Биотехнологический способ получения водных растворов акриламида

Биотехнологический способ получения водных растворов акриламида

Реферат

 

Изобретение относится к химии и биотехнологии на основе органических соединений. Способ осуществляют путем гидратации акрилонитрила в водной среде в присутствии биокатализатора, содержащего микроорганизмы, обладающие нитрилгидратазной активностью. Гидратацию акрилонитрила осуществляют в его 4-20% водной смеси с (2-4)10^-5% анионоактивного и (1,25-2,5)10^-5% катионоактивного сополимеров. В качестве биокатализатора используют биомассу штамма бактерий Rhodococcus rhodochrous. В суспензию биомассы предварительно последовательно вводят 0,4-3,0% сернокислого алюминия, 0,05-0,30% анионоактивного и 0,02-0,20% катионоактивного сополимеров (от массы сухих клеток). В качестве анионоактивного сополимера используют сополимеры акриламида, содержащие 5-30 мол.% звеньев акриловой кислоты или ее солей аммония, или щелочных металлов. В качестве катионоактивного сополимера используют сополимеры акриламида и диалкиламиноалкил(мет)акрилатов, или их солей с соляной или серной кислотой, или их кватернизованных солей диметилсульфата, хлористого метила, содержащие 50-100% моль, катионоактивных групп. Техническим результатом данного изобретения является повышение производительности и экологической безопасности процесса получения водных растворов акриламида. Объемная скорость гидратации акрилонитрила под действием биокатализатора достаточно высока и составляет 1,5-3,0 ч^-1. 1 з.п.ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к химии и технологии органических соединений, а именно к получению водных растворов акриламида.

Акриламид используют для синтеза высокомолекулярных полимеров, применяемых в различных технологических процессах: в качестве загустителей в нефтедобыче, флокулянтов, суперабсорбентов для сельского хозяйства и медицинских целей, в качестве гидроизолирующих химреагентов в процессах газо- и нефтедобычи.

Известен способ получения водных растворов акриламида гетерогенно-каталитической гидратацией акрилонитрила (Полиакриламид / Л.И. Абрамова, Т.А. Байбурдов, Э.П. Григорян и др.; Под ред. В.Ф. Куренкова - М.: Химия, 1992 - С. 9-16).

Данный способ позволяет получать высококонцентрированные растворы акриламида с массовой долей 20-50%.

Однако при каталитическом способе получения водных растворов акриламида образуется много примесей побочных продуктов и ионов металлов переменной валентности, поэтому для получения целевого продукта необходима дополнительная стадия очистки водных растворов акриламида, например, на различного типа ионообменных смолах от примесей ионов металлов переменной валентности. Возникает проблема утилизации большого количества отходов производства - отработанных медьсодержащих катализаторов и ионообменных смол.

Биотехнологический способ получения водных растворов акриламида, являющийся высокоселективным, экологически чистым, энергосберегающим, позволяет получать концентрированные растворы мономера, практически не содержащие побочных продуктов. Так, известны способы получения водных растворов акриламида гидратацией акрилонитрила в водной среде под действием биокатализатора - штамма Phodococcus rhodochrous (продуцента фермента нитрилгидратазы) /Патент СССР 1811698, кл. С 12 Р 13/02, заявл. 11.06.91; Патент РФ 2077588, кл. С 12 Р 13/02, заявл. 16.01.96/.

Гидратацию акрилонитрила осуществляют при рН 4,5-11 и при температуре от 3 до 50^oС в водной суспензии биокатализатора, содержащей 0,08-0,4 г/л биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 и М33. Акрилонитрил вводят в реактор так, чтобы его концентрация в реакционной среде не превышала 2%. Получают 7-50%-ные растворы акриламида.

Однако для получения целевого продукта необходима дополнительная стадия очистки водных растворов акриламида от отработанной биомассы, например, различными приемами фильтрации (сепарирования, центрифугирования, фильтрации). Возникает проблема утилизации сточных вод от промывки фильтрующего оборудования.

