を製造する方法(特許文献6)、或いはGordona属を用いてL−3−フェニル乳酸、L−4−フェニル−2−ヒドロキシ酪酸、D−マンデル酸及びその誘導体を製造する方法(特許文献7)、Rhodococcus属またはAlcaligenes属またはBrevibacterium属またはPseudomonas属を用いてL−3−フェニル乳酸、L−4−フェニル−2−ヒドロキシ酪酸を製造する方法(特許文献8)、或いはRhodococcus属またはAlcaligenes属またはBrevibacterium属またはPseudomonas属を用いてL−3−フェニル乳酸、L−4−フェニル−2−ヒドロキシ酪酸を製造する方法(特許文献9)、或いはGordona属を用いてL−3−フェニル乳酸、D−マンデル酸及びその誘導体を製造する方法(特許文献10)、或いはPantoea属またはMicrococcus属またはBacteridium属またはBacillus属またはActinomadura属またはKitasatospora属またはPilimelia属またはAchromobacter属またはBeijerinckia属またはCelluslomonas属またはKlebsiella属またはActinopolispora属またはActinosynnema属またはActinopulanes属またはAmycolata属またはSaccharopolyspora属またはStreptomyces属またはNocardioides属またはProvindencia属またはMirobacterium属またはRhodobacter属またはRhodospirillum属またはCaceobcter属またはPseudomonas属またはAlcaligenes属またはCorynebaterium属またはBrevibacterium属またはNocardia属またはRhodococcus属またはArthrobacter属またはTorulopsis属またはRhodopseudomonas属またはAcinetobacter属またはMycobacterium属またはCandida属またはAgrobacterium属またはAspergillus属またはPenicillium属またはCochliobolus属またはFusarium属またはEnterobacter属またはXanthobacter属またはErwinia属またはCitrobacter属またはAeromonas属またはGordona属を用いて2−ヒドロキシ−4−メチルチオ酪酸を製造する方法(特許文献11)、或いはAlcaligenes属を用いて2−ヒドロキシ−4−メチルチオ酪酸を製造する方法(特許文献12)、或いはVarioovorax属またはArthrobacter属を用いて乳酸、2−ヒドロキシ−4−メチルチオ酪酸を製造する方法(特許文献13)、或いは或いはEscherichia属またはPseudomonas属またはAlcaligenes属を用いてR-マンデル酸、の製造方法(特許文献14)、或いはArthrobacter属を用いて2−ヒドロキシ−4−メチルチオ酪酸を製造する方法(特許文献15〜17)、或いはRhodococcus属を用いて2−ヒドロキシ−4−メチルチオ酪酸を製造する方法(特許文献18)、或いはCorynebacterium属を用いてマンデル酸を製造する方法(特許文献19)、或いはEnterobacter属またはArthrobacter属またはCaseobacter属またはBrevibacterium属またはAureobacterium属またはEschrichia属またはMicrococcus属またはStreptomyces属またはFlavobacterium属またはAeromonas属またはNocardia属またはMycoplana属またはCellulomonas属またはErwinia属またはCandida属またはPseudomonas属またはRhodococcus属またはBacillus属を用いてL−乳酸を製造する方法(特許文献20)、或いはAureobacterium属またはPseudomonas属またはCaseobacter属またはAlcaligenes属またはAcinetobacter属またはBrevibacterium属またはNocardia属を用いてR−マンデル酸及びその誘導体を製造する方法(特許文献21〜23)、Rhodococcus属を用いてR−マンデル酸を製造する方法(特許文献25、27)、或いはAlcaligenes属を用いてR−マンデル酸を製造する方法(特許文献26)、Alcaligenes属の由来のニトリラーゼ活性を有するポリペプチドをコードする遺伝子DNAをベクターに組み込んだ組み替え体DNAで形質転換された形質転換体を用いてR−マンデル酸を製造する方法(特許文献28)、或いはAlcaligenes属またはCorynebacterium属を用いてR−2−ヒドロキシ−4−フェニル酪酸を製造する方法(特許文献29)、或いはAcinetobacter属またはAlcaligenes属またはPseudomonas属またはRhodopseudomonas属またはCorynebacterium属またはBacillus属またはMycobacterium属またはRhodococcus属またはNocardia属またはArthrobacter属またはKlebsiella属またはCandida属を用いて3-(S)-tert.-ブトキシカルボニルアミノ-4-シクロヘキシル-2-(R)-ヒドロキシ酪酸を製造する方法(特許文献30)、或いはRhodococcus属またはPseudomonas属またはArthrobacter属またはBrevibacterium属を用いて2−ヒドロキシイソ酪酸を製造する方法(特許文献31)、或いはRhodococcus属を用いて2−ヒドロキシイソ酪酸を製造する方法(特許文献32)、或いはAchromobacter属を用いて2−ヒドロキシイソ酪酸を製造する方法(特許文献33)等が開示されている。 Among them, many methods for producing α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium which convert α-hydroxy nitrile into α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium using a biocatalyst having nitrilase activity have been studied. ing. For example, a method for producing glycolic acid, lactic acid, 2-hydroxyisobutyric acid using Corynebacterium genus (Patent Document 1), a method for producing glycolic acid using Rhodococcus genus or Gordona genus (Patent Document 2), or Acidovorax genus A method for producing glycolic acid, 2-hydroxyisobutyric acid using Pt (patent document 3), a method for producing lactic acid using Brevibacterium genus (patent document 4), Pseudomonas genus, Arthrobacter genus, Aspergillus genus or Penicillium genus Alternatively, a method for producing lactic acid, 2-hydroxyisobutyric acid, 2-hydroxy-2-phenylpropionic acid, mandelic acid using Cochliobolus genus or Fusarium genus (Patent Document 5), Enterobacter genus, Arthrobacter genus or Caseobacter genus or Brevibacterium or Aureobacterium or Escherichia or Micrococcus or Streptomyces or Flavobacterium A method for producing D-lactic acid using a genus, Aeromonas genus, Nocardia genus, Mycoplana genus, Cellulomonas genus, Erwinia genus, Candida genus, Pseudomonas genus, Rhodococcus genus, Bacillus genus, Alcaligenes genus, Corynebacterium genus, Myclobacterium genus or Obsumbacterium genus (Patent Document 6), or a method for producing L-3-phenyllactic acid, L-4-phenyl-2-hydroxybutyric acid, D-mandelic acid and derivatives thereof using Gordona genus (Patent Document 7), Rhodococcus genus or A method for producing L-3-phenyllactic acid, L-4-phenyl-2-hydroxybutyric acid using Alcaligenes genus, Brevibacterium genus or Pseudomonas genus (Patent Document 8), or Rhodococcus genus, Alcaligenes genus, Brevibacterium genus or Pseudomonas genus To produce L-3-phenyllactic acid and L-4-phenyl-2-hydroxybutyric acid (Patent Document 9), or a method for producing L-3-phenyllactic acid, D-mandelic acid and derivatives thereof using Gordona genus (Patent Document 10), or Pantoea genus, Micrococcus genus, Bacteridium genus, Bacillus genus or Actinomadura Genus or Kitasatospora genus or Pilimelia genus or Achromobacter genus or Beijerinckia genus or Celluslomonas genus or Klebsiella genus or Actinopolispora genus or Actinopsynnema genus or Actinopulanes genus or Amycolata genus or Streptomyces genus or Novinioides R Rhodospirillum or Caceobcter or Pseudomonas or Alcaligenes or Corynebaterium or Brevibacterium or Nocardia or Rhodococcus or Arthrobacter or Torulopsis or Rhodopseudomonas or Acinetobacter or Mycobacterium or Candida Alternatively, a method of producing 2-hydroxy-4-methylthiobutyric acid using Agrobacterium genus, Aspergillus genus, Penicillium genus, Cochliobolus genus, Fusarium genus, Enterobacter genus, Xanthobacter genus, Erwinia genus, Citrobacter genus, Aeromonas genus or Gordona genus (patent 11), or a method of producing 2-hydroxy-4-methylthiobutyric acid using Alcaligenes genus (Patent Document 12), or producing lactic acid, 2-hydroxy-4-methylthiobutyric acid using Variovororax genus or Arthrobacter genus Method (Patent Document 13), or production method of R-mandelic acid using Escherichia genus, Pseudomonas genus or Alcaligenes genus (Patent Document 14), or producing 2-hydroxy-4-methylthiobutyric acid using Arthrobacter genus Method (Patent Documents 15 to 17), or using a genus Rhodococcus, 2-hydroxy-4- A method for producing tilthiobutyric acid (Patent Document 18), a method for producing mandelic acid using Corynebacterium genus (Patent Document 19), an Enterobacter genus, Arthrobacter genus, Caseobacter genus, Brevibacterium genus, Aureobacterium genus, Eschrichia genus or Micrococcus A method for producing L-lactic acid using the genus or Streptomyces genus, Flavobacterium genus, Aeromonas genus, Nocardia genus, Mycoplana genus, Cellulomonas genus, Erwinia genus, Candida genus, Pseudomonas genus, Rhodococcus genus or Bacillus genus (Patent Document 20), Alternatively, a method for producing R-mandelic acid and derivatives thereof using Aureobacterium genus, Pseudomonas genus, Caseobacter genus, Alcaligenes genus, Acinetobacter genus, Brevibacterium genus or Nocardia genus (Patent Documents 21 to 23), and using Rhodococcus genus Method for producing mandelic acid (Patent Documents 25, 2 7) Or a method for producing R-mandelic acid using Alcaligenes genus (Patent Document 26), transformation with recombinant DNA in which a gene DNA encoding a polypeptide having nitrilase activity derived from Alcaligenes genus is incorporated into a vector A method for producing R-mandelic acid using the transformed transformant (Patent Document 28), or a method for producing R-2-hydroxy-4-phenylbutyric acid using Alcaligenes genus or Corynebacterium genus (Patent Document 29) Or 3- (S) -tert. Method for producing carbonylamino-4-cyclohexyl-2- (R) -hydroxybutyric acid (Patent Document 30), or Rhodococcus Alternatively, a method for producing 2-hydroxyisobutyric acid using Pseudomonas genus, Arthrobacter genus or Brevibacterium genus (Patent Document 31), a method for producing 2-hydroxyisobutyric acid using Rhodococcus genus (Patent Document 32), or Achromobacter A method for producing 2-hydroxyisobutyric acid using a genus (Patent Document 33) is disclosed.
