Способ получения акриламида с использованием микробного катализатора, промытого водным раствором акриловой кислоты

Способ получения акриламида с использованием микробного катализатора, промытого водным раствором акриловой кислоты

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к способу получения акриламида из акрилонитрила посредством действия, полученного из микроорганизма фермента - нитрилгидратазы. Акриламид используют в ряде областей в качестве промышленно важного вещества. Например, полимеры акриламида широко используют при таких применениях, как в качестве коагулянта для обработки сточных вод, средства придания прочности бумаге, средства для сбора масла и тому подобных.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Акриламид обычно получали в промышленных условиях путем гидратации подходящего для этой цели акрилонитрила с использованием в качестве катализатора меди в восстановленном состоянии. Недавно был разработан способ с использованием вместо медного катализатора микробного катализатора, и частично указанный способ реально используется. Биокаталитический способ с использованием микробного катализатора или подобного катализатора перспективен в качестве способа промышленного производства, поскольку в способе используются умеренные условия реакции, и он почти не дает побочных продуктов, так что можно разработать очень простую процедуру для осуществления указанного способа. Так, до настоящего времени обнаружено много микроорганизмов, имеющих фермент (название фермента: нитрилгидратаза), способный катализировать превращение (превращать) акрилонитрила в акриламид путем гидратации.

Примеры таких микроорганизмов включают микробные штаммы, принадлежащие к родам Bacillus, Bacteridium, Micrococcus, Brevibacterium [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №62-21519 B (1987) для указанных выше микроорганизмов], Corynebacterium и Nocardia [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №56-17918 B (1981) для указанных выше микроорганизмов], Pseudomonas [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №59-37951 B (1984)], Rhodococcus и Microbacterium [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №4-4873 B (1992) для указанных выше микроорганизмов], Rhodococcus rhodochrous [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №6-55148 B (1994)] и Rhodococcus [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №7-40948 B (1995)].

Примеры способа получения акриламида с использованием в качестве микробного катализатора указанного выше микроорганизма, включают способы, описанные в публикациях патентов Японии (Kokai) №11-123098 A (1999) и 7-265091 A (1995) и в публикации патента Японии (Kokoku) №56-38118 B (1981). Примером способа реакции является способ из публикации патента Японии (Kokai) №11-89575 A (1999).

Кроме того, проведено множество исследований с целью повышения активности фермента или подавления уменьшения (дезактивации) активности фермента в ходе реакции. Примеры такого исследования включают способ, который заключается в осуществлении реакции при низкой температуре, на 15°С ниже точки замерзания [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №56-38118 B (1981)], способ, который заключается в последовательной подаче субстрата при низкой концентрации из множества отверстий для подачи [смотри публикацию патента Японии (Kokoku) №57-1234 B (1982)], способ, который заключается в обработке микроорганизмов или его продукта, обработанного органическим растворителем [смотри публикацию патента Японии (Kokai) №5-308980 A (1993)], способ, который заключается в осуществлении реакции в присутствии высшей ненасыщенной жирной кислоты [смотри публикацию патента Японии (Kokai) №7-265090 A (1995)], и способ, который заключается в том, что микробные клетки подвергают сшиванию с помощью глутаральдегида или тому подобным [смотри публикацию патента Японии (Kokai) №7-265091 A (1995) и 8-154691 A (1996)].

Между тем общеизвестные способы промывки микробного катализатора заключаются в промывке с использованием физиологического раствора, буфера, такого как водный раствор фосфата или трис-гидрохлорида, чтобы подавить снижение активности фермента. Однако отсутствуют сообщения о промывке микробного катализатора, при которой учитывается влияние компонентов промывных вод на физические свойства полимеров акриламида и стабильность мономеров при хранении.

Как описано выше, способ получения акриламида с использованием микробного катализатора перспективен в качестве способа промышленного производства, поскольку в способе используются умеренные условия реакции, и он почти не дает побочных продуктов, так что не требуется очистка и можно разработать очень простую процедуру.