Предварительная стадия подготовки биокатализатора, заключающаяся в иммобилизации микроорганизмов в водонерастворимом полимерном гидрогеле, позволяет, с одной стороны, сохранить нитрилгидратазную активность микроорганизмов и, с другой стороны, получать целевой продукт (водные растворы мономера высокой степени чистоты) без дополнительной стадии очистки.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения водных растворов акриламида путем гидратации акрилонитрила в присутствии микроорганизмов, обладающих нитрилгидратазной активностью, иммобилизованных в катионоактивном полимерном гидрогеле [пат. США 442855, С 12 Р 13/02, С 12 N 11/08, заявл. 14.08.1981, опубл. 20.12.1983]. Данный способ осуществляют следующим образом: предварительно приготавливают биокатализатор, смешивают биокатализатор с водой и вводят в полученную суспензию биокатализатора водный раствор акрилонитрила.

Для получения биокатализатора смешивают суспензию биомассы, обладающей нитрилгидратазной активностью, с акриламидом, сшивающим агентом и водорастворимым катионоактивным акриловым мономером и/или сополимером, вводят инициаторы и полимеризуют при рН от 5 до 10 и температуре от 0 до 30^oС. Время полимеризации составляет 30-60 мин. Полимеризуют мономерную смесь в водных растворах с массовой долей 2-30%. Содержание биомассы составляет 0,1-50 мас. % (от реакционной смеси). Количество акриламида, сшивающего агента и катионоактивного акрилового мономера и/или сополимера в мономерной массе составляет 50-95%, 0,1-20% и 1-50% соответственно. Водорастворимые катионоактивные акриловые сополимеры акриламида и диалкиламиноалкил(мет)акрилатов, или диалкиламиноалкил(мет)акриламидов, или их кватернизованных солей используют с молекулярной массой (0,5-2,0)10⁶. В качестве инициаторов используют персульфат калия и диметиламинопропионитрил.

Полученный водонерастворимый катионоактивный полимер гидрогель с иммобилизованными в нем микроорганизмами измельчают в смесителе и дополнительно обрабатывают в течение 1 ч при перемешивании глутаровым альдегидом, составляющем 0,25% от массы гидрогеля, в 0,05 М буферном фосфорном растворе при массовом соотношении гидрогеля к раствору, равном 1:3, и при температуре 10^oС. Затем гелеобразные частицы промывают в воде.

Расчетное количество полученного биокатализатора, содержащего 1-4 г/л (по массе сухих клеток) иммобилизованные клетки или энзимы штамма B-771 вида Corynebacterium, штамма N-774 вида Corynebacterium штамма N-775 вида Nocardia, помещают в реакционную колонну и пропускают через нее водный раствор акрилонитрила с концентрацией не более 5 мас.% со скоростью 0,5-0,8 ч^-1 при температуре от 0 до 30^oС и при рН от 5 до 10.

По данному биотехнологическому способу получают целевой продукт - водные растворы акриламида с массовой долей 5-15% без дополнительной стадии очистки.

Производительность биотехнологического процесса получения целевого продукта определяется объемной скоростью гидратации акрилонитрила, показывающей время контактирования исходного вещества и иммобилизованных микроорганизмов или ферментов, необходимое для получения целевого продукта. Объемная скорость процесса получения водных растворов акриламида с массовой долей 5-15% составляет 0,5-0,8 ч^-1. Количество обработанного биокатализатора составляет 3-12 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении).

При этом процесс приготовления биокатализатора трудоемкий и длительный, возникает проблема утилизации сточных вод - отработанного буферного фосфатного раствора, используемого для промывки гелеообразных полимерных частиц биокатализатора.

Задачей изобретения является получение водных растворов акриламида высокой степени чистоты способом, обладающим высокой производительностью и экологической безопасностью.