これら先行文献に開示されたα−ヒドロキシ酸の製造方法においては、α−ヒドロキシニトリルを微生物触媒(ニトリラーゼ)で加水分解し、まずα−ヒドロキシ酸アンモニウムを得て、これを当業者によく知られている通常の方法、例えば酸による中和、イオン交換樹脂カラム、電気透析、熱分解等の方法により、遊離のα−ヒドロキシ酸を製造している。 In the methods for producing α-hydroxy acids disclosed in these prior documents, α-hydroxynitrile is hydrolyzed with a microbial catalyst (nitrilase) to obtain α-hydroxy acid ammonium first, which is well known to those skilled in the art. The free α-hydroxy acid is produced by a conventional method such as neutralization with an acid, ion exchange resin column, electrodialysis, thermal decomposition or the like.
しかしながら、前述の従来の技術では、用いている各種生体触媒の持つ加水分解酵素、つまりニトリラーゼがα−ヒドロキシニトリルに対して必ずしも工業的に満足できる初期比活性を有しておらず、自ずと平均生産速度も低くなり、リアクターサイズが非常に大きくなる等の問題を抱えており、更なるニトリラーゼ初期比活性の向上が求められていた。 However, in the above-mentioned conventional technology, the hydrolase of various biocatalysts used, that is, nitrilase does not necessarily have an initial specific activity that is industrially satisfactory with respect to α-hydroxynitrile. There are problems such as low speed and very large reactor size, and further improvement in the initial specific activity of nitrilase has been demanded.
例えば、前記特許文献1では、Corynebacterium属を用いて、乳酸アンモニウム平均生産速度が15.4mmol/g-乾燥菌体/Hrであることが記載されている。また、前記特許文献3では、Acidovorax属を用いて、グリコール酸アンモニウム平均生産速度が1.7mmol/g-乾燥菌体/Hrであることが記載されている。また、前記特許文献33では、Achromobacter属を用いて、2−ヒドロキシイソ酪酸アンモニウム平均生産速度が1.8mmol/g-乾燥菌体/Hrであることが記載されている。また、前記特許文献17では、Arthrobacter属を用いて、2−ヒドロキシ−4−メチルチオ酪酸平均生産速度が23.3mmol/g-乾燥菌体/Hr(35℃×18Hr)と低い値であることが記載されている。また、前記特許文献2では、Rhodococcus属またはGordona属を用いて、グリコール酸アンモニウム平均生産速度が18.5mmol/g-乾燥菌体/Hr(20℃×24Hr)と低い値であることが記載されている。これらの例は、いずれも工業的に満足できるレベルの平均生産速度を有しているとは言えない。 For example, Patent Document 1 describes that the average production rate of ammonium lactate is 15.4 mmol / g-dry cells / Hr using the genus Corynebacterium. Further, in Patent Document 3, it is described that the average production rate of ammonium glycolate is 1.7 mmol / g-dry cells / Hr using Acidovorax genus. Patent Document 33 describes that the average production rate of ammonium 2-hydroxyisobutyrate is 1.8 mmol / g-dry cells / Hr using the genus Achromobacter. In Patent Document 17, using Arthrobacter, the average production rate of 2-hydroxy-4-methylthiobutyric acid is as low as 23.3 mmol / g-dry cells / Hr (35 ° C. × 18 Hr). Are listed. In Patent Document 2, it is described that the average production rate of ammonium glycolate is 18.5 mmol / g-dry cells / Hr (20 ° C. × 24 Hr) using Rhodococcus or Gordona. ing. None of these examples have an average production rate that is industrially satisfactory.
このように初期生産速度及びまたは平均生産速度が低い理由として、一般的にα―ヒドロキシニトリルが水溶液中で対応するアルデヒドもしくはケトンと青酸に部分的に分解・解離(非特許文献1)し、青酸によって酵素活性が阻害されることが挙げられる。(非特許文献2)また、解離したアルデヒドの作用で酵素が短時間で失活する可能性も指摘されている。また、原料であるα−ヒドロキシニトリルは、一般的に対応するアルデヒド水溶液と青酸からアルカリ触媒によるシアンヒドリン化反応を経て合成されており、反応完結度を上げる観点から、どちらか一方を過剰にすることが好ましいため、アルデヒドか青酸のどちらかを微量な不純物として含む。よって、前述のα−ヒドロキシニトリルの部分的な分解・解離と同様の理由でニトリラーゼの初期活性を下げる要因となるため、該微量青酸或いはアルデヒドを低減することで初期活性の大幅な増加が期待される。このように、従来、前述のような青酸或いはアルデヒドによる阻害・失活の指摘はあったが、不純物として含まれる青酸或いはアルデヒドの低減がどこまで初期比活性を上げることができるのかについては、従来のα−ヒドロキシ酸の製造法に関する先行特許・文献には一切記述がなかった。 The reason for the low initial production rate and / or average production rate is generally that α-hydroxynitrile is partially decomposed and dissociated into the corresponding aldehyde or ketone and hydrocyanic acid in an aqueous solution (Non-patent Document 1). Can inhibit the enzyme activity. (Non-patent document 2) It has also been pointed out that the enzyme may be deactivated in a short time by the action of the dissociated aldehyde. In addition, α-hydroxynitrile as a raw material is generally synthesized from a corresponding aldehyde aqueous solution and hydrocyanic acid through a cyanhydrinating reaction with an alkali catalyst, and either one is excessive from the viewpoint of increasing the degree of reaction completion. Therefore, it contains either aldehyde or hydrocyanic acid as a trace amount of impurities. Therefore, since it causes the initial activity of nitrilase to decrease for the same reason as the partial decomposition / dissociation of α-hydroxynitrile described above, a significant increase in the initial activity is expected by reducing the trace amount of hydrocyanic acid or aldehyde. The As described above, there has been an indication of inhibition or inactivation by hydrocyanic acid or aldehyde as described above. However, to what extent the reduction of hydrocyanic acid or aldehyde contained as an impurity can increase the initial specific activity, There was no description in the prior patents and literatures relating to the production method of α-hydroxy acid.
