СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ШЛАМА БИОКАТАЛИЗАТОРА, ПОЛУЧЕННОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ ОЧИСТКИ ВОДНОГО РАСТВОРА АКРИЛАМИДА Российский патент 2003 года по МПК C12P13/02 C02F1/02 

Изобретение относится к очистке водных растворов акриламида, полученных бортехнологическим способом, от шлама биокатализатора с последующей его утилизацией.

В последнее десятилетие широкое развитие получило биотехнологическое производство растворов акриламида, применяемых для синтеза полимерных материалов.

Такие полимеры используются в различных областях народного хозяйства в качестве загустителей, флокулянтов и абсорбентов.

Одним из основных требований, предъявляемых к качеству растворов акриламида, является высокая степень очистки от примесей, сильно влияющих на его полимеризацию.

Традиционные способы получения водных растворов акриламида (гетерогенно-каталитический способ на медьсодержащих катализаторах и сернокислотная гидратация акрилонитрила) в экологическом плане существенно уступают биотехнологическому, так как последний позволяет избежать образования большого количества трудноутилизируемых отходов. Однако и в этом случае требуется утилизация отработанной клеточной массы, образующейся при очистке водных растворов акриламида от шлама биокатализатора.

Известен способ очистки водных растворов акриламида, полученных трансформацией акрилонитрила в присутствии микроорганизмов, от бактериальной массы путем введения в них сернокислого алюминия и полимера акриламида с последующей фильтрацией [1].

Сущность данного способа заключается в следующем.

В емкость объемом до 250 дм³ с раствором акриламида концентрацией от 6 до 30%, содержащим бактериальную массу, последовательно загружают при перемешивании 0,005-0,02 мас. % сернокислого алюминия и 0,0005-0,001 мас. % полимера акриламида и фильтруют. Фильтрацию осуществляют, применяя нутч-фильтры или центробежные силы. В качестве фильтрующего материала используются капрон, бельтинг, нетканый материал и т.д.

Полимер акриламида может содержать в своем составе от 70 до 99% акриламида и от 1 до 30% акрилата натрия.

К недостаткам метода относится проблема утилизации шлама биокатализатора, который в существующих способах разбавляют большими объемами воды и сбрасывают в промышленные стоки[2,3]. Данный способ предполагает фильтрацию водных растворов акриламида до остаточного содержания акриламида в осадке биомассы 0,1%, что приводит к снижению общей производительности процесса фильтрации и забивке фильтрующего материала. Для промывки фильтров также требуется большое количество воды.

Задачей изобретения является утилизация шлама биокатализатора с получением водопоглощающего наполненного полимера, пригодного для использования в сельском и парковом хозяйствах, а также для укрепления грунтов. Параллельно решаются задачи повышения производительности фильтров (за счет увеличения остаточного содержания акриламида в фильтрате, что ведет к снижению скорости забивки фильтрующего материала и соответственно к увеличению скорости фильтрации и рабочего цикла между забивкой фильтрующего материала, повышает качество фильтрата, сокращает количество промывных вод при регенерации фильтров) и полного прекращения сброса шлама со сточными водами.

Задача решается за счет того, что в предлагаемом способе утилизации шлама биокатализатора, полученного в результате очистки водного раствора акриламида путем фильтрации, шлам биокатализатора с содержанием акриламида в количестве от 0,2 до 5 мас.% после фильтрации полимеризуют путем нагрева любым известным способом при температуре 30-140^oС в течение 10-400 мин.

Кроме того, в шлам биокатализатора может быть добавлен инициатор реакции полимеризации персульфат калия или аммония в количестве 0,05-0,5 мас%.

Сущность изобретения заключается в следующем. В реактор, содержащий 5-50% раствор акриламида, полученного с использованием микроорганизмов, содержащих нитрилгидратазу, вводят при перемешивании раствор коагулянта в количестве до 0,1 мас.%, раствор флокулянта в количестве до 0,1 мас.%, и вспомогательный фильтрующий материал в количестве до 1,0 мас.%, и фильтруют. Фильтрацию осуществляют известными способами, используя нутч-фильтр, пресс-фильтр, барабанный фильтр. В качестве фильтрующего материала используют нетканый материал, бельтинг, капрон и т.д. После фильтрации отжатый шлам биокатализатора, содержащий от 0,2 до 5 мас.% акриламида, нагревают любым известным способом до 30-140^oС в течение 10-400 мин.

