УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКРИЛАМИДА Российский патент 2000 года по МПК C12P13/02 C12P13/00 C12N9/78 C12P13/02 C12R1/01 

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

Акриламид - продукт гидратации акрилонитрила широко применяется в качестве мономера для синтеза полимеров и сополимеров. Известны химические и биологические способы гидратации акрилонитрила. Технологии получения акриламида с использованием микроорганизмов выгодно отличаются от химических мягкими условиями проведения и селективностью реакции, высокой чистотой конечного продукта, отсутствием токсичных отходов.

Биотехнологический синтез амидов осуществляют либо в периодическом режиме с использованием клеточных суспензий, либо в непрерывном процессе с применением иммобилизованных микроорганизмов, частично или высокоочищенного фермента.

Периодическая схема получения акриламида имеет недостатки, связанные с использованием интактных клеток (внесение в реакционную среду вместе с катализатором загрязнений; низкая устойчивость фермента; трудность отделения клеток от конечного продукта), но обладает и рядом преимуществ перед непрерывной (простота приготовления и эксплуатации биокатализатора; высокая ферментативная активность свободных клеток; стандартное оборудование, применяемое в химической промышленности). Поэтому биотехнологические методы синтеза акриламида легче реализовать в промышленном масштабе именно в периодическом варианте.

В промышленности используются в основном полимеры, которые производят на основе концентрированных (обычно не менее 25%) растворов акриламида. Получение таких растворов описанными в литературе способами требует сложного аппаратурного оформления и жесткого контроля технологических параметров в ходе процесса.

Как показывает анализ патентной литературы, концентрированные растворы акриламида предпочтительнее получать при низкой концентрации акрилонитрила в среде (не более 2%) и температуре не выше 20^oC. Это связано с тем, что каталитическая активность нитрилгидратазы угнетается в присутствии акрилонитрила и акриламида, особенно при повышении температуры вследствие экзотермического течения реакции гидратации. В свою очередь, вынужденное поддержание малой концентрации субстрата и снижение температуры реакционной смеси неизбежно приводят к увеличению продолжительности реакции и вызывают повышение себестоимости продукта, обусловленное сложностью системы подачи акрилонитрила и потребностью в интенсивном охлаждении.

Согласно EP 0.204.555, МКИ 4 C 12 P 13/02, раствор с содержанием акриламида 450 г/л готовят с использованием интактных клеток Rhodococcus species АК-33 в концентрации 10 г/л (здесь и далее приводится масса сухих клеток). Процесс проводят в фосфатном буфере при температуре 2-3^oC в течение 5 часов. Концентрация акрилонитрила в ходе синтеза не превышает 2%.

Используя клетки штамма Rhodococcus rhodochrous М33 (ВКПМ S-1268), можно получать высококонцентрированные растворы акриламида (до 600 г/л) при минимальных микробных нагрузках - 0,64-4,1 г/л (патент RU 2.077.588, МКИ 6 C 12 Р 13/02). Но это требует поддержания низких концентраций акрилонитрила (не более 0,1%) в течение всей реакции. Температура реакционной смеси 13-20^oC, длительность трансформации 4-6 часов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является процесс получения акриламида с использованием интактных клеток Pseudomonas chlororaphis В 23 (EP 0.093.782, МКИ 4 C 12 Р 13/02), при проведении которого акрилонитрил вносят в реакционную смесь порциями по мере его трансформации с такой скоростью, чтобы его концентрация не превышала 2%. Начальная концентрация биокатализатора в фосфатном буфере 20 г/л. Температуру раствора поддерживают в интервале 0-4^oC. Через 7,5 часов реакции концентрация акриламида достигает 400 г/л.

Таким образом, анализ аналогов и прототипа заявляемого способа показывает, что при получении высококонцентрированных растворов акриламида требуется система, обеспечивающая регулирование скорости дозирования акрилонитрила, и поддержание низкой температуры процесса.

Целью предлагаемого изобретения является усовершенствование способа получения растворов акриламида высокой концентрации, заключающееся в упрощении системы подачи акрилонитрила и позволяющее проводить реакцию при высокой температуре.