Хотя указанные выше способы производства не дают побочных продуктов при ферментативной реакции, они обладают недостатком, а именно, когда промывают используемый микробный катализатор, загрязнение примесями, полученными из промывных вод, влияет на физические свойства полимеров акриламида и стабильность мономеров акриламида при хранении. Чтобы решить проблему, можно осуществить очистку, такую как кристаллизация, ионный обмен или дистилляция. Однако из-за указанных способов очистки не может быть использована важная характерная особенность способа производства с использованием микробного катализатора, а именно почти полное отсутствие побочного продукта при реакции. Более того, применение указанных способов также неблагоприятно с точки зрения энергетических и экологических проблем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В результате интенсивных исследований, направленных на решение указанных выше проблем, заявители осуществили данное изобретение на основе обнаружения того, что акриламид с улучшенными физическими свойствами полимеров акриламида и повышенной стабильностью мономеров акриламида при хранении можно получить с использованием микробного катализатора, промытого водным раствором акриловой кислоты, в способе получения акриламида из акрилонитрила с использованием микробного катализатора, содержащего полученный из микроорганизма фермент нитрилгидратазу.

Другими словами, данное изобретение относится к способу получения акриламида с использованием микробного катализатора, который превращает акрилонитрил в акриламид, в котором используют микробный катализатор, промытый водным раствором акриловой кислоты.

Микробным катализатором, который можно использовать в данном изобретении, может быть любой катализатор, пока его получают из микроорганизмов, обладающих каталитической активностью (активностью нитрилгидратазы) превращать акрилонитрил в акриламид. Предпочтительные примеры таких микробных видов включают виды, относящиеся к роду Bacillus, роду Bacteridium, роду Micrococcus, роду Brevibacterium, роду Corynebacterium, роду Nocardia, роду Pseudomonas, роду Microbacterium, роду Rhodococcus, роду Achromobacter и роду Pseudonocardia. Можно использовать один из указанных микроорганизмов или их комбинацию.

Кроме того, получают трансформант, который можно использовать в данном изобретении, получая ген нитрилгидратазы из указанных выше микроорганизмов и затем вводя непосредственно ген или искусственно улучшенный ген в свободно выбранного хозяина.

Предпочтительные примеры указанного выше трансформанта включают Escherichia coli MT10770 (FERM P-14756) (публикация патента Японии (Kokai) №8-266277 A (1996)), которая была трансформирована нитрилгидратазой микроорганизмов рода Achromobacter, Escherichia coli MT10822 (FERM BP-5785) (публикация патента Японии (Kokai) №9-275978 A (1997)), которая была трансформирована нитрилгидратазой микроорганизмов рода Pseudonocardia, или микроорганизмы, трансформированные нитрилгидратазой (публикация патента Японии (Kokai) No. 4-211379 A (1992)) рода Rhodococcus rhodochrous.

Указанные выше микроорганизмы можно культивировать любым способом, который подходит для данного микробного вида.

В данном изобретении микробный катализатор, который получают из микроорганизмов, относится к культуральному раствору, полученному при культивировании микроорганизмов, клеткам, полученным в процессе сбора или тому подобного, к клеткам, разрушенным ультразвуком или подобным способом, или к тому, что получают после разрушения клеток, включая неочищенный фермент, частично очищенный фермент или очищенный фермент. При необходимости указанные микробные катализаторы можно иммобилизовать на носителях, таких как полиакриламидный гель, альгинат, каррагинан или ионообменная смола. Способ применения микробного катализатора можно соответствующим образом выбрать в зависимости от стабильности фермента, масштаба производства и тому подобного.

Термин «промывка» в данном изобретении относится к промывке микробных клеток, которые были культивированы, и/или микробных катализаторов, которые необходимо использовать в реакции. Таким образом, и микробные клетки, которые были культивированы, и микробные катализаторы, которые необходимо использовать в реакции, можно промыть акриловой кислотой, или можно промыть акриловой кислотой только микробные катализаторы, которые необходимо использовать в реакции. Например, микробный катализатор, который необходимо использовать в реакции, можно один раз промыть водой, буфером или подобным и затем промыть акриловой кислотой перед реакцией. Микробные катализаторы можно промыть акриловой кислотой непосредственно перед реакцией.

Кроме того, можно использовать любой способ промывки. Примеры такого способа, который можно проиллюстрировать в данном описании, включает способ, который заключается в повторных промывках и центрифугировании, и способ промывки с использованием мембраны из полых волокон. Кроме того, иммобилизованные микробные катализаторы можно промывать, повторяя перемешивание и осаждение иммобилизованных катализаторов в промывочной среде и удаление надосадочной жидкости.