Техническим результатом данного изобретения является значительное увеличение объемной скорости процесса получения продукта, соответствующего по качеству предъявляемым техническим требованиям, исключение длительной и трудоемкой стадии приготовления биокатализатора и, следовательно, сточных вод с данной стадии, а также снижение количества отработанного биокатализатора.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В скоростном смесителе приготавливают 4-10%-ную водную суспензию микроорганизмов, диспергируя пасту биомассы в воде. Расчетное количество полученной водной суспензии микроорганизмов вводят в реакционную колонку, снабженную рубашкой, обеспечивающей регулирование температуры в колонке в требуемых пределах. В нижнюю часть колонки последовательно с помощью насоса вводят водные растворы сернокислого алюминия, аминоактивного и катионоактивного акриловых сополимеров, составляющих от массы сухих клеток 0,40-3,0%; 0,05-0,30% и 0,02-0,20% соответственно.

Биокатализатор можно приготовить аналогичным образом в отдельной емкости, в которую при механическом перемешивании последовательно вводят водную суспензию микроорганизмов и водные растворы сернокислого алюминия, анионоактивного и катионоактивного сополимеров.

Время приготовления биокатализатора составляет 10-30 мин в зависимости от требуемого количества биокатализатора.

В нижнюю часть колонки с помощью насоса с объемной скоростью 0,8-3,0 ч^-1 вводят исходный реагент в водной смеси, содержащей 4-20% акрилонитрила, (2,0-4,0)10^-5% анионоактивного сополимера акриламида и (1,25-2,5)10^-5% катионоактивного сополимера аклиламиноалкил(мет)акрилата. В колонке поддерживают постоянную температуру, равную 3-50^oС. Через верхнюю часть колонки непрерывно выводят полученный 6-27%-ный водный раствор акриламида.

Для получения высококонцентрированного водного раствора акриламида 6-15%-ный водный раствор мономера из 1-ой колонки, предварительно смешанный с необходимым количеством акрилонитрила, с объемной скоростью 0,8-3,0 ч^-1 подают через нижнюю часть во 2-ую колонку, содержащую биокатализатор, приготовленный вышеописанным способом. Через верхнюю часть 2-ой колонки выводят 20-32%-ный водный раствор акриламида, который смешивают с необходимым количеством акрилонитрила и направляют в 3-ю колонку с биокатализатором, либо используют в качестве продукта.

Подачу исходного вещества в водной смеси с анионоактивным сополимером акриламида и катионоактивным сополимером алкиламиноалкил(мет)акрилата можно осуществлять противоточным или прямоточным методами.

По предлагаемому способу используют одну или несколько колонок, соединенных между собой в блоки, наполненных биокатализатором, в которые непрерывно подают акрилонитрил. Скорости подачи в колонки исходного реагента могут быть различными в зависимости от содержания в биокатализаторе штамма и концентрации акрилонитрила в водной смеси. Может быть использована так называемая секционная колонка, в которую исходный реагент непрерывно подают во входное отверстие отдельной секции колонки. Подача акрилонитрила в водной смеси с анионоактивным и катионоактивным сополимерами предусматривается в первую колонку, в последующие колонки в процессе получения высококонцентрированных растворов акриламида вводя полученные водные растворы акриламида, предварительно смешанные только с акрилонитрилом. Использование в водной смеси с акрилонитрилом сополимеров в предлагаемых концентрациях позволяет, с одной стороны, стабилизировать биокатализатор - суспензию штамма бактерий и, с другой стороны, не оказывать влияния на чистоту целевого продукта.

В отличие от прототипа по предлагаемому способу целевой продукт получают при гидратации акрилонитрила в его концентрированных 4-20%-ных водных смесях под действием биокатализатора, содержащего штамм Phodococcus rhodochrous - продуцентра нитрилгидратазы. Предлагаемые условия предварительной подготовки биокатализатора и осуществления гидратации акрилонитрила позволяют повысить объемную скорость процесса при сохранении нитрилгидратазной активности биокатализатора в водных смесях акрилонитрила высокой концентрации, а также уменьшить количества отработанного биокатализатора.

Объемная скорость получения водных растворов акриламида составляет 0,8-3,0 ч^-1. Отходы отработанного биокатализатора составляют 1,0-3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Сточные воды со стадии приготовления биокатализатора исключены.

Для приготовления биокатализатора используют биомассу Phodococcus rhodochrous М8 или Phodococcus rhodochrous М33 - продуцента нитрилгидратазы, выпускаемые по ТУ 9291-001-04836741-95 и ТУ 9291-003-04836741-97.