Поставленная цель достигается за счет того, что биокатализатор добавляют в реакционную смесь частями после каждого введения акрилонитрила.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Соответствующую часть акрилонитрила (за один прием подают такое количество нитрила, чтобы не превысить предел его растворимости в реакционной среде) растворяют в водопроводной или дистиллированной воде с pH 6,8-7,8. Затем прибавляют часть биокатализатора, представляющего собой концентрированную суспензию биомассы (полученной в соответствии с патентом RU 1.731.814, МКИ 6 C 12 N 9/78, или RU 2.053.300, МКИ 6 C 12 N 9/78) в воде. Каждую следующую порцию акрилонитрила растворяют в реакционной смеси после того, как ранее добавленный субстрат полностью или почти полностью вступит в реакцию. Затем добавляют очередную порцию биокатализатора. Процесс проводят при постоянном перемешивании, поддерживая температуру реакции в интервале от 20 до 32^oC. Время реакции 4-6 часов. Расход катализатора в пересчете на исходный объем воды 0,25-0,51 г/л. По окончании процесса получают растворы с концентрацией акриламида до 330 г/л.

Сопоставительный анализ заявляемого решения, аналогов и прототипа (EP 0.093.782, МКИ 4 C 12 P 13/02) показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что и акрилонитрил, и биомассу вносят в реакционную среду частями по мере трансформации ранее прибавленного нитрила. Благодаря этому в среде создается повышенное содержание активного биокатализатора, что делает возможным осуществление процесса при высоких концентрациях акрилонитрила (вплоть до предела его растворимости) и достаточно высокой температуре (20-32^oC). Это обеспечивает высокую скорость гидратации акрилонитрила и позволяет получать в течение 4-6 часов растворы акриламида с концентрацией до 330 г/л при низком расходе биокатализатора.

Заявляемый способ поясняется следующими примерами.

Сравнительный пример 1 по прототипу с использованием биомассы штамма Rhodococcus rhodochrous М8.

В стеклянный реактор объемом 100 мл, снабженный магнитной мешалкой и термометром, вносят 19,4 мг клеток штамма Rhodococcus rhodochrous М8 с активностью нитрилгидратазы 95 ед. (единица активности здесь и далее означает такое количество нитрилгидратазы, содержащееся в 1 мг сухих клеток, которое катализирует образование 1 мкмоль акриламида в минуту), ресуспендированных в 40 мл дистиллированной воды (pH 7,0). В реактор при постоянном перемешивании порциями подают 11,5 г акрилонитрила с такой скоростью, чтобы его концентрация в растворе не превышала 2%. Реакцию проводят при 17-18^oC. Качественный и количественный состав реакционной смеси здесь и далее определяют по данным газожидкостной хроматографии. Через 5 часов получают раствор, содержащий 300 г/л акриламида. Выход акриламида составляет 790 г на 1 г биокатализатора.

Пример 1.

По предлагаемому способу готовят 1,62 мл суспензии, содержащей 20,5 мг клеток штамма Rhodococcus rhodochrous М8 с активностью нитрилгидратазы 95 ед. , в дистиллированной воде (pH 7,0). В стеклянный реактор объемом 100 мл, снабженный магнитной мешалкой и термометром, вносят 38 мл дистиллированной воды (pH 7,0) и растворяют в ней 2,9 г акрилонитрила. Затем добавляют 0,54 мл суспензии клеток. Спустя 1 час с интервалом в 45-50 минут в реактор вносят три порции акрилонитрила по 2,9 г. Через 3-4 минуты после прибавления каждой порции нитрила прибавляют катализатор (объемы суспензии 0,27, 0,27 и 0,54 мл соответственно). Температуру реакционной массы поддерживают в диапазоне 23-32^oC. Через 5 часов получают раствор, содержащий 320 г/л акриламида. Выход акриламида составляет 760 г на 1 г биокатализатора.

Сравнительный пример 2.

Согласно патенту RU 2.077.588, МКИ 6 C 12 P 13/02, в стеклянный реактор объемом 100 мл, снабженный магнитной мешалкой и термометром, вносят 10,4 мг клеток штамма Rhodococcus rhodochrous М33 с активностью нитрилгидратазы 230 ед. , ресуспендированных в 40 мл дистиллированной воды (pH 7,2). В реактор при постоянном перемешивании и температуре 17-18^oC на протяжении всего синтеза подают 12,5 г акрилонитрила так, чтобы его концентрация в растворе не превышала 0,1%. Через 7 часов получают раствор, содержащий 330 г/л акриламида. Выход акриламида составляет 1610 г на 1 г биокатализатора.

