СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АКРИЛАМИДА, ПОЛУЧАЕМЫХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ СПОСОБОМ, ОТ ШЛАМА БИОКАТАЛИЗАТОРА Российский патент 2003 года по МПК C12P13/02 

Изобретение относится к биотехнологии и касается способа очистки водных растворов акриламида от шлама биокатализатора.

Развитие биотехнологии позволило в последнее десятилетие организовать крупнотоннажные производства растворов акриламида, которые широко используются для получения полимерных материалов. Одним из основных требований, предъявляемых к качеству растворов акриламида, полученных биотехнологическим способом, является высокая степень очистки растворов акриламида от отработанной бактериальной массы.

Известны способы очистки водных растворов акриламида от шлама биокатализатора с использованием активированного угля. При этом в растворы предварительно добавляют ионы двухвалентной меди [1] или насыщают кислородом [2] для ингибирования процесса полимеризации акриламида.

Существенным недостатком приведенных способов является низкая скорость очистки водных растворов акриламида (не более 8 дм³/ч) и необходимость утилизации отработанного активированного угля и сточных вод, образующихся после регенерации активированного угля.

Наиболее близким по технической сути является "Способ очистки водных растворов акриламида, полученных микробиологической трансформацией нитрила акриловой кислоты, от бактериальной массы" [3]. В данном способе очистка производится фильтрацией с предварительной обработкой раствора сернокислым алюминием и полимером акриламида.

Данный способ заключается в следующем. В реактор объемом до 250 дм³, содержащий раствор акриламида с концентрацией от 6 до 30% с бактериальной массой, последовательно загружают при перемешивании 0,005-0,02 мас.% сернокислого алюминия и 0,0005÷0,001 мас.% полимера акриламида, после чего фильтруют. Сополимер акриламида может содержать в себе от 70 до 99% звеньев акриламида и от 1 до 30% звеньев акрилата натрия. Способ распространяется на использование биокатализатора на основе микроорганизмов, принадлежащих к Rhodococcus rhodochrous M8.

К недостаткам данного метода следует отнести относительно невысокую среднюю скорость фильтрации и быструю забивку фильтрующего материала, что требует частой регенерации последнего, а также затрудняет съем бактериальной массы с фильтра скребком ввиду малой толщины слоя осадка. Данным методом производят очистку растворов акриламида с концентрацией только до 30 мас.% , хотя для ряда производств требуется концентрация растворов акриламида до 40-50%. Следует отметить, что приведенный способ распространяется только на растворы акриламида, полученные с использованием микроорганизмов, принадлежащих к Rhodococcus rhodochrous M8.

Задачей изобретения является увеличение скорости фильтрации, рабочего цикла между регенерациями фильтрующего материала, облегчение съема осадка с фильтра, уменьшение числа используемых реагентов.

Задача решается за счет того, что в известном способе очистки водного раствора акриламида, полученного биотехнологическим способом, от шлама биокатализатора путем фильтрации, перед фильтрацией в водный раствор акриламида концентрацией от 5 до 50% при перемешивании последовательно вводится раствор катионоактивного флокулянта и тонкодисперсная минеральная добавка из диоксида кремния в количестве 0,0002÷0,02 мас.% и 0,05÷1,0 мас.% соответственно. Сущность изобретения заключается в следующем. В реактор, содержащий 5÷50% раствор акриламида, полученного с использованием микроорганизмов, вводят при перемешивании последовательно 0,0002÷0,02 мас.% раствора катионоактивного флокулянта и 0,05÷1,0 мас.% тонкодисперсной добавки из диоксида кремния и фильтруют. Фильтрацию осуществляют известными способами, используя нутч-фильтр, пресс-фильтр, барабанный фильтр. В качестве фильтрующего материала используют нетканный материал, бельтинг, капрон и т.д.

