Способ непрерывного получения амидного соединения, представляющего собой акриламид или никотинамид

Способ непрерывного получения амидного соединения, представляющего собой акриламид или никотинамид

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения соединения с использованием биокатализатора.

Предпосылки создания изобретения

Биокатализаторы, такие как клетки, иммобилизованные клетки или иммобилизованные ферменты (далее они могут называться "биокатализаторами"), имеют преимущества в том, что, например, реакционные процессы могут быть упрощены, реакционные продукты имеют высокую чистоту благодаря сниженному количеству получаемых побочных продуктов, и высокореакционноспособные материалы также могут стабильно получаться благодаря мягким условиям реакции. Таким образом, биокатализаторы в последнее время используются в получении многих соединений.

Биокатализаторы, однако, вызывают снижение (дезактивацию) каталитической активности в процессе реакции. Поэтому были исследованы способы регулирования дезактивации для того, чтобы увеличить количество получаемого соединения на единицу количества катализатора, т.е. продуктивность катализатора (далее просто называется "продуктивностью"). Например, такие способы включают: способ, в котором реакцию проводят при низкой температуре от точки замерзания до 15°C (Опубликованная рассмотренная Японская заявка (kokoku) №56-38118); способ, в котором низкоконцентрированные субстраты непрерывно подаются через множество сырьевых бункеров (Опубликованная рассмотренная Японская заявка (kokoku) №57-1234); способ, в котором микроорганизмы или продукт их обработки обрабатывают органическим растворителем (Выложенная Японская заявка 5-308980); способ, в котором реакцию осуществляют в присутствии высших ненасыщенных жирных кислот (Выложенная Японская заявка (kokai) №7-265090); и способ, в котором клетки являются сшитыми глутаровым альдегидом или подобным (Выложенные Японские заявки (kokai) №№7-265091 и 8-154691).

Раскрытие сущности изобретения

Указанные способы сами по себе, однако, недостаточно улучшают продуктивность катализатора, и в результате количество катализатора, используемое в получении соединения, не является незначительным. Это приводит не только к увеличению стоимости производства соединения, но также увеличению количества отбрасываемого катализаторов, и, таким образом, способ их отбрасывания становится важным.

Соответственно, целью настоящего изобретения является создание способа получения соединения экономичным, эффективным и экологически приемлемым образом, который более эффективно использует биокатализатор при улучшении продуктивности катализатора, а поэтому снижении пропорциональной стоимости катализатора в получении соединения и образовании меньших отходов.

В общем случае реакцию, предпочтительно, проводят при низкой температуре для того, чтобы предотвратить дезактивацию при получении соединения с использованием биокатализатора. Однако авторами проведены направленные исследования, и в результате установлено, что продуктивность катализатора улучшается при повышении более поздней температуры по отношению к более ранней температуре по ходу потока катализатора в реакторе. Это приводит к выполнению настоящего изобретения. Кроме того, авторами установлено, что настоящее изобретение может быть достигнуто технически и экономическим простым образом, т.е., снижение количества тепла, отводимого от реактора, является достаточным, когда реакция является экзотермической реакцией.

Более конкретно настоящее изобретение представляет собой:

(1) Способ непрерывного получения соединения с использованием биокатализатора в одном или множестве реакторов, в котором более позднюю температуру реакции устанавливают выше более ранней температуры реакции в реакторе или между реакторами.

(2) Способ получения по (1), в котором более позднюю температуру реакции устанавливают выше более ранней температуры реакции, по меньшей мере, на 1°C в реакторе или между реакторами.

(3) Способ получения по (1), в котором более позднюю температуру реакции устанавливают выше более ранней температуры реакции, по меньшей мере, на 5°C в реакторе или между реакторами.

(4) Способ получения соединения по любому из (1)-(3), в котором биокатализатором являются микробные клетки или продукт их обработки.

(5) Способ получения соединения по (4), в котором получаемым соединением является амидное соединение.