Используют сернокислый алюминий, выпускаемый по ГОСТ 3758-65.

В качестве анионоактивного акрилового сополимера используют сополимеры акриламида, содержащие в своем составе 5-30% карбоксилатных звеньев и имеющие характеристическую вязкость 6-20 дл/г (определяемую в 10%-ном растворе хлористого натрия при 25^oС на вискозиметру Убеллоде с диаметром капилляра 0,54 мм).

В качестве водорастворимого катионоактивного акрилового сополимера используют сополимеры акриламида и диалкиламиноалкил (мет)акрилатов или их кватернизованных солей диметилсульфата, хлористого метила и т.д. Содержание катионоактивных групп в акриловом сополимере составляет 50-100мол % . Катионоактивные сополимеры имеют характеристическую вязкость 0,5-8 дл/г (определяемую в 10%-ном растворе хлористого натрия при 25^oС на вискозиметре Убеллоде с диаметром капилляра 0,54 мм).

Целевым продуктом следует считать водные растворы акриламида, соответствующие техническим требованиям потребителей к качеству маномера: содержание остаточного акрилонитрила не более 0,1%, содержание акриловой кислоты не более 0,2%; оптическая плотность раствора не более 0,02, содержание полимера - отсутствие. Концентрацию акриламида и содержание примесей акрилонитрила и акриловой кислоты в целом продукте определяют методом газожидкостной хроматографии. Наличие полимера в целевом продукте оценивают визуально по изменению прозрачности смеси 100 мл метанола и 10 мл раствора акриламида. Если в растворе акриламида присутствует полимер, его спиртовой раствор мутнеет или приобретает опалсесцирующий оттенок. Оптическую плотность раствора акриламида определяют на фотоколориметре с длиной волны 540 нм (зеленый фильтр). Оптическая плотность целевого продукта, составляющая не более 0,02, свидетельствует об отсутствии остаточных количеств микроорганизмов.

При получении водных растворов акриламида, не соответствующих по качеству предъявляемым техническим требованиям, подачу акрилонитрила в реакционную колонку прекращают и проводят сравнительную оценку получаемого технического результата - объемной скорости процесса получения целевого продукта и количества отходов отработанного биокатализатора.

Объемную скорость (ОС, ч^-1) рассчитывают по отношению скорости подачи водной смеси акрилонитрила в колонну (W, л/ч) к объему колонки (V_к, л): ОС=W/V Содержание отходов отработанного биокатализатора (ОБ, г/кг) рассчитывают по отношению количества используемой биомассы штамма (М, г) к количеству полученного целевого продукта в 100%-ном исчислении (С_ц.пр., л): ОБ=М/С_ц.пр. Отличительными признаками предлагаемого способа получения водных растворов акриламида являются проведение гидратации акрилонитрила в его 4-20%-ной водной смеси с (2-4)10^-5% анионоактивных и (1,25-2,5)10^-5% катионоактивных сополимеров под действием биокатализатора, приготовленного последовательным смешением водной суспензии биомассы штамма бактерий с 0,40-3,00% сернокислого алюминия, 0,05-0,30% анионоактивного и 0,02-0,20% катионоактивного сополимера (от массы сухих клеток).

Использование штамма бактерий Phodococcus rhodochrous (продуцента фермента нитрилгидратазы) в биотехнологическом способе получения 5-50%-ных водных растворов акриламида известно.

Гидратация акрилонитрила в его концентрированных водных смесях под действием биокатализатора, предварительно приготовленного последовательным смешением биомассы штамма бактерий с сернокислым алюминием, анионоактивным и катионоактивным сополимерами, в биотехнологическом способе получения водных растворов акриламида в научно-технической литературе не описана.

Гидратация акрилонитрила в его концентрированных водных смесях с анионоактивным и катионоактивным сополимерами в биотехнологическом способе получения водных растворов акриламида в научно-технической литературе не описана.

Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение нового технического результата - повышение производительности и экологической безопасности процесса получения водных растворов акриламида. Объемная скорость гидратация акрилонитрила под действием биокатализатора составляет 1,5-3,0 ч^-1. Количество отработанного биокатализатора составляют 1,0-3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении) Осуществляемость способа иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

В емкости, снабженной перемешивающим устройством и рубашкой для подачи холодной воды, диспергируют 20 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 в 20 г дистиллированной воды, в полученную суспензию биомассы при комнатной температуре последовательно вводят 30 мл 0,17%-ного водного раствора сернокислого алюминия, 30 мл 0,025%-ного водного раствора анионоактивного сополимера акриламида, содержащего 30 мол.% , карбоксилатных групп и имеющего характеристическую вязкость 15 дл/г, 30 мл 0,017%-ного водного раствора катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата, содержащего 80% катионоактивных групп и имеющего характеристическую величину 5 дл/г. После 30 мин перемешивания барботированием воздуха получают биокатализатор с нитрилгидратазной активностью, в суспензии которого содержится 4,0 г по массе сухих клеток, 1,28% сернокислого алюминия, 0,19% анионоактивного и 0,13% катионоактивного сополимеров (к массе сухих клеток).

Устанавливают колонку из химического стекла высотой 70 см и диаметром 10 мм, вместимостью 86 мл. Приготовленный биокатализатор количественно переносят в колонку. Затем в колонку вводят при температуре 15-18^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 акрилонитрил в 15,4%-ной водной смеси, содержащей 410^-5% анионоактивного и 2,510^-5% катионоактивного сополимеров, используемых при приготовлении биокатализатора с нитрилгидратазной активностью.

На выходе получают 29,2 л 20,3%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

В 100%-ном исчислении выход акриламида составляет 6,0 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Сточные воды при приготовлении биокатализатора отсутствуют.

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 1.

Пример 1 сравнительный (по прототипу) В реакторе полимеризации, снабженном перемешивающим устройством и рубашкой для подачи холодной воды, диспергируют 50 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 с 30 г дистиллированной воды. Вводят при перемешивании в полученную суспензию биомассы 4,2 г акриламида, 0,4 г N,N - метиленбисакриламида и 0,4 г катионоактивного сополимера и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата для получения однородной суспензии. Катионоактивный сополимер содержит 80 мол.% катионоактивных групп и имеет характеристическую вязкость 1 дл/г. Для полимеризации в полученную суспензию, содержащую 75% акриламида, 5% метиленбисакриламида и 20% катионоактивного сополимера акриламида, вводят 5 мл 5%-ного водного раствора диметиламинопропионитрила и 10 мл 2,5%-ного раствора персульфата калия. Полимеризация протекает при температуре не выше 10^oС в течение 1 ч. Полученный сшитый водопоглощающий катионоактивный сополимер с иммобилизованной биомассой в количестве 100 г измельчают до тонких полимерных частиц размером 1х3 мм и смешивают с 300 мл 0,05 М фосфатного буферного раствора, содержащего 0,5 г 50%-ного водного раствора глютарового альдегида, в течение 1 ч при температуре не выше 10^oС. Затем полимерные гелеобразные частицы с иммобилизованной биомассой промывают водой. Получают 100 г биокатализатора с нитрилгидратазной активностью, содержащего 10 г по массе сухих клеток штамма.

Устанавливают колонку из химического стекла высотой 70 см и диаметром 1 см, вместимостью 86 мл. В колонку загружают 40 г биокатализатора, содержащего 4 г по массе сухих клеток, и вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 акрилонитрил в 15,4%-ной водной смеси, нейтрализованной до рН 7,5 карбонатом натрия. На выходе из колонки получают 9% водный раствор акриламида в 8%-ном растворе акрилонитрила. Для получения целевого продукта полученный водный раствор мономерной смеси акрилонитрила и акриламида вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 во вторую колонку вместимостью 150 мл, содержащую 60 г биокатализатора (6 г по массе сухих клеток). На выходе получают 52 л 20,3%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

В 100%-ном исчислении выход акриламида составляет 10,3 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 9,7 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Содержание сточных вод (буферного раствора при приготовлении биокатализатора) - 28 мл/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении).