また、グリコロニトリルに変換されるアルデヒド或いは青酸以外にも、原料中に含まれるアルデヒド或いはシアン化合物も、同様の阻害或いは失活を引き起こすことは十分に考えられるため、本発明の通り、該アルデヒド或いはシアン化合物の濃度を低減することで初期活性を挙げる効果が期待できる。 Further, in addition to the aldehyde or cyanuric acid converted to glycolonitrile, aldehyde or cyanide contained in the raw material is considered to cause similar inhibition or deactivation. Alternatively, the effect of increasing the initial activity can be expected by reducing the concentration of the cyanide compound.
つまり、工業的に充分な生産性を有するために必要な、実用的な反応時間と実用的なリアクターサイズで大量のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造できる、実質的に高いニトリラーゼ比活性を有する生体触媒を用いた工業的なα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法を達成するために、原料中の不純物として存在するシアン化合物或いはアルデヒドの定量的なコントロール技術がないのが実状である。 In other words, a substantially high nitrilase ratio that can produce a large amount of α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid with a practical reaction time and a practical reactor size necessary for industrially sufficient productivity. In order to achieve an industrial production method of α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid using an active biocatalyst, there is no quantitative control technique for cyanide or aldehyde present as impurities in the raw material. Is real.
本発明の課題は、ニトリラーゼ活性を有する微生物菌体由来の生体触媒を用いてα−ヒドロキシニトリル化合物からα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造するに当たり、実用的な反応時間と実用的なリアクターサイズで大量のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造を達成できる工業的なα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造法を提供することに有る。 An object of the present invention is to produce a practical reaction time and practical use in producing α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid from an α-hydroxy nitrile compound using a biocatalyst derived from a microbial cell having nitrilase activity. An object of the present invention is to provide an industrial production method of α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium capable of achieving production of a large amount of α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid with a reactor size.
本発明者らはニトリラーゼ活性を有する微生物菌体由来の生体触媒を用いてα−ヒドロキシニトリ化合物からα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造するに当たり、実用的な反応時間と実用的なリアクターサイズで大量のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造を達成できる、工業的α−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造法について鋭意検討を行ったところ、驚くべきことに原料に用いるα−ヒドロキシニトリルに含まれる不純物の中でも、アルデヒドとシアンイオンの濃度をコントロールすることで、従来にない高ニトリラーゼ初期比活性を発現させることができることを見つけ出し、本発明を完成するに至った。 In the production of α-hydroxy acids or ammonium α-hydroxyacids from α-hydroxynitrile compounds using biocatalysts derived from microbial cells having nitrilase activity, the present inventors have practical reaction times and practical reactors. As a result of intensive investigations on an industrial production method of α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid capable of achieving production of a large amount of α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid by size, it is surprisingly used as a raw material. Among the impurities contained in α-hydroxynitrile, it was found that by controlling the concentration of aldehyde and cyanide ion, an unprecedented high nitrilase initial specific activity can be expressed, and the present invention has been completed.
即ち本発明は、以下に記載する通りの構成を有する。
[1]ニトリラーゼ活性を有する微生物菌体に由来する生体触媒を用いてα−ヒドロキシニトリルをα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムに変換するに際し、原料α−ヒドロキシニトリル水溶液に含まれる不純物アルデヒドの濃度を0〜3000重量ppmにコントロールすることを特徴とするα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[2]ニトリラーゼ活性を有する微生物菌体に由来する生体触媒を用いてα−ヒドロキシニトリルをα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムに変換するに際し、原料α−ヒドロキシニトリル水溶液に含まれる不純物シアンイオン濃度を0〜5000重量ppmにコントロールすることを特徴とするα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[3]α−ヒドロキシニトリルをα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムに変換する反応の反応系中のpHを6以上8以下、且つ反応温度を30〜60℃にコントロールすることを特徴とする[1]、[2]記載のα−ヒドロキシ酸或いはα―ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[4]生体触媒が、アシネトバクター属に属する微生物菌体に由来する生体触媒であることを特徴とする[1]〜[3]記載のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[5]アシネトバクター属に属する微生物菌体が、アシネトバクター・エスピー(Acinetobacter sp.)AK226或いはアシネトバクター・エスピー(Acinetobacter sp.)AK227又はそれら菌体より誘導された微生物菌体であることを特徴とする[4]記載のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[6]アシネトバクター属に属する微生物菌体が、アシネトバクター・エスピー(Acinetobacter sp.)AK226又はそれら菌体より誘導された微生物菌体であることを特徴とする[5]記載のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[7]不純物アルデヒドが存在するα−ヒドロキシニトリル水溶液に一般式Mm(CN)n(MはH、NH4或いは金属元素を表し、m,nは整数を表す)で表されるシアン化合物を作用させて、該不純物アルデヒド濃度を低減させたα−ヒドロキシニトリル水溶液を原料に用いることを特徴とする[1]〜[6]記載のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[8]不純物シアン化合物が存在するα−ヒドロキシニトリル水溶液に該シアン化合物と等モル以上の対応するアルデヒドまたはケトンを作用させて、該不純物シアンイオン濃度を低減させたα−ヒドロキシニトリル水溶液を原料に用いることを特徴とする[1]〜[7]記載のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムの製造方法。
[9]原料として用いるα−ヒドロキシニトリルがグリコロニトリルである[1]〜[8]記載のグリコール酸或いはグリコール酸アンモニウムの製造方法。
That is, this invention has the structure as described below.
[1] When converting α-hydroxy nitrile to α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid using a biocatalyst derived from a microbial cell having nitrilase activity, impurities aldehyde contained in the raw material α-hydroxy nitrile aqueous solution A method for producing an α-hydroxy acid or an α-hydroxy acid ammonium, wherein the concentration is controlled to 0 to 3000 ppm by weight.
[2] Impurity cyanide contained in the raw material α-hydroxynitrile aqueous solution when α-hydroxynitrile is converted into α-hydroxyacid or α-hydroxyammonium ammonium using a biocatalyst derived from microbial cells having nitrilase activity A method for producing α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium, wherein the concentration is controlled to 0 to 5000 ppm by weight.
[3] The pH in the reaction system of the reaction for converting α-hydroxynitrile into α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium is controlled to 6 to 8 and the reaction temperature is controlled to 30 to 60 ° C. [1] A method for producing an α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium according to [2].
[4] The method for producing α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium according to [1] to [3], wherein the biocatalyst is a biocatalyst derived from a microbial cell belonging to the genus Acinetobacter.
[5] The microbial cell belonging to the genus Acinetobacter is Acinetobacter sp. AK226 or Acinetobacter sp. AK227 or a microbial cell derived from these cells [ 4] The production method of α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium according to [4].
[6] The α-hydroxy acid or α according to [5], wherein the microbial cell belonging to the genus Acinetobacter is Acinetobacter sp. AK226 or a microbial cell derived from these cells. -Method for producing ammonium hydroxy acid.
[7] A cyan compound represented by the general formula M m (CN) n (M represents H, NH 4 or a metal element, and m and n represent integers) in an α-hydroxy nitrile aqueous solution containing an impurity aldehyde. The method for producing α-hydroxy acid or α-hydroxyammonium ammonium according to [1] to [6], wherein an α-hydroxynitrile aqueous solution with reduced impurity aldehyde concentration is used as a raw material.
[8] Using an α-hydroxynitrile aqueous solution in which the impurity cyanide concentration is reduced by allowing an equivalent aldehyde or ketone equivalent to or more moles of the cyanide to act on the α-hydroxynitrile aqueous solution containing the impurity cyanide compound. A method for producing an α-hydroxy acid or an α-hydroxy acid ammonium according to any one of [1] to [7].
[9] The method for producing glycolic acid or ammonium glycolate according to [1] to [8], wherein the α-hydroxynitrile used as a raw material is glycolonitrile.