(6) Способ получения соединения по (5), в котором получаемым соединением является акриламид, никотинамид или 5-циановалерамид; и

(7) Способ получения соединения по любому из (1)-(6), в котором катализатор течет параллельно с потоком реакционного раствора в реакторе.

Настоящее изобретение будет описано более подробно ниже.

Настоящее изобретение относится к способу непрерывного получения соединения в реакторе с использованием биокатализатора. Способ непрерывного получения соединения в реакторе с использованием биокатализатора относится к способу получения соединения с использованием биореактора, включая биохимический реактор (ферментный реактор) и биологический реактор (микробиологический реактор), и может быть осуществлен с использованием различных типов реакторов, таких как реактор с мешалкой, реактор с неподвижным слоем катализатора, реактор с псевдоожиженным слоем катализатора или реактор с подвижным слоем катализатора. В данном способе реакцию получения соединения проводят в реакторе. Некоторые реакции используют только один реактор, а некоторые другие реакции используют множество реакторов. Предпочтительно, два или более реакторов используют, с точки зрения, например, улучшения оперативности, такой как регулирование температуры и легкость замены катализатора, и улучшения эффективности реакции.

Биокатализаторы, используемые в настоящем изобретении, включают животные клетки, растительные клетки, клетки (жизнеспособные клетки или погибшие клетки), содержащие фермент, который катализирует интересующую реакцию, или продукт его обработки. Продукт обработки включает неочищенный или очищенный фермент, экстрагированный из клеток, и иммобилизованный продукт животных клеток, растительных клеток, органелл, клеток (жизнеспособных клеток или погибших клеток) или ферменты сами по себе, например, по методу захвата, методу сшивания или методу связывания с носителем. Клетки, используемые в качестве биокатализаторов, включают микробные клетки, такие как Rhodococcus rhodochrous и Pseudomonas chlororaphis, и в качестве фермента включают нитрил-гидратазу, полученную из указанных микроорганизмов. "Методом захвата", используемым здесь, является метод, в котором клетки или ферменты захватываются тонкими решетками полимерных гелей или покрываются полупроницаемым полимерным покрытием. "Методом сшивания" является метод, в котором фермент сшивается реагентом, имеющим две или более функциональных групп (многофункциональный сшивающий агент). "Методом связывания с носителем" является метод, в котором фермент связывается с водонерастворимым носителем. Иммобилизующие носители, используемые в иммобилизации, включают стеклянные шарики, силикагель, полиуретан, полиакриламид, поливиниловый спирт, карагенан, альгиновую кислоту, агар и желатин.

Метод захвата-иммобилизации широко применяется для промышленного использования среди методов иммобилизации клеток, потому что он может обеспечить иммобилизованные клетки, имеющие высокую клеточную концентрацию. Например, опубликованная рассмотренная Японская заявка (kokoku) №58-35078 и выложенная Японская заявка (kokai) №7-203964 рассматривают пример, в котором акриламид и/или акриламидное производное используют в качестве мономера для захвата-иммобилизации. Соединение, получаемое в соответствии с настоящим изобретением, не имеет особых ограничений, пока соединение может быть получено биокаталитическим действием. Примеры соединений включают химические соединения общего назначения, такие как спирты и амиды, и пищевые вещества, парфюмерия и медицинские вещества, такие как аминокислота, антибиотики, и физиологические вещества, или их исходный материал или промежуточный продукт. В частности, в получении химических соединений общего назначения важно и необходимо снизить количество используемых катализаторов с экономической точки зрения. Таким образом, настоящее изобретение является предпочтительным в получении химических соединений общего назначения с использованием биокатализаторов и, в частности, является более предпочтительным в получении амидных соединений, которые являются химическими соединениями общего назначения, получаемыми в последнее время в массовом масштабе с использованием биокатализаторов. Примеры амидных соединений включают акриламид, никотинамид и 5-циановалерамид.