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 1.

Пример 2.

В емкости, снабженной перемешивающим устройством и рубашкой для подачи холодной воды, диспергируют 2,5 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 в 40 г дистиллированной воды. Полученную суспензию биомассы количественно переносят в колонку из химического стекла (высотой 700 мм и диаметром 10 мм, вместимостью 86 мл). Затем в колонку при комнатной температуре последовательно вводят с помощью насоса 30 мл 0,017%-ного водного раствора сернокислого алюминия, 30 мл 0,005%-ного водного раствора анионоактивного сополимера акриламида, содержащего 30 мол.% карбоксилатных групп и имеющего характеристическую вязкость 15 дл/г, 30 мл 0,0035%-ного водного раствора катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата, содержащего 80% катионоактивных групп и имеющего характеристическую величину 5 дл/г. После 30 мин перемешивания барботированием воздуха получают биокатализатор с нитрилгидратазной активностью, в суспензии которого содержится 0,5 г по массе сухих клеток, 1,0% сернокислого алюминия, 0,3% анионоактивного и 0,2% катионоактивного сополимеров (к массе сухих клеток).

Затем в колонку вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 3,0 ч^-1 4%-ный водный раствор акрилонитрила, содержащий 4,010^-5% анионоактивного и 2,510^-5% катионоактивного сополимеров, используемых при приготовлении биокатализатора с нитрилгидратазной активностью. На выходе получают 14,7 л 5,1%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,1% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

В 100%-ном исчислении выход акриламида составляет 0,75 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Сточные воды при приготовлении биокатализатора отсутствуют.

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 1.

Пример 2 сравнительный (по прототипу) В реакторе полимеризации, снабженном перемешивающим устройством и рубашкой для подачи холодной воды, диспергируют 6,25 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 с 67,5 г дистиллированной воды. Вводят при перемешивании в полученную суспензию биомассы 4,2 г акриламида, 0,4 г N,N-метиленбисакриламида и 0,4 г катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата для получения однородной суспензии. Катионоактивный сополимер содержит 80 мол.% катионоактивных групп и имеет характеристическую вязкость 1 дл/г. Для полимеризации в полученную суспензию, содержащую 75% акриламида, 5% метиленбисакриламида и 20% катионоактивного сополимера акриламида, вводят 5 мл 5%-ного водного раствора диметиламинопропионитрила и 10 мл 2,5-ного раствора персульфата калия. Полимеризация протекает при температуре не выше 10^oС в течение 1 ч. Полученный сшитый водопоглощающий катионоактивный сополимер с иммобилизованной биомассой в количестве 100 г измельчают до тонких полимерных частиц размером 1х3 мм и смешивают с 300 мл 0,05 М фосфатного буферного раствора, содержащего 0,5 г 50%-ного водного раствора глутарового альдегида, в течение 1 ч при температуре не выше 10^oС. Затем полимерные гелеобразные частицы с иммобилизованной биомассой промывают водой. Получают 100 г биокатализатора с нитрилгидратазной активностью, содержащего 1,25 г по массе сухих клеток штамма.

Устанавливают колонку из химического стекла высотой 70 см и диаметром 1 см, вместимостью 86 мл. В колонку загружают 40 г биокатализатора, содержащего 0,5 г по массе сухих клеток, и вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 3,0 ч^-1 4%-ный водный раствор акрилонитрила, нейтрализованный до рН 7,5 карбонатом натрия. На выходе из колонки получают 3%-ный водный раствор акриламида в 1,8%-ном растворе акрилонитрила. Для получения целевого продукта полученный водный раствор мономерной смеси акрилонитрила и акриламида вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 3,0 ч^-1 во вторую колонку вместимостью 150 мл, содержащую 60 г биокатализатора (0,75 г по массе сухих клеток). На выходе получают 14,7 л 5,1%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

В 100%-ном исчислении выход акриламида составляет 0,75 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 133,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Содержание сточных вод (буферного раствора при приготовлении биокатализатора) - 500 мл/кг целевого продукта (в 100-ном исчислении).