本発明の方法によれば、ニトリラーゼ活性を有する微生物菌体由来の生体触媒を用いて、実用的な反応時間と実用的なリアクターサイズでα−ヒドロキシニトリル化合物から大量のα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造することができる。 According to the method of the present invention, using a biocatalyst derived from a microbial cell having nitrilase activity, a large amount of α-hydroxy acid or α-hydroxy acid is converted from an α-hydroxynitrile compound with a practical reaction time and a practical reactor size. Ammonium hydroxy acid can be produced.
以下本発明について具体的に説明する。
本発明で言うニトリラーゼ活性を有する微生物菌体に由来する生体触媒とは、ニトリル基をカルボン酸或いはカルボン酸アンモニウム基へ直接変換する能力を有する微生物菌体由来のニトリラーゼ酵素を保有する触媒であれば如何なる形態のものでもよい。
The present invention will be specifically described below.
The biocatalyst derived from a microbial cell having nitrilase activity referred to in the present invention is a catalyst having a nitrilase enzyme derived from a microbial cell having the ability to directly convert a nitrile group into a carboxylic acid or an ammonium carboxylate group. Any form may be used.
微生物種としては多くのものが知られているが、例えばニトリラーゼ高活性を有するものとして、Rhodococcus属、Acinetobacter属、Alcaligenes属、Pseudomonas属、Corynebacterium属等が挙げられる。本発明においてはこれらの中でも、特にグラム陰性菌であるAcinetobacter属、Alcaligenes属が好ましく、更に好ましくはAcinetobacte属がよい。具体的にはAcinetobacter sp.AK226(FERM BP-08590)、Acinetobacter sp.AK227(FERM- BP-08591)である。これらの菌株は、特開2005−176639、特開2004−305066、特開2004−305058、特開2004−305062、特開2001−299378、特開平11−180971、特開平06−303991、特開昭63−209592、特公昭63−2596号公報等に記載されている。 Many microbial species are known. Examples of those having high nitrilase activity include Rhodococcus genus, Acinetobacter genus, Alcaligenes genus, Pseudomonas genus, Corynebacterium genus and the like. Of these, the genus Acinetobacter and Alcaligenes, which are gram-negative bacteria, are particularly preferred in the present invention, and more preferably the genus Acinetobacte. Specifically, Acinetobacter sp. AK226 (FERM BP-08590) and Acinetobacter sp. AK227 (FERM-BP-08591). These strains are disclosed in JP-A No. 2005-17639, JP-A No. 2004-305066, JP-A No. 2004-305058, JP-A No. 2004-305062, JP-A No. 2001-299378, JP-A No. 11-180971, JP-A No. 06-303991, and JP-A No. 63-209592, and Japanese Examined Patent Publication No. 63-2596.
また例えば、天然の或いは人為的に改良したニトリラーゼ遺伝子を遺伝子工学的手法によって組み込んだ微生物、或いはそこから取り出したニトリラーゼ酵素であっても構わないが、ニトリラーゼの発現量が少ない微生物或いはα−ヒドロキシニトリルからα−ヒドロキシ酸アンモニウムへの変換活性の低いニトリラーゼを発現した微生物を少量用いてα−ヒドロキシ酸(アンモニウム)を製造するには、より多くの反応時間を要するため、可能な限りニトリラーゼを高発現した微生物、及びまたは変換活性の高いニトリラーゼを発現した微生物、或いはそこから取り出したニトリラーゼ酵素を用いることが望ましい。 Further, for example, it may be a microorganism in which a natural or artificially improved nitrilase gene is incorporated by a genetic engineering technique, or a nitrilase enzyme extracted therefrom, but a microorganism having a low nitrilase expression level or α-hydroxynitrile To produce α-hydroxy acid (ammonium) using a small amount of microorganisms expressing nitrilase with low conversion activity from ammonium to α-hydroxy acid ammonium, more reaction time is required. It is desirable to use microorganisms that have been isolated and / or that have expressed nitrilase with high conversion activity, or nitrilase enzymes that have been removed therefrom.
生体触媒の形態としては微生物細胞を休眠状態でそのまま使用しても構わないし、或いは破砕処理したもの、または該微生物細胞から必要なニトリラーゼ酵素を取り出したものをそのまま使用しても構わないし、一般的な包括法、架橋法、担体結合法等で固定化したものを使用してもよい。尚、固定化担体の例としては、ガラスビーズ、シリカゲル、ポリウレタン、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、カラギーナン、アルギン酸、光架橋樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 As a form of the biocatalyst, microbial cells may be used as they are in a dormant state, or those obtained by crushing treatment, or those obtained by removing the necessary nitrilase enzyme from the microbial cells may be used as they are. Those fixed by a comprehensive method, a crosslinking method, a carrier binding method or the like may be used. Examples of the immobilization carrier include, but are not limited to, glass beads, silica gel, polyurethane, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, carrageenan, alginic acid, and photocrosslinking resin.
微生物をそのまま用いる場合、水(蒸留水及びまたはイオン交換水)のみに懸濁させても構わないが、通常、ニトリラーゼ活性の長期保持の観点から無機塩のバッファー液に懸濁させて使用する。また、固定化したものを用いる場合にも同じく、通常、バッファー液に懸濁させて使用する。この時のバッファー液濃度は、反応液中の不純物低減の観点から低ければ低いほどよいが、生体触媒の安定性、ニトリラーゼ活性の保持の観点からは通常0.1M未満であり、好ましくは0.01〜0.08M、より好ましくは0.02〜0.06Mである。 When microorganisms are used as they are, they may be suspended only in water (distilled water and / or ion-exchanged water), but they are usually suspended in an inorganic salt buffer solution from the viewpoint of long-term retention of nitrilase activity. Similarly, when an immobilized product is used, it is usually used after being suspended in a buffer solution. The buffer solution concentration at this time is preferably as low as possible from the viewpoint of reducing impurities in the reaction solution, but it is usually less than 0.1 M from the viewpoint of biocatalytic stability and retention of nitrilase activity, and preferably is 0.1. It is 01-0.08M, More preferably, it is 0.02-0.06M.
本発明で言うα−ヒドロキシニトリルとは、一般式[I]:RCH(OH)CN(式中Rは水素原子、置換基を有してもよいC1〜C6のアルキル基、置換基を有してもよいC2〜C6のアルケニル基、置換基を有してよいC1〜C6アルコキシル基、置換基を有してもよいアリール基、置換基を有してもよいアリールオキシ基又は置換基を有してもよい複素環基を示す。)で表されるα−ヒドロキシニトリルを言い、例えば、マンデロニトリル、アセトンシアンヒドリン、グリコロニトリル、ラクトニトリル、2−ヒドロキシ−4−メチルチオンブチロニトリル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The α-hydroxynitrile referred to in the present invention is a compound represented by the general formula [I]: RCH (OH) CN (wherein R has a hydrogen atom, a C1-C6 alkyl group which may have a substituent, and a substituent. C2-C6 alkenyl group which may have, C1-C6 alkoxyl group which may have a substituent, aryl group which may have a substituent, aryloxy group which may have a substituent or a substituent An a-hydroxy nitrile represented by, for example, mandelonitrile, acetone cyanohydrin, glycolonitrile, lactonitrile, 2-hydroxy-4-methylthione butyronitrile. However, it is not limited to these.
本発明で言う不純物アルデヒドとは、原料α−ヒドロキシニトリル中に含まれる全てのアルデヒドのことである。最も多く存在することが予想されるアルデヒドは、該α−ヒドロキシニトリルに変換される時に残存した該α−ヒドロキシニトリルに対応するアルデヒドであり、具体的にはホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド等の脂肪族アルデヒド、或いはベンズアルデヒド等の芳香族アルデヒド等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、該α−ヒドロキシニトリルに変換されないが、存在することが予想されるものとしては、酵素固定化用の架橋剤に使われるグルタルアルデヒド等が挙げられる。 The impurity aldehyde referred to in the present invention refers to all aldehydes contained in the raw material α-hydroxynitrile. Aldehydes that are expected to be most abundant are aldehydes corresponding to the α-hydroxynitrile remaining when converted to the α-hydroxynitrile, specifically, aliphatics such as formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, and the like. Examples include aldehydes and aromatic aldehydes such as benzaldehyde, but are not limited thereto. In addition, examples of those which are not converted into the α-hydroxynitrile but are expected to exist include glutaraldehyde used as a crosslinking agent for enzyme immobilization.