Способ непрерывного получения соединения согласно настоящему изобретению является способом, в котором исходное соединение непрерывно или периодически вводят в реактор при непрерывном или периодическом удалении из него реакционного раствора без удаления общего количества реакционного раствора из реактора. В частности, это не относится к получению, в котором общее количество реакционного раствора периодически удаляется, т.е. к получению, которое называется периодической реакцией или полунепрерывной реакцией. Возможные типы реакции для непрерывного получения соединения с использованием биокатализатора согласно настоящему изобретению включают тип, который использует неподвижный слой, подвижный слой, псевдоожиженный слой, реактор с мешалкой и т.п.В любом из указанных типов реактор, используемый в настоящем изобретении, предпочтительно, оборудован охлаждающей или нагревательной системой, такой как рубашка, охлаждающий или нагревательный змеевик, внешняя циклическая охлаждающая система или внешняя циклическая нагревательная система. Альтернативно, реактор целиком или его часть могут быть погружены в ванну с постоянной температурой для осуществления охлаждения или нагревания. Также между реакторами может быть установлен теплообменник.

В таком типе биокатализатор дезактивируется по истечении времени в любом случае. Таким образом, биокатализатор должен непрерывно или периодически вводиться в реактор при удалении из реактора. Поэтому в непрерывном способе получения образуется заданный поток биокатализатора с более раннего по более поздний этапы. "Более ранний" согласно настоящему изобретению относится к этапу, где катализаторы вводят в реактор, и, наоборот, "более поздний" относится к этапу, когда катализаторы удаляют.

Каждый реакционный тип будет описан более подробно. В случае неподвижного слоя, предполагается, что неподвижный слой, содержащий множество реакторов, должен быть использован как псевдодвижущийся слой (используемый в карусельной системе), и в случае псевдоожиженного слоя или реактора с мешалкой должен быть ряд реакторов. В данном случае более ранним реактором является реактор, который находится на этапе, когда катализаторы вводят среди множества реакторов, а более поздним реактором является реактор, который находится на этапе, когда катализаторы в реакционной системе удаляются. В случае движущегося слоя, в котором биокатализатор движется вместе с потоком реакционного раствора в одном реакторе, "более ранний" относится к этапам, которые называются впуском реактора, в который вводят катализаторы, и "более поздний" относится к этапам, которые называются выпуском реактора, из которого катализаторы в реакционной системы удаляются. Используемый здесь "движущийся слой" включает тип реакции, использующий проточный трубчатый реактор.

Соответственно, "более позднюю температуру реакции устанавливают выше более ранней температуры реакции по ходу потока катализатора в реакторе" означает, что более позднюю температуру реакции устанавливают выше более ранней температуры реакции вышеуказанного катализатора. Более конкретно, в последовательном типе, использующем множество реакторов, температуру наиболее позднего реактора, среди множества реакторов, устанавливают выше температуры наиболее раннего реактора. Например, когда соединяются четыре реактора, температуру четвертого реактора устанавливают выше температуры первого реактора. В последовательном типе, использующем единственный реактор, такой как движущийся слой, температуру части вблизи выпуска реактора устанавливают выше температуры части вблизи впуска реактора. Использованное здесь выражение "температура реакции является выше" означает, что температура может быть подтверждена, чтобы быть выше в измеряемом интервале, т.е. выше, по меньшей мере, на 0,1°C. Для того, чтобы сделать настоящее изобретение более эффективным, температура, предпочтительно, является выше, по меньшей мере, на 1°C, и, более предпочтительно, выше, по меньшей мере, на 5°C. Температуру реакции выбирают адекватно, принимая во внимание стабильность катализатора, используемого в реакции, и т.п.

В настоящем изобретении поток катализатора находится, предпочтительно, параллельно с потоком реакционного раствора. Поток катализатора находится параллельно с потоком реакционного раствора означает, что поток реакционного раствора находится в том же направлении, что и поток катализатора. Когда реакция является экзотермической реакцией, если катализатор течет в том же направлении, что и реакционный раствор, любое регулирование количества отводимого тепла является достаточным для повышения температуры реакции, и, таким образом, более поздняя температура реакции может быть легко установлена выше более ранней температуры реакции по ходу потока катализатора в реакторе.