По предлагаемому способу проводят очистку 5÷50%-ных водных растворов акриламида, полученного гидролизом нитрила акриловой кислоты с помощью микроорганизмов, содержащих фермент нитрилгидратазы и имеющих на поверхности клеток избыточный отрицательный заряд.

Катионоактивные флокулянты представляют собой полимеры, содержащие в цепи первичные, вторичные и третичные атомы азота, способные протонироваться в водных растворах; полимеры, содержащие в основной цепи четвертичные атомы фосфора или третичные атомы серы; четвертичные соли винилпиридинов, аминоэтиловых эфиров акриловой и метакриловой кислот, кватернизированные аминоалкил(мет)акриламиды. Например, Праестол 854, Праестол 852 (ТУ 2216-001-40910172-98), ВПК-101 (ТУ 6-05-231-140-81), ВПК-402 (ТУ 6-05-231-188-77), Седипур СL. Катионоактивный флокулянт вводится в виде водного раствора с концентрацией 0,1:0,4 мас.%.

Тонкодисперсная минеральная добавка из диоксида кремния - аэросил (ТОСТ 14922-77), новакулит, белая сажа (ГОСТ 18307-78), кварцевая мука, перлит (ТУ 2131-44-82).

Эффективность очистки и качество получаемых растворов акриламида определялось на фотоколориметре. Наличие клеток микроорганизмов при длине волны 540 нм, остаточное содержание флокулянта после обработки раствора бутанолом при 400 нм. Толщина кюветы - 5 см. Оптическая плотность очищенных растворов акриламида при λ=540 нм составляет 0,055.

В таблице приведены условия очистки и качество очищенных растворов акриламида по примерам конкретного выполнения.

Пример 1. В реактор емкостью 0,5 м³, содержащий 0,35 м³ 50% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Brevibacterium sp. GT, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 5 минут 17,5 дм³ 0,4% (0,02 мас.%) раствора катионоактивного флокулянта Праестол 854 и затем 3,5 кг (1,0 мас.%) аэросила. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 16,0 м³/ч•м². Фильтрацию проводят на нутч-фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 2. В реактор емкостью 1,0 м³, содержащий 0,75 м³ 40% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Bacillus cеreus В5, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 10 минут 18,75 дм³ 0,4% (0,01 мас.%) раствора катионоактивного флокулянта Праестол 852 и затем 3,0 кг (0,4 мас.%) перлита. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 15,2 м³/ч•м². Фильтрацию проводят на барабанном фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 3. В реактор емкостью 0,5 м³, содержащий 0,35 м³ 30% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M33, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 5 минут 1,75 дм³ 0,2% (0,001 мас.%) раствора катионоактивного флокулянта ВПК-101 и затем 0,7% кг (0,2 мас.%) новакулита. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 15,3 м³/ч•м². Фильтрацию проводят на нутч-фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 4. В реактор емкостью 1,0 м³, содержащий 0,75 м³ 20% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M8, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 5 минут 1,5 дм³ 0,1% (0,0002 мас.%) раствора катионоактивного флокулянта ВПК-402 и затем 0,75 кг (0,1 мас.%) кварцевой муки. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 12,7 м³/ч•м². Фильтрацию проводят па пресс-фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 5. В реактор емкостью 1,0 м³, содержащий 0,75 м 5% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Bacillus cеreus В5, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 5 минут 18,75 дм³ 0,4% (0,01 мас. %) раствора катионоактивного флокулянта Седипур СL и затем 0,375 кг (0,05 мас. %) белой сажи. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 9,4 м³/ч•м². Фильтрацию проводят на барабанном фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 6. В реактор емкостью 0,5 м³, содержащий 0,35 м 40% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Brevibacterium sp GТ, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 5 минут 0,35 дм 0,1% (0,0001 мас. %) раствора катионоактивного флокулянта Праестол 854 и затем 0,035 кг (0,01 мас.%) аэросила. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 4,2 м³/ч•м². Фильтрацию проводят на нутч-фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 7. В реактор емкостью 0,5 м³, содержащий 0,35 м³ 20% раствора акриламида, полученного с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M33, вводят при перемешивании последовательно с интервалом 10 минут 35,0 дм³ 0,5% (0,04 мас.%) раствора катионоактивного флокулянта Праестол 852 и затем 5,25 кг (1,5 мас.%) новакулита. Через 10 минут раствор фильтруют со скоростью 16,0 м³/ч•м². Фильтрацию проводят па нутч-фильтре с площадью фильтрации 0,05 м².

