СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКРИЛАМИДА Российский патент 1997 года по МПК C12P13/02 

Изобретение относится к биотехнологии и касается способа получения концентрированных водных растворов акриламида с использованием ферментной системы микроорганизма.

С развитием биотехнологии возрос интерес к возможностям микробного производства соединений, получаемых в химической промышленности традиционными методами тяжелого органического синтеза. К таким веществам относится акриламид, применяемый в крупнотоннажной химии для синтеза полимерных материалов, промышленное производство которого (химическое и микробиологическое) имеет целый ряд недостатков.

На сегодняшний день среди штаммов, способных осуществлять гидролиз алифатических и ароматических нитрилов в соответствующие амиды, наиболее полно изучены Pseudomonas chlororaphis В23, Brevibacterium sp. R312, Rhodococcus sp. N 774, Rhodococcus rhodochrous J1, Rhodococcus rhodochrous M8 и Rhodococcus rhodochrous М33. Это связано с наличием у данных культур максимальной нитрилгидратазной активности и их использованием в технологии получения амидов.

Микробиологическое получение акриламида в отличие от химических способов характеризуется мягкими условиями синтеза, селективностью реакции, высокой чистотой конечного продукта, отсутствием токсичных отходов.

Существует два подхода к осуществлению биотехнологического получения амидов: в периодическом режиме с использованием интактных клеток и непрерывном процессе на основе иммобилизованных бактерий, частично или высокоочищенного фермента.

Описанные технологии получения акриламида с использованием интактных клеток помимо преимуществ (простота в приготовлении биокатализатора, высокая ферментативная активность свободных клеток, стандартное оборудование, применяемое в химической промышленности) не лишены целого ряда недостатков. В частности, низкое содержание конечного продукта (акриламида) требует введения дополнительной стадии концентрирования, использование высоких микробных нагрузок затрудняет отделение клеток от реакционных растворов, может приводить к полимеризации растворов акриламида. Термолабильность фермента нитрилгидратазы большинства используемых штаммов требует поддержания температуры процесса в интервале 0-3^oС, что ведет к дополнительным энергозатратам. Кроме того, внесение неорганических солей в реакционную смесь снижает качество конечного продукта.

Проведение процесса с использованием иммобилизованных клеток позволяет повысить стабильность катализатора и создать проточную систему работы установки. Однако сложности, связанные с подготовкой биокатализатора (иммобилизация клеток), необходимость контроля за разбуханием геля и вымыванием бактерий из гранул полиакриламида, отделение жидкой фазы от частиц катализатора по окончании процесса, периодическая полимеризация биокатализатора и оценка его ферментативной активности, а также затруднение диффузионных процессов в полимерной частице делают эту технологию трудноосуществимой.

Важнейшими параметрами, характеризующими эффективность способа получения акриламида, является концентрация целевого продукта в растворе, концентрация биокатализатора и время проведения реакции.

Известен способ получения растворов акриламида с помощью штаммов N 774 и N 771 рода Corinebacterium и штамма N 775, относящегося к роду Nocardia. Процесс проводят в воде при рН 8,0, поддерживая заданное значение рН среды добавлением 0,5 N КОН, концентрации биокатализатора не менее 16 г/л, температура процесса около О^oС; за 16 ч получают 31% раствор акриламида.

Известен способ получения водных растворов акриламида с использованием бактерий Pseudomonas chlororaphis В 23. Процесс проводят с применением интактных клеток, создавая концентрацию биокатализатора в фосфатном буфере 10-20 г/л (здесь и далее по массе сухих клеток). Акрилонитрил вносят в реакционный раствор порциями по мере его трансформации. Температуру в растворе поддерживают в интервале 0-15^oС. Через 7,5 ч выход акриламида составляет 400 г/л.

Известен способ получения акриламида с использованием микроорганизма Rhodococcus rhodochrous J1. Процесс проводят в 0,05М фосфатном буфере при температуре 0-5^oС. В реакции используются интактные клетки в концентрации 10-20 г/л. Полученный раствор содержит 450 г/л акриламида.

К недостаткам вышеперечисленных способов можно отнести следующее: использование высоких микробных нагрузок (до 20 г/л) для достижения выхода акриламида 400-450 г/л, длительное время реакции и проведение процесса при низких температурах. Эти недостатки связаны с низкой нитрилгидратазной активностью и низкой термостабильностью биокатализатора.

Целью изобретения является получение растворов акриламида более высокой концентрации с использованием низких микробных нагрузок и сокращение времени процесса.

Поставленная цель достигается путем использования в качестве биокатализатора биомассы штамма Rhodococcus rhodo- chrous М33 ВКПМ S-1268, созданием исходной и поддержанием текущей концентраций акрилонитрила в реакционной среде не выше 0,1%
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Клетки штамма МЗЗ выращивают на питательной среде следующего состава, г/л: К₂НРО₄ 0,5; КН₂РО₄ 0,6; MgSO₄ FеS0₄ 0,005; СоСl₂ 0,01; глюкоза 10-20; мочевина 5-10 (либо NaNO₃ 1).