Процесс можно вести как без добавления инициаторов полимеризации, так и с добавлением инициаторов (персульфат калия по ГОСТ 4146-74, персульфат аммония по ГОСТ 20478-75 и др.) в количестве 0,05-0,5 мас.%.

Процессу полимеризации не мешает наличие в шламе биокатализатора вспомогательных фильтрующих материалов (перлит по ТУ (ТУ 2131-44-82), аэросил по ТУ (ГОСТ 14922-77), белая сажа по ТУ (ГОСТ 18307-78) и др.)
Получаемый полимер акриламида, наполненный шламом биокатализатора и, в случае использования, вспомогательным фильтрующим материалом, имеет сетчатую структуру и способен поглощать до 35 г воды 1 г сухого полимера. Это позволяет использовать его как влагоудерживающий материал в сельском и парковом хозяйствах, а также для укрепления грунтов.

Изобретение иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1. Полученный с использованием микроорганизмов Rhodococus rhodochrous M8 20% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин коагулянтом (сульфат аммония), анионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (аэросил) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,10% остаточного акриламида, добавляют 0,02% инициатора (персульфат аммония) и полимеризуют на вальцах в течение 800 мин при температуре 20^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 2. Полученный с использованием микроорганизмов Bacillus cereus В5 20% раствор акриламида фильтруют. Осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,2% остаточного акриламида, полимеризуют на вальцах в течение 400 мин при температуре 30^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 3. Полученный с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M33 20% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин катионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим веществом (аэросил) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,2% остаточного акриламида, добавляют 0,1% инициатора (персульфат калия) и полимеризуют на вальцах в течение 200 мин при температуре 80^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 4. Полученный с использованием микроорганизмов Brevibakterium sp. GT 40% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин катионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (перлит) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,2% остаточного акриламида, добавляют 0,1% инициатора (персульфат аммония) и полимеризуют на вальцах в течение 300 минут при температуре 50^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 5. Полученный с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M33 30% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин коагулянтом (сульфат аммония), анионоак-тивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (аэросил) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,5% остаточного акриламида, добавляют 0,1% инициатора (персульфат аммония) и полимеризуют на вальцах в течение 100 мин при температуре 80^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 6. Полученный с использованием микроорганизмов Bacillus cereus B5 50% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин коагулянтом (сульфат аммония), анионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (перлит) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,5% остаточного акриламида, добавляют 0,15% инициатора (персульфат калия) и полимеризуют на вальцах в течение 30 минут при температуре 100^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 7. Полученный с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M8 40% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 минут катионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (аэросил) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 0,6% остаточного акриламида, добавляют 0,15% инициатора (персульфат калия) и полимеризуют на вальцах в течение 20 мин при температуре 100^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 8. Полученный с использованием микроорганизмов Rhodo-coccus rhodochrous M8 6% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин коагулянтом (сульфат алюминия), анионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (аэросил) и фильтруют. Осажденную на фильтре биомассу, содержащую 5% остаточного акриламида полимеризуют под действием ИК-излучения в течение 20 мин при температуре 90^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 9. Полученный с использованием микроорганизмов Rhodococcus rhodochrous M8 10% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин коагулянтом (сульфат алюминия), анионоак-тивным флокулянтом и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 5% остаточного акриламида, добавляют 0,1% инициатора (персульфат аммония) и полимеризуют под действием ИК-излучения в течение 15 мин при температуре 100^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 10. Полученный с использованием микроорганизмов Brevibacterium sp. GT 40% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин катионоактивным флокулянтом, вспомогательным фильтрующим материалом (перлит) и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 5% остаточного акриламида, добавляют 0,1% инициатора (персульфат калия) и полимеризуют под действием ИК-излучения в течение 15 мин при температуре 140^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 11. Полученный с использованием микроорганизмов Brevibacterium sp. GT 50% раствор акриламида фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 5% остаточного акриламида, добавляют 0,15% инициатора (персульфата калия) и полимеризуют под действием ИК-излучения в течение 10 минут при температуре 140^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Пример 12. Полученный с использованием микроорганизмов Brevibacterium sp. GT 30% раствор акриламида последовательно обрабатывают с интервалом 5-10 мин коагулянтом (сульфат аммония), анионоактивным флокулянтом и фильтруют. В осажденную на фильтре биомассу, содержащую 8% остаточного акриламида, добавляют 0,55% инициатора (персульфат аммония) и полимеризуют под действием ИК-излучения в течение 15 мин при температуре 160^oС.