Пример 8 (сравнительный). В реактор емкостью 1 м³ вводят 0,75 м³ 30% раствора акриламида, полученного при трансформации акрилонитрила в присутствии микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M8. При перемешивании последовательно вносят 7,5 дм³ 2% раствора сульфата алюминия и 3,75 дм³ 0,25% раствора анионоактивного флокулянта, содержащего 70% акриламида и 30% акрилата натрия. Расходы коагулянта и флокулянта составляют соответственно 0,02 и 0,001 мас.%. Скорость фильтрации 3 м³/ч•м² при площади фильтрации 1 м².

Добавка катионоактивного флокулянта позволяет связывать отрицательно заряженные клетки биомассы, что ведет к повышению скорости и производительности фильтрования, к увеличению адгезии клеточных агломератов, к добавке тонкодисперсной минеральной добавки из диоксида кремния, имеющего отрицательный заряд на своей поверхности. В результате осадок становится более прочным и устойчивым к действию потока фильтруемого раствора акриламида, что, в свою очередь, ведет к увеличению скорости фильтрации и рабочего цикла между забивкой фильтрующего материала, повышает качество фильтрата, сокращает количество промывных вод при регенерации фильтров. Промывные воды используются либо на стадии синтеза акриламида, либо на стадии (со)полимеризации акриламида.

Добавка тонкодисперсной минеральной добавки из диоксида кремния менее заявляемого количества 0,05 мас.% резко снижает скорость фильтрации, сокращает рабочий цикл, ухудшает съем осадка, а также снижает качество фильтрата. Использование тонкодисперсной минеральной добавки из диоксида кремния более заявляемого количества 1,0 мас.% , практически не изменяя эффективность очистки, приводит к перерасходу материала.

Использование катионоактивного флокулянта менее заявляемого количества 0,0002 мас.% не позволяет получать фильтрат требуемого качества, а в случае его добавки более заявляемого количества 0,02 мас.% происходит повышенный расход материалов без увеличения эффективности очистки.

Источники информации
1. Патент США 4248968, кл. С 12 P 13/02, 1987 г.

2. Патент США 4701558, кл. С 12 P 13/02, 1987 г.

3. Патент РФ 2029739, кл. С 12 P 13/02. Способ очистки водного раствора акриламида, полученного микробиологической трансформацией акрилонитрила, от бактериальной массы.

Способ заключается в том, что в водный раствор акриламида, полученный с помощью микробного биокатализатора, при концентрации акриламида от 5 до 50% перед фильтрацией при перемешивании последовательно вводятся раствор катионоактивного флокулянта и тонкодисперсная минеральная добавка из диоксида в количестве 0,0002-0,02 мас.% и 0,05-1,0 мас.% соответственно. Это позволяет более эффективно удалить шлам биокатализатора. В результате увеличивается скорость фильтрации, облегчается съем осадка с фильтра, достигается упрощение процесса. 1 табл.

Способ очистки водных растворов акриламида, полученных биотехнологическим способом, от шлама биокатализатора путем фильтрации, отличающийся тем, что перед фильтрацией в водный раствор акриламида концентрацией от 5 до 50% при перемешивании последовательно вводят катионоактивный флокулянт и тонкодисперсную минеральную добавку из диоксида кремния в количестве 0,0002-0,02 мас.% и 0,05-1,0 мас.% соответственно.