本発明においては、α−ヒドロキシニトリルに含まれる不純物アルデヒドの濃度が非常に重要なファクターである。アルデヒド濃度が高すぎると該アルデヒドが引き起こすニトリラーゼ酵素の阻害或いは失活による初期比活性の低下が顕著となるため、結果として初期生産速度及びまたは平均生産速度の低下を引き起こす。よって、本発明における原料α−ヒドロキシニトリル水溶液中の不純物アルデヒドの濃度は0〜3000重量ppmが必須であり、好ましくは0〜2000重量ppm、より好ましくは0〜1000重量ppm、更に好ましくは0〜500重量ppm、最も好ましくは全く含まれないのがよい。 In the present invention, the concentration of the impurity aldehyde contained in α-hydroxynitrile is a very important factor. If the aldehyde concentration is too high, the initial specific activity decreases due to inhibition or inactivation of the nitrilase enzyme caused by the aldehyde, resulting in a decrease in the initial production rate and / or the average production rate. Therefore, the concentration of the impurity aldehyde in the raw material α-hydroxynitrile aqueous solution in the present invention is essentially 0 to 3000 ppm by weight, preferably 0 to 2000 ppm by weight, more preferably 0 to 1000 ppm by weight, and still more preferably 0 to 500 ppm by weight, most preferably not included at all.
本発明においては、不純物アルデヒドが多く存在するα−ヒドロキシニトリル水溶液については、一般式Mm(CN)n(MはH或いはNH4或いはNa,K等のアルカリ金属或いはCa,Mg等のアルカリ度類金属或いはFe等のその他金属を表し、m,nは整数を表す)で表されるシアン化合物を作用させて、該不純物アルデヒド濃度を低減させることができる。通常、この操作はアルデヒドまたはケトンと青酸を原料に行われるシアンヒドリン化反応と同一条件で実施することができる。具体的には、反応液のpHと温度を適度な範囲にコントロールしながら、α−ヒドロキシニトリル水溶液中の不純物アルデヒドと等モル以下のシアン化合物を該不純物アルデヒドと反応せしめ、α−ヒドロキシニトリルに転化させることで、不純物アルデヒドの低減を図るものである。その場合、pH及びまたは温度が高すぎると、原料α−ヒドロキシニトリルの分解反応を促進することとなり、遊離青酸の気相部へ拡散や、青酸の重合に起因する着色が激しくなり好ましくない。よって、必ずしも限定されるものではないが、pHは2〜5で実施するのが好ましく、より好ましくは3〜4で実施するのがよい。また、反応温度についても、必ずしも限定されるものではないが、10〜50℃で実施するのが好ましく、より好ましくは20〜40℃で実施するのがよい。 In the present invention, the α-hydroxynitrile aqueous solution containing a large amount of impurity aldehydes has a general formula M m (CN) n (M is an alkali metal such as H, NH 4, Na, K or the like, or an alkalinity such as Ca, Mg, etc. The impurity aldehyde concentration can be reduced by the action of a cyanide compound represented by the following formula: metal or other metal such as Fe, where m and n represent integers. Usually, this operation can be carried out under the same conditions as the cyanohydrination reaction carried out using aldehyde or ketone and hydrocyanic acid as raw materials. Specifically, while controlling the pH and temperature of the reaction solution within an appropriate range, the impurity aldehyde in the α-hydroxynitrile aqueous solution and an equimolar amount or less of the cyanide compound are reacted with the impurity aldehyde and converted to α-hydroxynitrile. By doing so, the impurity aldehyde is reduced. In this case, if the pH and / or temperature is too high, the decomposition reaction of the raw material α-hydroxynitrile is promoted, so that diffusion of free hydrocyanic acid into the gas phase part and coloring due to polymerization of hydrocyanic acid become violent. Therefore, although not necessarily limited, the pH is preferably 2 to 5, more preferably 3 to 4. The reaction temperature is not necessarily limited, but it is preferably 10 to 50 ° C, more preferably 20 to 40 ° C.
本発明で言う不純物シアン化合物とは、原料α−ヒドロキシニトリル中に含まれる全てのシアン化合物のことである。最も多く存在することが予想されるシアン化合物は、該α−ヒドロキシニトリルに変換される時に残存した青酸である。また、反応液中にアルカリ金属イオン等が存在すると、シアンイオン或いはシアン化ナトリウム、シアン化カリウム等の形で存在する場合もある。 The impurity cyanide compound referred to in the present invention is all cyanide compounds contained in the raw material α-hydroxynitrile. The cyanide compound that is expected to be most abundant is hydrocyanic acid remaining when converted to the α-hydroxynitrile. In addition, when an alkali metal ion or the like is present in the reaction solution, it may be present in the form of cyan ion or sodium cyanide or potassium cyanide.
本発明においては、α−ヒドロキシニトリルに含まれる不純物シアンイオン濃度が非常に重要なファクターである。シアンイオン濃度が高すぎると該シアンイオン及びまたはその重合物が引き起こすニトリラーゼ酵素の阻害或いは失活による初期比活性の低下が顕著となるため、結果として初期生産速度及びまたは平均生産速度の低下を引き起こす。よって、本発明における原料α−ヒドロキシニトリル水溶液中の不純物シアンイオン濃度は、0〜5000重量ppmが必須であり、好ましくは0〜1000重量ppm、より好ましくは0〜100重量ppm、更に好ましくは0〜50重量ppm、もっと好ましくは0〜10重量ppm、最も好ましくは全く含まれないのがよい。 In the present invention, the impurity cyanide concentration contained in α-hydroxynitrile is a very important factor. If the cyanide ion concentration is too high, the initial specific activity decreases due to the inhibition or inactivation of the nitrilase enzyme caused by the cyanide ion and / or its polymer, resulting in a decrease in the initial production rate and / or the average production rate. . Therefore, the impurity cyanide concentration in the raw material α-hydroxynitrile aqueous solution in the present invention is indispensable to be 0 to 5000 ppm by weight, preferably 0 to 1000 ppm by weight, more preferably 0 to 100 ppm by weight, and still more preferably 0. ˜50 ppm by weight, more preferably 0-10 ppm by weight, most preferably none.
本発明においては、不純物シアンイオン濃度が5000重量ppmより多く存在するα−ヒドロキシニトリル水溶液については、対応するアルデヒドまたはケトンを作用させて、該不純物シアンイオン濃度を低減させることができる。ここで言う対応するアルデヒドまたはケトンとは、青酸とのシアンヒドリン化反応で、該α−ヒドロキシニトリルを合成しうるアルデヒドまたはケトンのことを指す。通常、この操作はアルデヒドまたはケトンと青酸を原料に行われるシアンヒドリン化反応と同一条件で実施することができる。具体的には、反応液のpHと温度を適度な範囲にコントロールしながら、α−ヒドロキシニトリル水溶液中の不純物シアンイオンと等モル以上のアルデヒドまたはケトンを該不純物シアンイオンと反応せしめ、α−ヒドロキシニトリルに転化させることで、不純物シアンイオンの低減を図るものである。その場合、pH及びまたは温度が高すぎると、原料α−ヒドロキシニトリルの分解反応を促進することとなり、遊離青酸の気相部へ拡散や、青酸の重合に起因する着色が激しくなり好ましくない。よって、必ずしも限定されるものではないが、pHは2〜5で実施するのが好ましく、より好ましくは3〜4で実施するのがよい。また、反応温度についても、必ずしも限定されるものではないが、10〜50℃で実施するのが好ましく、より好ましくは20〜40℃で実施するのがよい。 In the present invention, the α-hydroxy nitrile aqueous solution having an impurity cyan ion concentration of more than 5000 ppm by weight can be reacted with a corresponding aldehyde or ketone to reduce the impurity cyan ion concentration. The corresponding aldehyde or ketone as used herein refers to an aldehyde or ketone capable of synthesizing the α-hydroxynitrile by a cyanohydrination reaction with hydrocyanic acid. Usually, this operation can be carried out under the same conditions as the cyanohydrination reaction carried out using aldehyde or ketone and hydrocyanic acid as raw materials. Specifically, while controlling the pH and temperature of the reaction solution within an appropriate range, an impurity cyan ion in an α-hydroxy nitrile aqueous solution and an equimolar amount or more of aldehyde or ketone are reacted with the impurity cyan ion, and α-hydroxy By converting to nitrile, the impurity cyan ion is reduced. In this case, if the pH and / or temperature is too high, the decomposition reaction of the raw material α-hydroxynitrile is promoted, so that diffusion of free hydrocyanic acid into the gas phase part and coloring due to polymerization of hydrocyanic acid become violent. Therefore, although not necessarily limited, the pH is preferably 2 to 5, more preferably 3 to 4. The reaction temperature is not necessarily limited, but it is preferably 10 to 50 ° C, more preferably 20 to 40 ° C.