Пример 2.

По предлагаемому способу готовят 1,8 мл суспензии, содержащей 10,2 мг клеток штамма Rhodococcus rhodochrous М33 с активностью нитрилгидратазы 230 ед. , в дистиллированной воде (pH 7,0). В стеклянный реактор объемом 100 мл, снабженный магнитной мешалкой и термометром, вносят 38 мл дистиллированной воды (pH 7,0) и растворяют в ней 2,7 г акрилонитрила. Затем добавляют 0,6 мл суспензии клеток. Спустя 80 минут с интервалом в 50-60 минут в реактор вносят три порции акрилонитрила по 3,2 г. Через 3-4 минуты после прибавления каждой порции нитрила прибавляют катализатор (объемы суспензии 0,3, 0,3 и 0,6 мл соответственно). Температуру реакционной массы поддерживают на уровне 20-28^oC. Через 5,5 часов получают раствор, содержащий 320 г/л акриламида. Выход акриламида составляет 1610 г на 1 г биокатализатора.

Пример 3.

Готовят 1,62 мл суспензии, содержащей 10,4 мг клеток штамма Rhodococcus rhodochrous М33 с активностью нитрилгидратазы 180 ед., в дистиллированной воде (pH 7,1). В стеклянный реактор объемом 100 мл, снабженный магнитной мешалкой и термометром, вносят 38 мл дистиллированной воды (pH 7,1) и растворяют в ней 2,9 г акрилонитрила. Затем добавляют 0,54 мл суспензии клеток. Спустя 1 час с часовым интервалом в реактор вносят три порции акрилонитрила по 3,2 г. Через 3-4 минуты после прибавления каждой порции нитрила прибавляют катализатор (объемы суспензии 0,27, 0,27 и 0,54 мл соответственно). Температуру реакционной массы поддерживают на уровне 22-28^oC. Через 5 часов получают раствор, содержащий 330 г/л акриламида. Выход акриламида составляет 1620 г на 1 г биокатализатора.

Таким образом, заявляемый способ получения акриламида обладает следующим отличием: необходимые для реакции количества акрилонитрила и биокатализатора вносят в реакционную массу частями с разделением во времени. Это позволяет проводить синтез при высокой концентрации акрилонитрила, температуре 20-32^oC и получать растворы с содержанием акриламида до 330 г/л. Использование приведенного выше приема дает возможность снизить затраты, связанные с аппаратурным оформлением процесса, а именно с системой подачи акрилонитрила, охлаждением и контролем за составом реакционной смеси.

Изобретение относится к биотехнологии. Для осуществления способа часть акрилонитрила растворяют в водопроводной или дистиллированной воде с рН 6,8-7,8. Затем прибавляют часть биокатализатора, представляющего собой концентрированную суспензию биомассы штамма Rhodococcus rhodochrous M8 или Rhodococcus rhodochrous M33 в воде. Каждую следующую порцию акрилонитрила растворяют в реакционной смеси после того, как ранее добавленный субстрат полностью или почти полностью вступит в реакцию. Затем добавляют очередную порцию биокатализатора. Процесс проводят при постоянном перемешивании, поддерживая температуру реакции в интервале 20-32°С. Время реакции 4-8 ч. Расход катализатора в пересчете на исходный объем воды 0,25-0,51 г/л. По окончании процесса получают растворы с концентрацией акриламида до 330 г/л. Способ позволяет упростить систему подачи акрилонитрила и контролировать его содержание в реакционной смеси.

Способ получения акриламида путем гидратации акрилонитрила, вводимого в реакционную смесь частями с разделением во времени, с использованием биокатализатора, обладающего нитрилгидратазной активностью, отличающийся тем, что биокатализатор на основе штаммов микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous М 8 (ВКПМ S-926) или Rhodococcus rhodochrous М 33 (ВКПМ S-1268) добавляют в реакционную смесь частями после каждого введения акрилонитрила.