Полученный полимер испытывают, результаты приведены в таблице.

Наличие акриламида в шламе биокатализатора позволяет получать однородный наполненный материал. При содержании акриламида менее заявляемого количества 0,2 мас. % резко снижаются водопоглощающие свойства полимера. Использование шлама биокатализатора более заявляемого количества 5 мас.%, не приводя к значительному увеличению водопоглощающих свойств полимера, ведет к сокращению выхода основного продукта при получении растворов акриламида.

Использование температуры полимеризации ниже 30^oС резко увеличивает время полимеризации, а повышение температуры выше 140^oС ведет к деструкции клеток биомассы со снижением качества полимера и ухудшению экологических параметров процесса за счет увеличения содержания летучих веществ в рабочей зоне производственных помещений.

Снижение времени полимеризации менее заявляемого количества 10 мин ведет к увеличению содержания остаточного акриламида в полимере, а увеличение времени полимеризации более заявляемого количества 400 мин приводит к затягиванию процесса и перерасходу энергоресурсов без улучшения свойств полимера.

Использование инициатора полимеризации менее заявляемого количества 0,05 мас.% практически не влияет на время полимеризации, а увеличение более заявляемого воличества 0,5 мас.% ведет к перерасходу инициатора.

Источники информации
1. Патент РФ 2029739, кл. С 12 Р 13/02 Способ очистки водного раствора акриламида, полученного микробиологической трансформацией акрилонитрила, от бактериальной массы.

2. В. Н. Аликин, Г.Э. Кузьмицкий, Л.В. Забелин, Ю.С. Клячкин, Н.Н. Федченко. Конверсия специальной технической химии. Пороха, топлива, заряды. - Пермь: ПНЦ УрО РАН, 1999. - 176 с. ил. (с.43)
3. Е. В. Федченко, В.С. Сухинин, В.И. Будников. Исследование процесса полимеризации акриламида в присутствии шлама биокатализатора. //Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Всероссийская научно-техническая конференция. 12-14 апреля 2001 г. Тезисы докладов. - г. Пермь -С. 280.

Способ очистки водных растворов акриламида от шлама биокатализатора с последующей полимеризацией шлама заключается в том, что шлам биокатализатора с содержанием акриламида от 0,2 до 5% после фильтрации полимеризуют путем нагрева любым известным методом без добавления или с добавлением инициатора полимеризации в количестве 0,05-0,5 мас.% при 30-140^oС в течение 10-400 мин. В качестве индикатора используют пересульфат калия или аммония. Способ позволяет утилизировать шлам биокатализатора с получением водопоглощающего наполненного полимера, пригодного для использования в сельском и парковом хозяйствах, а также для укрепления грунтов. Также позволяет решить задачи повышения производительности фильтров и полного прекращения сброса шлама со сточными водами. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ утилизации шлама биокатализатора, полученного в результате очистки водного раствора акриламида путем фильтрации, отличающийся тем, что шлам биокатализатора с содержанием акриламида в количестве от 0,2 до 5 мас. % после фильтрации полимеризуют путем нагрева при 30-140^oС в течение 10-400 мин. 2. Способ утилизации шлама биокатализатора по п. 1, отличающийся тем, что в шлам биокатализатора добавляют инициатор реакции полимеризации персульфат калия или аммония в количестве 0,05-0,5 мас. %.