本発明で言う初期比活性とは、反応温度30℃、pH=6.5〜7.0、反応基質濃度:1wt%の反応条件で、生体触媒リン酸バッファー懸濁液にα−ヒドロキシニトリル水溶液を添加することで反応を開始し、反応開始から5分におけるα−ヒドロキシ酸アンモニウム生産モル量を使用乾燥生体触媒重量で除し、更に反応時間(5分=1/12時間)で除することにより得られる、乾燥生体触媒重量当たり、1時間当たりのα−ヒドロキシ酸アンモニウム生産量と定義する。但し、菌体使用量はα−ヒドロキシニトリル転化率が15〜30%になるように調整するものとする。 In the present invention, the initial specific activity is a reaction temperature of 30 ° C., pH = 6.5-7.0, reaction substrate concentration: 1 wt%, and α-hydroxynitrile aqueous solution in biocatalyst phosphate buffer suspension. Is added, and the molar amount of α-hydroxyammonium produced in 5 minutes from the start of the reaction is divided by the weight of the dry biocatalyst used and further divided by the reaction time (5 minutes = 1/12 hours). Is defined as the amount of α-hydroxy acid ammonium produced per hour per dry biocatalyst weight. However, the amount of cells used should be adjusted so that the conversion rate of α-hydroxynitrile is 15 to 30%.
本発明における初期生産速度は、任意の反応条件で、生体触媒懸濁液にα−ヒドロキシニトリル水溶液を連続的或いは間欠的に添加する事で反応を開始し、反応開始から1時間におけるα−ヒドロキシ酸アンモニウム生産モル量を使用乾燥生体触媒重量で除することにより得られる、乾燥生体触媒重量当たり、1時間当たりのα−ヒドロキシ酸アンモニウム生産量と定義する。本発明においては、該初期生産速度が32[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、好ましくは50[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、より好ましくは100[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、更に好ましくは200[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、最も好ましくは300[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上がよい。 The initial production rate in the present invention is such that the reaction is started by continuously or intermittently adding an α-hydroxynitrile aqueous solution to the biocatalyst suspension under any reaction conditions, and the α-hydroxy in 1 hour from the start of the reaction. It is defined as the amount of ammonium α-hydroxy acid produced per hour per dry biocatalyst weight obtained by dividing the ammonium acid production molar amount by the dry biocatalyst weight used. In the present invention, the initial production rate is 32 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more, preferably 50 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more, more preferably 100 [mmol / g-dry. Biocatalyst / Hr] or more, more preferably 200 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more, and most preferably 300 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more.
本発明における平均生産速度は、任意の反応条件で、生体触媒懸濁液にα−ヒドロキシニトリル水溶液を連続的或いは間欠的に添加する事で反応を開始し、生成物であるα−ヒドロキシ酸アンモニウム蓄積濃度が高くなるにつれて引き起こされる活性低下の結果、生産速度が初期生産速度の1/2に低下した時点までの時間平均の生産速度のことであり、その時点までのα−ヒドロキシ酸アンモニウムの生産モル量を反応時間で除することにより得られる。本発明における平均生産速度は、16[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上が必須であり、好ましくは32[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、より好ましくは50[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、更に好ましくは100[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上、最も好ましくは150[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]以上がよい。 The average production rate in the present invention is that the reaction is started by continuously or intermittently adding an α-hydroxynitrile aqueous solution to the biocatalyst suspension under any reaction conditions, and the product is an α-hydroxyacid ammonium salt. As a result of the decrease in activity caused as the accumulated concentration increases, this is the time-average production rate up to the point when the production rate is reduced to half of the initial production rate. Production of ammonium α-hydroxy acid up to that point It is obtained by dividing the molar amount by the reaction time. The average production rate in the present invention must be 16 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more, preferably 32 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more, more preferably 50 [mmol / g. -Dry biocatalyst / Hr] or more, more preferably 100 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more, and most preferably 150 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr] or more.
反応液のpHは、1)使用する生体触媒のニトリラーゼ比活性の至適pHと2)基質α−ヒドロキシニトリルのHCNとアルデヒド或いはケトンへの分解抑制の観点から決定される。1)については、α−ヒドロキシニトリル以外のニトリルの加水分解活性挙動よりpH=7〜11のアルカリ性領域がよいと推定されるが、2)の観点からは、pH=2程度の酸性領域がよいことが判っている。本発明においては反応液のpHは6〜8がよく、好ましくは6.5〜7がよい。 The pH of the reaction solution is determined from the viewpoint of 1) the optimum pH of the nitrilase specific activity of the biocatalyst used and 2) the suppression of decomposition of the substrate α-hydroxynitrile into HCN and aldehyde or ketone. Regarding 1), it is estimated that the alkaline region of pH = 7 to 11 is good from the hydrolysis activity behavior of nitriles other than α-hydroxynitrile, but from the viewpoint of 2), the acidic region of pH = 2 is good. I know that. In the present invention, the pH of the reaction solution is preferably 6 to 8, and preferably 6.5 to 7.
原料であるα−ヒドロキシニトリルは非常に不安定な物質であるため、通常、安定剤として硫酸やリン酸或いは酢酸といった酸成分を含む。よって、反応系中のpHを調整するには反応系へのアルカリの添加が必須となる。その場合使用するアルカリは反応に影響を及ぼさなければ特に限定されないが、生成物の一つであるアンモニアを使用するのが望ましい。アンモニアの形態はガスであっても、アンモニア水であっても構わないが、通常、扱いの容易さからアンモニア水が望ましい。 Since α-hydroxynitrile as a raw material is a very unstable substance, it usually contains an acid component such as sulfuric acid, phosphoric acid or acetic acid as a stabilizer. Therefore, in order to adjust the pH in the reaction system, it is essential to add an alkali to the reaction system. In this case, the alkali used is not particularly limited as long as it does not affect the reaction, but it is desirable to use ammonia as one of the products. The form of ammonia may be a gas or ammonia water, but ammonia water is usually desirable for ease of handling.
反応温度については、反応温度が低すぎると反応活性が低くなり、高濃度のα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造する場合、より多くの反応時間を要する。一方、反応温度が高すぎると生体触媒の熱劣化で、目的とするα−ヒドロキシ酸アンモニウムの濃度が高い場合、該濃度まで到達させることが困難となり、結果として新たな生体触媒の追添等の処置が必要となり触媒コストが高くなる。また、温度が高すぎると、基質α−ヒドロキシニトリルの青酸とアルデヒド或いはケトンへの分解促進にも繋がり、それらによる反応阻害や失活等、ますますの反応活性低下を引き起こす。よって、通常、反応温度は30〜60℃がよく、好ましくは40〜50℃がよい。 About reaction temperature, when reaction temperature is too low, reaction activity will become low, and more reaction time is required when manufacturing high concentration ammonium alpha-hydroxy acid. On the other hand, if the reaction temperature is too high, the biocatalyst is thermally deteriorated, and if the target ammonium α-hydroxy acid concentration is high, it is difficult to reach the concentration, resulting in the addition of a new biocatalyst, etc. Treatment is required and the catalyst cost is high. If the temperature is too high, the substrate α-hydroxynitrile will also be promoted to decomposition into hydrocyanic acid and aldehyde or ketone, causing further reduction in reaction activity such as reaction inhibition and deactivation. Therefore, the reaction temperature is usually 30 to 60 ° C, preferably 40 to 50 ° C.