Биомассу отделяют любым известным способом и суспендируют в водопроводной или дистиллированной воде в количестве 0,64-4,1 г/л в интервале рН 6,8-7,8. Акрилонитрил вносят в реакционный раствор по мере трансформации так, чтобы его начальная и текущая концентрация не превышала 0,1% Процесс проводят при постоянном перемешивании, поддерживая температуру реакции в интервале от 13 до 22^oС. Время реакции 4-6 ч. По окончании процесса получают растворы с концентрацией акриламида 500-600 г/л.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что в качестве биокатализатора используется биомасса штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ ВКПМ S-1268, а акрилонитрил вносят в реакционный раствор так, чтобы его концентрация, исходная и поддерживаемая в ходе реакции, не превышала 0,1% Это позволяет избежать значительного угнетения нитрилгидратазной активности, имеющего место при осуществлении способа, описанного в прототипе. В свою очередь сохранение высокой нитрилгидратазной активности на протяжении всей реакции позволяет получать растворы акриламида с концентрацией до 600 г/л, используя минимальные микробные нагрузки, и сократить время проведения процесса до 4-6 ч.

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. В три стальных реактора объемом 1,5 л каждый, снабженных механическими мешалками, термостатируемых в интервале температур 12-20^oС, вносят по 627 мл дистиллированной воды (рН 7,6). В каждом реакторе ресуспендируют 426 мг клеток (по сухой массе) штамма Rhodococcus rhodoch- rous МЗЗ с активностью нитрилгидратазы 210 ед. Затем в первый реактор добавляют 12 г чистого акрилонитрила и по мере трансформации поддерживают его концентрацию в интервале 1-2% Во второй реактор акрилонитрил вносят так, чтобы его концентрация в растворе находилась в интервале 0,1- 2% В третий реактор акрилонитрил вносят так, чтобы его концентрация в растворе не превышала 0,1% Качественный и количественный состав раствора определяют по данным газожидкостной хроматографии. Реакцию останавливают через 8 ч после резкого падения скорости гидролиза акрилонитрила. В первом реакторе получают 42%-ный раствор акриламида, во втором 43%-ный раствор, в третьем 48%-ный раствор.

Результаты эксперимента показывают, что при проведении реакции с поддержанием концентрации акрилонитрила в интервале 1-2% можно получить только 42%-ный раствор акриламида. Уменьшение концентрации акрилонитрила в реакционном растворе до 0,1% и ниже приводит к увеличению выхода акриламида до 48%
Пример 2. В стальной реактор объемом 3 л, снабженный механической мешалкой, термостатируемый в интервале температур 20-22^oС, вносят 2 л водопроводной воды, содержащей 1,27 г клеток штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ с активностью нитрилгидратазы 210 ед. Акрилонитрил вносят в реакционный раствор по мере трансформации так, чтобы его концентрация, начальная и текущая, не превышала 0,1% Качественный и количественный состав раствора определяют по данным газо-жидкостной хроматографии. За 6 ч реакции получают раствор акриламида с концентрацией 500 г/л. Далее реакцию останавливают из-за резкого падения скорости гидролиза акрилонитрила. Выход акриламида близок к количественному, акриловая кислота в качестве побочного продукта не обнаруживается.

Пример 3. В стальной реактор объемом 3 л, снабженный механической мешалкой, термостатируемый в интервале температур 13-20^oС, вносят 1,5 л водопроводной воды, содержащей 3,0 г клеток штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ с активностью нитрилгидратазы 210 ед. Акрилонитрил вносят в реакционный раствор по мере трансформации так, чтобы его концентрация не превышала 0,1% Качественный и количественный состав раствора определяют по данным газо-жидкостной хроматографии. За 6 ч реакции получают раствор акриламида с концентрацией 570 г/л.

Пример 4. В стальной реактор объемом 3 л, снабженный механической мешалкой, термостатируемый в интервале температур 13-20^oС, вносят 1,5 л водопроводной воды, содержащей 6,15 г клеток штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ с активностью нитрилгидратазы 210 ед. Акрилонитрил вносят в реакционный раствор по мере трансформации так, чтобы его концентрация не превышала 0,1% Качественный и количественный состав раствора определяют по данным газо-жидкостной хроматографии. За 4 ч реакции получают раствор акриламида с концентрацией 600 г/л.

Таким образом, заявляемый способ получения акриламида обладает следующими отличиями: использованием в качестве биокатализатора биомассы штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ ВКПМ S-1268 и поддержанием концентрации акрилонитрила (исходной и в течении гидролиза) не более 0,1% Это позволяет получать растворы акриламида с концентрацией до 600 г/л, используя в реакции низкие микробные нагрузки и сократить время проведения процесса до 4-6 ч.

Использование: Биотехнология, получение акриламида. Сущность изобретения: для осуществления биотехнологического способа получения акриламида биомассу штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ ВКПМ-1268 суспендируют в водопроводной или дистиллированной воде. Акрилонитрил вносят в реакционный раствор по мере трансформации так, чтобы его концентрация исходная и в течение процесса не превышала 0,1%.

1 Способ получения акриламида путем гидратации акрилонитрила с использованием биомассы бактерий Rhodococcus rhodochrous, обладающей нитрилгидратазной активностью, с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что гидратацию проводят с использованием биомассы штамма Rhodococcus rhodochrous МЗЗ ВКПМ 1268 при исходной концентрации акрилонитрила не более 0,1% и поддерживают ее на этом уровне в течение всего процесса.