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 1.

Пример 3 Аналогично примеру 2 заполняют в равных долях 2 колонки суспензией биомассы, приготовленной при диспергировании 10 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 в 30 г дистиллированной воды. Затем в каждую колонку при комнатной температуре последовательно вводят с помощью насоса 33 мл 0,03%-ного водного раствора сернокислого алюминия, 30 мл 0,005%-ного водного раствора анионоактивного сополимера акриламида, содержащего 30 мол.% карбоксилатных групп и имеющего характеристическую вязкость 15 дл/г, 33 мл 0,003%-ного водного раствора катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата, содержащего 80% катионоактивных групп и имеющего характеристическую величину 5 дл/г. После 30 мин перемешивания барботированием воздуха в каждой колонке получают биокатализатор с нитрилгидратазной активностью, в суспензии которого содержится 1,0 г по массе сухих клеток, 1,0% сернокислого алюминия, 0,15% анионоактивного и 0,1% катионоактивного сополимеров (к массе сухих клеток).

Затем в 1-ую колонку вводят при температуре 15-18^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 акрилонитрил в 20%-ной водной смеси, содержащей 4,010^-5% анионоактивного и 2,510^-5% катионоактивного сополимеров, используемых при приготовлении биокатализатора. Полученный 26,5%-ный водный раствор акриламида смешивают с 10,3% акрилонитрила и направляют при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 во вторую колонку. На выходе получают 7,2 л 40,3%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

В 100%-ном исчислении выход акриламида составляет 3,0 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Сточные воды при приготовлении биокатализатора отсутствуют.

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 1.

Пример 3 сравнительный (по прототипу) В реакторе полимеризации, снабженном перемешивающим устройством и рубашкой для подачи холодной воды, диспергируют 12,5 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 с 67,5 г дистиллированной воды. Вводят при перемешивании в полученную суспензию биомассы 4,2 г акриламида, 0,4 г N,N-метиленбисакриламида и 0,4 г катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата для получения однородной суспензии. Катионоактивный сополимер содержит 80 мол.% катионоактивных групп и имеет характеристическую вязкость 1 дл/г. Для полимеризации в полученную суспензию, содержащую 75% акриламида, 5% метиленбисакриламида и 20% катионоактивного сополимера акриламида, вводят 5 мл 5%-ного водного раствора диметиламинопропионитрила и 10 мл 2,5%-ного раствора персульфата калия. Полимеризация протекает при температуре не выше 10^oС в течение 1 часа. Полученный сшитый водопоглощающий катионоактивный сополимер с иммобилизованной биомассой в количестве 100 г измельчают до тонких полимерных частиц размером 1х3 мм и смешивают с 300 мл 0,05 М фосфатного буферного раствора, содержащего 0,5 г 50%-ного водного раствора глутарового альдегида, в течение 1 ч при температуре не выше 10^oС. Затем полимерные гелеобразные частицы с иммобилизованной биомассой промывают водой. Получают 100 г биокатализатора с нитрилгидратазной активностью, содержащего 2,5 г по массе сухих клеток штамма.

Устанавливают колонку из химического стекла высотой 70 см и диаметром 1 см, вместимостью 86 мл. В колонку загружают 40 г биокатализатора, содержащего 0,5 г по массе сухих клеток, и вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 акрилонитрил в 20%-ной водной смеси, нейтрализованной до рН 7,5 карбонатом натрия. На выходе из колонки получают 18,1% водный раствор акриламида в 6,5%-ном растворе акрилонитрила. Для получения целевого продукта полученный водный раствор мономерной смеси акрилонитрила и акриламида вводят при температуре 8-10^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 во вторую колонку вместимостью 150 мл, содержащую 60 г биокатализатора (1,5 г по массе сухих клеток). На выходе получают 5,5 л 26,4%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастают выше требуемой нормы концентрация акрилонитрила и оптическая плотность раствора.

В 100%-ном исчислении выход акриламида составляет 1,5 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 66,7 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Содержание сточных вод (буферного раствора при приготовлении биокатализатора) - 500 мл/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении).