α−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造する反応方法は、固定床、移動層、流動層、撹拌槽等、いずれでもよく、また連続反応でも半回分反応でもよいが、特に固定化されていない微生物菌体を用いる場合、反応の容易性から攪拌槽を用いた半回分反応がよい。その場合、反応効率の観点から、適切な攪拌を行うのがよい。 The reaction method for producing α-hydroxy acid or α-hydroxy acid ammonium may be any of a fixed bed, a moving bed, a fluidized bed, a stirring tank, etc., and may be a continuous reaction or a half-batch reaction. When microbial cells that are not present are used, a half-batch reaction using a stirring tank is preferable because of the ease of reaction. In that case, it is good to perform appropriate stirring from the viewpoint of reaction efficiency.
また、半回分反応を行う場合、生体触媒は1バッチ使い捨てでもよいし、繰り返し反応を行ってもよい。但し、繰り返し反応を行う場合、該生体触媒をα−ヒドロキシ酸アンモニウム高濃度から低濃度へ急激に変化させるため、浸透圧の影響等で比活性が低下する場合があるので注意を要する。 In addition, when a half-batch reaction is performed, the biocatalyst may be disposable for one batch or may be repeatedly performed. However, when the reaction is repeated, the biocatalyst is rapidly changed from a high concentration of α-hydroxy acid ammonium to a low concentration, so that the specific activity may be reduced due to the influence of osmotic pressure, etc., so care must be taken.
反応基質であるα−ヒドロキシニトリル化合物の定常濃度については、2重量%以下が好ましく、より好ましくは0.1〜1.5重量%、更に好ましくは0.1〜1.0重量%、最も好ましくは0.2〜0.5重量%にコントロールするのがよい。α−ヒドロキシニトリル化合物の濃度が高すぎると、生成物阻害及びまたは失活、或いは高生成物蓄積濃度で初めて顕著となる基質阻害及びまたは失活の影響が急激に大きくなり、それまで進行していた反応が停止してしまう場合がある。また、α−ヒドロキシニトリル化合物の濃度が低すぎると反応速度を低下させることとなり、効率的にα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを製造できないので不利である。以上の理由から、反応中のα−ヒドロキシニトリル化合物定常濃度を管理することは非常に重要である。 The steady concentration of the α-hydroxynitrile compound as the reaction substrate is preferably 2% by weight or less, more preferably 0.1 to 1.5% by weight, still more preferably 0.1 to 1.0% by weight, most preferably. Is preferably controlled to 0.2 to 0.5% by weight. If the concentration of the α-hydroxy nitrile compound is too high, product inhibition and / or deactivation, or substrate inhibition and / or deactivation, which become significant only at high product accumulation concentrations, rapidly increase and have progressed until then. Reaction may stop. Moreover, when the density | concentration of an alpha-hydroxy nitrile compound is too low, it will reduce reaction rate, Since alpha-hydroxy acid or alpha-hydroxy acid ammonium cannot be manufactured efficiently, it is disadvantageous. For the above reasons, it is very important to control the steady concentration of the α-hydroxynitrile compound during the reaction.
製造されるα−ヒドロキシ酸アンモニウムに対する使用乾燥生体触媒重量は1/100以下がよく、好ましくは1/100〜1/200、より好ましくは1/200〜1/300、更に好ましくは1/300〜1/500、最も好ましくは1/500以下である。製造されるα−ヒドロキシ酸アンモニウムに対する使用乾燥生体触媒重量が多すぎると該生体触媒懸濁液由来の不純物が反応液中に多く同伴されるため精製コストが上がり、製品品質が低下するので好ましくない。逆に、製造されるα−ヒドロキシ酸アンモニウムに対する使用乾燥生体触媒重量が少なすぎるとリアクターボリューム当たりの生産性が低下し、大きなリアクターサイズが必要となり経済的に不利となる。 The dry biocatalyst weight used for the α-hydroxy acid ammonium to be produced is preferably 1/100 or less, preferably 1/100 to 1/200, more preferably 1/200 to 1/300, and even more preferably 1/300 to 1/300. 1/500, most preferably 1/500 or less. If the amount of dry biocatalyst used relative to the produced α-hydroxy acid ammonium is too large, impurities from the biocatalyst suspension are often entrained in the reaction solution, which increases the purification cost and lowers the product quality. . Conversely, if the weight of the dry biocatalyst used relative to the α-hydroxy acid ammonium produced is too small, the productivity per reactor volume is reduced, and a large reactor size is required, which is economically disadvantageous.
以下実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。尚、本発明はこれらの実施例により限定されるものではなく、その要旨を超えない限り、様々な変更、修飾が可能である。特に実施例においては、グリコロニトリルを用いた実験のみを示すが、本発明の主旨を考慮すると、原料中に存在するアルデヒド或いはシアン化合物の濃度をコントロールすることが重要なので、グリコロニトリル以外のα−ヒドロキシニトリルについても同様の現象と結果が得られることは容易に類推できるものである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited by these Examples, A various change and modification are possible unless it exceeds the summary. In particular, in the examples, only experiments using glycolonitrile are shown, but in consideration of the gist of the present invention, it is important to control the concentration of aldehyde or cyanide compound present in the raw material. It can be easily estimated that the same phenomenon and result can be obtained for α-hydroxynitrile.
本発明に使用する生体触媒であるAcinetobacter sp.AK226は本発明者らが既に特許生物寄託センター(産総研)に国際寄託したものであり、FERM BP-08590の国際寄託番号を有するものである。 Acinetobacter sp. AK226, which is a biocatalyst used in the present invention, has been internationally deposited by the present inventors at the Patent Organism Depositary (AIST) and has the international deposit number of FERM BP-08590.
生体触媒懸濁液中の乾燥生体触媒重量の測定法は、以下のごとく実施した。まず、適当な濃度の生体触媒懸濁液を適量取り、−80℃まで冷却した後、凍結乾燥機を用いて完全に乾燥し、その重量値から前記生体触媒懸濁液の濃度を算出した。既知濃度となった生体触媒懸濁液を適当な複数の濃度に希釈し、UV計(600nm)を用いて室温において透過度を測定し、該UV計での該生体触媒の検量線を作成した。以後、該UV計の指示値から任意の該生体触媒懸濁液の乾燥生体触媒濃度を算出した。 The method for measuring the weight of the dried biocatalyst in the biocatalyst suspension was performed as follows. First, an appropriate amount of a biocatalyst suspension having an appropriate concentration was taken, cooled to −80 ° C., completely dried using a freeze dryer, and the concentration of the biocatalyst suspension was calculated from the weight value. A biocatalyst suspension having a known concentration was diluted to a plurality of appropriate concentrations, and the transmittance was measured at room temperature using a UV meter (600 nm), and a calibration curve for the biocatalyst was prepared with the UV meter. . Thereafter, the dry biocatalyst concentration of the arbitrary biocatalyst suspension was calculated from the indicated value of the UV meter.
反応液の分析は、以下のごとく実施した。基質であるα−ヒドロキシニトリル及び生成物であるα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムは、高速液体クロマトグラフィーでα−ヒドロキシ酸として測定した。カラムはイオン排除カラム(島津Shim−pack SCR−101H)、カラム温度は40℃、移動相はリン酸水溶液(pH=2.3)、検出器はUV(島津SPD−10AV vp、210nm)及びRI(島津RID−6A)で実施した。 The reaction solution was analyzed as follows. The substrate α-hydroxynitrile and the product α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid were measured as high-performance liquid chromatography as α-hydroxy acid. The column is an ion exclusion column (Shimadzu Shim-pack SCR-101H), the column temperature is 40 ° C., the mobile phase is phosphoric acid aqueous solution (pH = 2.3), the detector is UV (Shimadzu SPD-10AV vp, 210 nm) and RI (Shimadzu RID-6A).