Можно выбрать любой способ промывки и любое количество промывок, принимая во внимание эффективность промывки, стабильность фермента и тому подобное.

Концентрация акриловой кислоты, используемой для промывки, предпочтительно составляет от 0,01% мас. до 10% мас. в водном растворе акриловой кислоты. Более предпочтительно, концентрация составляет от 0,05% мас. до 1% мас. и наиболее предпочтительно составляет 0,1% мас.

В том случае, когда концентрация акриловой кислоты составляет 0,01% мас. или менее, продолжительность промывки и количество промывок увеличиваются, так что способы становятся сложными. Кроме того, такое увеличенное количество промывок вызывает разрушение клеток во время промывки, коллапсирование иммобилизованных клеток и тому подобное. Концентрация 10% мас. или более является неблагоприятной, поскольку она вызывает снижение активности фермента, а также невыгодна экономически.

Значение pH водного раствора акриловой кислоты доводят, используя гидроксид натрия, аммиак или подобное. Предпочтительно, pH используемого в данном изобретении раствора доводят до 5-11, более предпочтительно 6-10 и наиболее предпочтительно до 7.

Микробные катализаторы, полученные как описано выше, можно использовать в качестве микробных катализаторов в суспензионном состоянии или в виде дисперсии в водном растворе акриловой кислоты, или в состоянии, подвергаемом разделению на твердое вещество и жидкость.

НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение будет описано более конкретно с помощью следующих примеров. Указанные примеры не предназначены для ограничения объема данного изобретения.

[Пример 1]

(1) Способ получения культивированных и промытых микробных клеток

Rhodococcus rhodochrous J-1 (FERM BP-1478), обладающую активностью нитрилгидратазы (публикация патента Японии (Kokoku) No. 6-55148 B (1994), культивировали в среде (pH 7,0), содержащей 2% мас. глюкозы, 1% мас. мочевины, 0,5% мас. пептона, 0,3% мас. дрожжевого экстракта и 0,05% мас. хлорида кобальта во встряхивающем ферментере объемом 30 л (Takasugi Seisakusho) при 30°С в течение 60 часов аэробно.

20 литров раствора, культивируемого как описано выше, фильтровали посредством циркуляции через модуль с мембранами из полых волокон поперечно-поточного типа. Культивируемые клетки промывали, последовательно подавая 0,7% мас. фосфатный буфер (pH 7,0) в объеме, соответствующем объему фильтрата, в культуральный раствор, получая таким образом промытые микробные клетки.

(2) Приготовление носителей с иммобилизованными микроорганизмами

К 500 г промытой суспензии клеток (20% мас. при пересчете на массу сухих клеток), полученной согласно (1), добавляли 500 г раствора смеси мономеров, содержащего акриламид, метиленбисакриламид и 2-диметиламинопропилметакриламид с концентрацией 20%, 2% и 2% мас. соответственно, так чтобы надлежащим образом приготовить суспензию. К суспензии добавляли 5% мас. (2 г) персульфата аммония и 50% мас. (2 г) N,N,N,N-тетраметилэтилендиамина для полимеризации и гелеобразования. Продукт нарезали на кубики размером примерно 1 мм, получая таким образом носители с иммобилизованными микроорганизмами.

Носитель с иммобилизованными микроорганизмами, полученный описанным выше способом, подвергали 20 циклам обработки, при этом каждый цикл состоял из следующих стадий: (1) суспендирование и перемешивание в 0,1% мас. водном растворе акрилата натрия (pH 7,0), (2) выстаивание неподвижно и осаждение и (3) удаление надосадочной жидкости.

(3) Реакция амидирования

3200 г водного раствора акрилата натрия в концентрации 0,2 г/л помещали в отдельный флакон с внутренним объемом 5 литров. К водному раствору акриловой кислоты добавляли 3 г иммобилизованных микроорганизмов, полученных согласно (2). Раствор перемешивали при поддержании pH 7,0 и температуре 20°С.

К указанному раствору последовательно подавали акрилонитрил для поддерживания концентрации акрилонитрила при 2% мас., и затем осуществляли реакцию накопления до того, как концентрация акриламида достигала 50% мас.