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 1.

Пример 4 Аналогично примеру 1 заполняют колонку суспензией биомассы, приготовленной для диспергирования 12,5 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 в 20 г дистиллированной воды. Затем в колонку при комнатной температуре последовательно вводят с помощью насоса 30 мл 0,083%-ного водного раствора сернокислого алюминия, 30 мл 0,012%-ного водного раствора анионоактивного сополимера акриламида, содержащего 20 мол.% карбоксилатных групп и имеющего характеристическую вязкость 12 дл/г, 30 мл 0,008%-ного водного раствора катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли хлористого метила и диметиламиноэтилметакрилата, содержащего 50% катионоактивных групп и имеющего характеристическую величину 6 дл/г. После 30 мин перемешивания барботированием воздуха получают биокатализатор с нитрилгидратазной активностью, в суспензии которого содержится 2,5 г по массе сухих клеток, 1,0% сернокислого алюминия, 0,14% анионоактивного и 0,1% катионоактивного сополимеров (к массе сухих клеток).

Затем в колонку вводят при температуре 18-20^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 акрилонитрил в 16%-ной водной смеси, содержащей 410^-5% анионоактивного и 2,510^-5% катионоактивного сополимеров, используемых при приготовлении биокатализатора с нитрилгидратазной активностью, с рН 8. На выходе получают 7,8 л 21,1%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

Выход целевого продукта (в 100%-ном исчислении) составляет 3,75 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Сточные воды при приготовлении биокатализатора отсутствуют.

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 2.

Пример 5 Аналогично примеру 1 заполняют колонку суспензией биомассы, приготовленной при диспергировании 5,0 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 в 40 г дистиллированной воды. Затем в колонку при комнатной температуре последовательно вводят с помощью насоса 30 мл 0,017%-ного водного раствора сернокислого алюминия, 30 мл 0,005%-ного раствора анионоактивного сополимера акриламида, содержащего 5 мол.% карбоксилатных групп и имеющего характеристическую вязкость 15 дл/г, 30 мл 0,003%-ного водного раствора катионоактивного сополимера акриламида и четвертичной соли диметилсульфата и диметиламиноэтилметакрилата, содержащего 60% катионоактивных групп и имеющего характеристическую величину 4 дл/г. После 30-ти мин перемешивания барботированием воздуха получают биокатализатор с нитрилгидратазной активностью, в суспензии которого содержится 1,0 г по массе сухих клеток 1,7% сернокислого алюминия, 0,15% анионоактивного и 0,1% катионоактивного сополимеров (к массе сухих клеток).

Затем в колонку вводят при температуре 10-14^oС с объемной скоростью 0,8 ч^-1 акрилонитрил в 20%-ной водной смеси, содержащей 4,010^-5% анионоактивного и 2,510^-5% катионоактивного сополимеров, используемых при изготовлении биокатализатора. На выходе получают 5,4 л 26,5%-ного раствора акриламида, содержащего 0,1% акрилонитрила, 0,2% акриловой кислоты и имеющего оптическую плотность раствора, равную 0,01. Далее подачу исходного вещества прекращают, так как в водном растворе акриламида возрастает концентрация акрилонитрила выше допустимой величины.

Выход целевого продукта (в 100%-ном исчислении) составляет 1,5 кг. Содержание отходов отработанного биокатализатора - 3,3 г/кг целевого продукта (в 100%-ном исчислении). Сточные воды при приготовлении биокатализатора отсутствуют.

Сравнительные данные способа получения водного раствора акриламида приведены в табл. 2.

Пример 6 Аналогично примеру 1 заполняют колонку суспензией биомассы, приготовленной при диспергировании 2,5 г 20%-ной биомассы штамма Phodococcus rhodochrous М8 в 40 г дистиллированной воды. Затем в колонку при комнатной температуре последовательно вводят с помощью насоса 30 мл 0,013%-ного водного раствора сернокислого алюминия, 25 мл 0,003%-ного водного раствора анионоактивного сополимера акриламида, содержащего 30 мол.% карбоксилатных групп и имеющего хар