[実施例1]
[生体触媒の調製]
塩化ナトリウム0.1重量%、リン酸二水素カリウム0.1重量%、硫酸マグネシウム七水和物0.05重量%、硫酸第一鉄七水和物0.005重量%、硫酸アンモニウム0.1重量%、硝酸カリウム0.1重量%硫酸マンガン五水和物0.005重量%を含む培養液250mlを三角フラスコに仕込み、pHが7になるように水酸化ナトリウムで調整し、121℃で20分間滅菌した後、アセトニトリル0.5重量%を添加した。これにAcinetobacter sp.AK226を接種して30℃で振とう培養した(前培養)。ミーストパウダー0.3重量%、グルタミン酸ナトリウム0.5重量%、硫酸アンモニウム0.5重量%、リン酸水素二カリウム0.2重量%、リン酸ニ水素カリウム0.15重量%、塩化ナトリウム0.1重量%、硫酸マグネシウム七水和物0.18重量%、塩化マンガン4水和物0.02重量%、塩化カルシウム二水和物0.01重量%、硫酸鉄7水和物0.003重量%、硫酸亜鉛7水和物0.002重量%、硫酸銅5水和物0.002重量%、大豆油2重量%を含む培養液3Lを5Lジャーファーメンターに仕込み、121℃で20分間滅菌した後、前記の前培養液を接種して30℃で通気攪拌を行った。培養開始10時間後から大豆油のフィードを開始した。PHは7になるようにリン酸及びアンモニア水でコントロールし、最終的に約5重量%のAcinetobacter sp.AK226懸濁液を得た。更に0.06Mリン酸バッファーを用いて2回洗浄を行い、最終的にリン酸バッファーに懸濁されたAcinetobacter sp.AK226懸濁液(乾燥菌体濃度5〜10重量%)を得た。
[Example 1]
[Preparation of biocatalyst]
Sodium chloride 0.1 wt%, potassium dihydrogen phosphate 0.1 wt%, magnesium sulfate heptahydrate 0.05 wt%, ferrous sulfate heptahydrate 0.005 wt%, ammonium sulfate 0.1 wt% %, Potassium nitrate 0.1 wt% Manganese sulfate pentahydrate 250ml culture solution 250ml was placed in an Erlenmeyer flask, adjusted to pH 7 with sodium hydroxide and sterilized at 121 ° C for 20 minutes After that, 0.5% by weight of acetonitrile was added. This was inoculated with Acinetobacter sp. AK226 and cultured with shaking at 30 ° C. (preculture). Mist powder 0.3% by weight, sodium glutamate 0.5% by weight, ammonium sulfate 0.5% by weight, dipotassium hydrogen phosphate 0.2% by weight, potassium dihydrogen phosphate 0.15% by weight,
[原料グリコロニトリルの分析]
原料として用いるアルドリッチ製の55重量%グリコロニトリルについて、高速液体クロマトグラフィーを用いて組成分析を実施した。カラムはイオン排除カラム(島津Shim−pack SCR−101H)、カラム温度は40℃、移動相はリン酸水溶液(pH=2.3)、検出器はUV(島津SPD−10AV vp、210nm)及びRI(島津RID−6A)で実施した。グリコロニトリル:53.8重量%、グリコール酸:1.57重量%、ホルムアルデヒド:検出限界(5重量ppm)以下であった。
[Analysis of raw glycolonitrile]
A composition analysis was performed using high performance liquid chromatography for 55 wt% glycolonitrile manufactured by Aldrich used as a raw material. The column is an ion exclusion column (Shimadzu Shim-pack SCR-101H), the column temperature is 40 ° C., the mobile phase is phosphoric acid aqueous solution (pH = 2.3), the detector is UV (Shimadzu SPD-10AV vp, 210 nm) and RI (Shimadzu RID-6A). Glycolonitrile: 53.8% by weight, glycolic acid: 1.57% by weight, formaldehyde: detection limit (5 ppm by weight) or less.
[初期比活性の測定]
上記の分析したアルドリッチ製の55重量%グリコロニトリルを原料に、前記の生体触媒懸濁液を用いて加水分解反応を行った。まず、0.06Mリン酸バッファーに懸濁した状態で冷蔵保存された既知菌体濃度のAcinetobacter sp.AK226懸濁液を濃度が320重量ppmとなるように50mLナスフラスコに予め仕込まれた0.06Mリン酸水溶液(グリコロニトリル水溶液添加時にpH=6.8になるように予めpH調整したもの)20mlに懸濁させた。該フラスコを30℃恒温水槽に入れてスターラー攪拌を実施し、内温が30℃になるまでしばらく保持した。次に原料の55%グリコロニトリル水溶液を、マイクロピペッターを用いて0.36ml添加し反応を開始した。5分後にサンプリングを実施し、2M塩酸水溶液で希釈することで反応を停止し、フィルター処理で菌体を除いた後、高速液体クロマトグラフィー分析を実施した。得られた初期比活性は340[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]であった。結果を図1に示す。
[Measurement of initial specific activity]
The hydrolysis reaction was carried out using the above-mentioned biocatalyst suspension using the above- analyzed 55% by weight glycolonitrile manufactured by Aldrich as a raw material. First, a suspension of Acinetobacter sp. AK226 with a known bacterial cell concentration that was refrigerated and stored in a suspension in 0.06 M phosphate buffer was charged in advance in a 50 mL eggplant flask to a concentration of 320 ppm by weight. The suspension was suspended in 20 ml of 06M phosphoric acid aqueous solution (the pH was adjusted in advance so that the pH was 6.8 when the aqueous solution of glycolonitrile was added). The flask was placed in a 30 ° C. constant temperature water bath and stirred with a stirrer, and held for a while until the internal temperature reached 30 ° C. Next, 0.36 ml of a starting 55% glycolonitrile aqueous solution was added using a micropipette to start the reaction. Sampling was performed after 5 minutes, the reaction was stopped by diluting with 2M aqueous hydrochloric acid, and the cells were removed by filtration, followed by high performance liquid chromatography analysis. The initial specific activity obtained was 340 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr]. The results are shown in FIG.
[実施例2、3]
原料のアルドリッチ製の55重量%グリコロニトリルに適宜量のホルムアルデヒドを添加する以外は実施例1と同様の操作で加水分解反応を実施し、初期比活性を評価した。ホルムアルデヒド濃度が550重量ppmの時、275[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]、ホルムアルデヒド濃度が1129重量ppmの時、242[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]であった。結果を図1に示す。
[Examples 2 and 3]
The initial specific activity was evaluated by carrying out the hydrolysis reaction in the same manner as in Example 1 except that an appropriate amount of formaldehyde was added to 55% by weight glycolonitrile manufactured by Aldrich. When the formaldehyde concentration was 550 ppm by weight, it was 275 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr], and when the formaldehyde concentration was 1129 ppm by weight, it was 242 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr]. The results are shown in FIG.
[比較例1,2]
原料のアルドリッチ製の55重量%グリコロニトリルに、本発明で規定する範囲を超える量のホルムアルデヒドを添加した以外は実施例3と同様の操作で加水分解反応を実施し、初期比活性を評価した。ホルムアルデヒド濃度が3966重量ppmの時、110[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]、ホルムアルデヒド濃度が9900重量ppmの時、81[mmol/g-乾燥生体触媒/Hr]であった。結果を図1に示す。
[Comparative Examples 1 and 2]
The initial specific activity was evaluated by carrying out the hydrolysis reaction in the same manner as in Example 3 except that 55% by weight glycolonitrile manufactured by Aldrich was added with an amount of formaldehyde exceeding the range specified in the present invention. . When the formaldehyde concentration was 3966 wt ppm, it was 110 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr], and when the formaldehyde concentration was 9900 wt ppm, it was 81 [mmol / g-dry biocatalyst / Hr]. The results are shown in FIG.
本発明法によれば、原料グリコロニトリル中の不純物アルデヒドまたはシアンイオン濃度をコントロールすることにより、ニトリラーゼの持つ初期比活性を十分高くすることができるので、結果として、初期生産速度及び平均生産速度を高く保つことができ、任意のニトリル化合物から工業的に有用なα−ヒドロキシ酸或いはα−ヒドロキシ酸アンモニウムを実用的なリアクターサイズ、反応時間、触媒コストで生産することができる。 According to the method of the present invention, the initial specific activity of the nitrilase can be sufficiently increased by controlling the impurity aldehyde or cyanide concentration in the raw material glycolonitrile, and as a result, the initial production rate and the average production rate are obtained. Therefore, industrially useful α-hydroxy acid or ammonium α-hydroxy acid can be produced from any nitrile compound with practical reactor size, reaction time and catalyst cost.
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