Наилучший вариант осуществления изобретения

Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на следующие примеры. Указанные примеры, однако, не предназначены для ограничения технического объема настоящего изобретения.

Пример 1

(1) Получение биокатализатора

Штамм Rhodococcus rhodochrous J1, имеющий активность нитрил-гидратазы (депонированный в International Patent Organism Depositary of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 18 сентября 1987 г. под депозитарным номером по каталогу FERM BP-1478 (Tsukuba Central 6, 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki, Япония)), аэробно культивируют в среде (рН 7,0), содержащей 2% глюкозы, 1% мочевины, 0,5% пептона, 0,3% экстракта дрожжей и 0,05% хлорида кобальта (все значения даются по массе), при 30°C. Культивированный продукт собирают с использованием центрифуги и промывают 50 мМ фосфатным буфером (рН 7,0) с получением суспензии клеток (15 мас.% сухих клеток).

(2) Реакция получения никотинамида из 3-цианопиридина

Четыре отдельные колбы (внутренний объем 1 л), оборудованные рубашками, соединяют последовательно. В первую колбу непрерывно вводят 50 мМ фосфатный буфер (рН 8), содержащий 15% растворенного в нем 3-цианопиридина, со скоростью потока 200 мл/ч и суспензию клеток со скоростью потока 0,3 мл/ч и при перемешивании проводят реакцию при регулировании температуры с использованием хладагента (20°C) в рубашке так, чтобы довести температуры с первого по четвертый реакторов до 30°C, 30°C, 32°C и 35°C, соответственно.

Через три дня реакционный раствор, выгруженный из четвертого реактора, анализируют жидкостной хроматографией (колонка: ODS-80A (GL Science Inc., элюант: 5% ацетонитрил/10 мМ фосфатный буфер (рН 7), определение: 200 нМ)). В результате 3-цианопиридин не обнаруживается при обнаружении около 17% никотинамида.

Сравнительный пример 1

Реакцию проводят с использованием суспензии клеток, полученной в примере 1, таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что температуру реакции устанавливают при 30°C во всех четырех реакторах.

Через три дня реакционный раствор, выгруженный из четвертого реактора, анализируют таким же образом жидкостной хроматографией. В результате образуется только 16% никотинамида, и определяют около 1% непрореагировавшего 3-цианопиридина.

Сравнительный пример 2

Реакцию проводят с использованием суспензии клеток, полученной в примере 1, таким же образом, как в примере 1, за исключением того, что температуру реакции устанавливают при 35°C во всех четырех реакторах.

Через три дня реакционный раствор, выгруженный из четвертого реактора, анализируют таким же образом жидкостной хроматографией. В результате образуется только 15% никотинамида, и определяют около 2% непрореагировавшего 3-цианопиридина.

Пример 2

(1) Получение биокатализатора

Pseudomonas chlororaphis В23, имеющий активность нитрил-гидратазы (депонированный в International Patent Organism Depositary of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 16 ноября 1981 г под депозитарным номером по каталогу FERM BP-187 (Tsukuba Central 6, 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki, Япония)), аэробно культивируют в среде (рН 7,5), содержащей 1,0% сахарозы, 0,5% метакрилонитрила, 0,3% пептона, 0,1% калийдиводородфосфата, 0,1% дикалийводородфосфата, 0,1% сульфата магния, 0,3% экстракта дрожжей и 0,001% сульфата железа (все значения даются по массе), при 25°C. Культивированный продукт промывают 50 мМ фосфатным буфером (рН 7,0) с получением суспензии клеток (12 мас.% сухих клеток).

Отдельно получают водный раствор мономерной смеси так, чтобы содержание акриламида, метиленбисакриламида и 2-диметиламинопропилметакриламида составило 30, 1 и 4 мас.%, соответственно.