После окончания реакции раствор фильтровали через мембранный фильтр с порами 0,45 мкм для того, чтобы удалить катализатор.

(4) Способ оценки физических свойств полимера

20% мас. акриламида, полученного в примере 1 (3), растворяли в 80% мас. воды. После доведения значения pH до 8,0 раствор переносили в сосуд Дьюара, и затем воздух в системе заменяли азотом. Затем добавляли 0,0004% персульфата аммония, 0,0004% сульфата железа и 0,01% 4,4'-азобис-(4-циановалериановой кислоты), чтобы осуществить полимеризацию. Полученные таким образом содержащие воду гелеобразные полимеры измельчали на частицы диаметром несколько мм, используя мясорубку. Затем частицы сушили при 80°С в течение 10 часов и затем дробили так, чтобы размер частиц составлял 2 мм или менее, используя дробилку Wiley, получая таким образом порошок полимера.

Полученный таким образом порошок полимера готовили до получения концентрации 0,2%, используя 500 г воды. Раствор перемешивали при комнатной температуре в течение 4 часов и затем растворяли. Затем измеряли вязкость по Брукфилду (вискозиметр типа B, количество вращений ротора: 30 об/мин, и ротор №1). Затем раствор фильтровали через плетеную металлическую проволоку с отверстиями 80 меш и затем измеряли массу нерастворимых веществ, которые оставались на проволоке после промывки водой.

(5) Способ оценки стабильности мономеров при хранении

50 г 50% водного раствора мономера акриламида, полученного в примере 1 (3), и испытательные образцы железа помещали во флакон объемом 100 мл, изготовленный из полиэтилена, и затем флакон закрывали крышкой, чтобы избежать испарения. Указанный флакон хранили в высокотемпературном шкафу при 50°С и затем определяли стабильность на основании наличия или отсутствия полимеризованных продуктов.

Результаты примера 1 (4) и (5) показаны в таблице 1 и таблице 2.

[Сравнительный пример 1]

Сравнительный пример 1 осуществляли подобно примеру 1 за исключением использования 0,7% фосфатного буфера (pH 7,0) вместо 0,1% мас. водного раствора акрилата натрия (pH 7,0) на стадии получения носителей с иммобилизованными микроорганизмами в примере 1 (2).

Результаты показаны в таблице 1 и таблице 2.

Таблица 1Физические свойства полимера
	Время полимеризации [мин]	Вязкость [МПа·с]	Нерастворимое вещество [г]
Пример 1	17	44	0
Сравнительный пример 1	74	150	290

Таблица 2Стабильность при хранении
	Дни хранения (дни)
Пример 1	>10
Сравнительный пример 1	<1

Все публикации, патенты и патентные заявки, цитированные в данном описании, включены в него в виде ссылки в полном объеме.

Промышленная применимость

Как подробно описано выше, применение микробного катализатора, промытого акриловой кислотой, при получении акриламида с использованием микробного катализатора делает возможным получение акриламида с высокой стабильностью при хранении и хорошим качеством.

1. Способ получения акриламида с использованием микробного катализатора, обладающего нитрилгидратазной активностью, в котором используют указанный микробный катализатор, промытый водным раствором акриловой кислоты в концентрации от 0,01 мас.% до 10 мас.%.

2. Способ получения акриламида по п.1, где микробный катализатор получен из микроорганизма, имеющего нитрилгидратазу, выбранного из группы, состоящей из рода Bacillus, рода Bacteridium, рода Micrococcus, рода Brevibacterium, рода Corynebacterium, рода Nocardia, рода Pseudomonas, рода Microbacterium, рода Rhodococcus, рода Achromobacter и рода Pseudonocardia и трансформированных микроорганизмов, содержащих чужеродный нитрилгидратазный ген.

3. Способ получения акриламида по п.1, где микроорганизм представляет собой Rhodococcus rhodochrous, имеющий нитрилгидратазу.

4. Способ получения акриламида по любому из пп.1-3, где микробный катализатор представляет собой микроорганизм, как определено в п.2 или 3, или иммобилизованный микроорганизм, произведенный из него.

5. Способ получения акриламида по любому из пп.1-4, где рН водного раствора акриловой кислоты составляет от 5 до 11.