Затем суспензию клеток, водный раствор мономеров и водный 10% масс.раствор N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамина последовательно подвергают направленному смешению с водным 10 мас.% раствором персульфата аммония при 5, 2, 0,1 и 0,1 л/ч, соответственно, для полимеризации. Затем полученный продукт режут на примерно 1 мм² частицы с получением частиц иммобилизованных клеток. Указанные частицы иммобилизованных клеток промывают 50 мМ фосфатным буфером (рН 7,0) погружением при псевдоожижении с получением катализаторов из иммобилизованных клеток (в данном катализаторе содержится около 8 мас.% сухих клеток).

(2) Реакция получения акриламида из акрилонитрила с использованием катализатора из иммобилизованных клеток

Используют устройство, подобное использованному в примере 1, за исключением того, что проволочные сетки помещают на выпусках реакционного раствора из каждого реактора для предотвращения катализаторов из иммобилизованных клеток от выхода из каждого реактора. 50 г катализатора из иммобилизованных клеток вводят в каждый реактор. 50 мМ фосфатного буфера (рН 7) и акрилонитрила непрерывно вводят в первый реактор со скоростью 155 мл/ч и 25 г/ч, соответственно. Во второй реактор добавляют только акрилонитрил непрерывно со скоростью 20 г/ч. При перемешивании в каждом из указанных реакторов температуру реакции регулируют с использованием хладагента (5°C) рубашки так, чтобы довести температуру с первого по четвертый реактора до 10°C, 10°C, 12°C и 15°C, соответственно. 6 г катализатора удаляют из четвертого реактора ежедневно с использованием проволочных сеток для замены катализаторов в реакторе. 6 г каждого катализатора переносят из третьего реактора в четвертый реактор, из второго реактора в третий реактор и из первого реактора во второй реактор, и 6 г катализатора затем добавляют в первый реактор, в результате непрерывно проводя реакцию получения акриламида.

Реакционный раствор, выгруженный из четвертого реактора, анализируют газовой хроматографией (колонка: PraPak-PS (Waters), 1 м, 180°C, газ-носитель: азот, детектор: FID) ежедневно. При работе в течение около трех месяцев было определено только около 30% акриламида, хотя непрореагировавший акрилонитрил обнаружен не был.

Сравнительный пример 3

Реакцию проводят с использованием катализатора из иммобилизованных клеток, полученного в примере 2, таким же образом, как в примере 2, за исключением того, что температуру реакции устанавливают на уровне 10°C во всех четырех реакторах.

Через примерно 1,5 месяца непрореагировавший акрилонитрил начинает оставаться в реакционном растворе, выгружаемом из четвертого реактора, и качество акриламидного продукта начинает ухудшаться. Количества вводимых и выводимых катализаторов изменяют до 8 г/день, и в результате непрореагировавший акрилонитрил снова не обнаруживается.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может легко снизить количество биокатализатора, используемого в получении соединения, и, таким образом, может обеспечить способ получения соединения экономичным, эффективным и экологически приемлемым образом, который способен снизить пропорциональную стоимость катализатора в получении соединения и получать меньше отходов.

Все публикации, указанные здесь, приводятся в их полноте. Специалисту в данной области техники будет легко понять, что возможны различные изменения и модификации настоящего изобретения без отхода от диапазона технических идей и объема изобретения, описанных в прилагающейся формуле изобретения. Настоящее изобретение также предназначено включать такие изменения и модификации.

1. Способ непрерывного получения амидного соединения, представляющего собой акриламид или никотинамид с использованием биокатализатора в нескольких реакторах, в котором биокатализатор обладает нитрил-гидратазной активностью, температуру реакции в реакторе по ходу процесса, из которого удаляют биокатализатор, устанавливают выше, чем температура реакции в реакторе, применяемом в начале процесса, в который добавляется биокатализатор по меньшей мере на 5°С, при этом поток катализатора протекает параллельно потоку реакционного раствора в реакторе и способ осуществляют путем контактирования субстрата и биокатализатора.

2. Способ получения по п.1, отличающийся тем, что в качестве биокатализатора используют микробные клетки или продукт их переработки.