Водный раствор акриламида, содержащий сахарид

Водный раствор акриламида, содержащий сахарид

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к водному раствору акриламида, применимому в качестве исходного сырья для получения высококачественного полиакриламида.

Предпосылки создания изобретения

Полимеры акриламида имеют широкий спектр применений. Например, они могут использоваться в качестве флоккулянтов, средств для производства бумаги, кондиционеров почвы, агентов для регенерации нефти, загустителей для буровых жидкостей и абсорбентов полимеров. Необходимо, чтобы полимер акриламида обладал такими свойствами, как очень высокая молекулярная масса, чтобы он генерировал небольшое количество водорастворимого вещества при растворении в воде и т.п. для использования в таких областях применения.

Было предложено разнообразие способов в качестве способов получения такого полимера акриламида с высокой молекулярной массой и хорошей растворимостью. Пример такого способа осуществляют при использовании агента переноса цепи, который препятствует генерации полимеров с аномально высокой молекулярной массой, или вещества, которое может предотвратить сшивание, происходящее в сухих условиях. Однако предполагается, что качество акриламида значительно влияет на качество полимера акриламида. Это можно вывести, основываясь на том факте, что, например, было предложено разнообразие способов получения акриламида, при которых удаляются примеси, такие как акролеин или оксазол (например, патентные публикации Японии (Kokai) №8-157439 А (1996) и 10-7638 А (1998)).

Однако до настоящего времени отсутствуют сообщения, касающиеся влияния сахарида на свойства полимера акриламида.

Ранее, используемый акриламид получали из акрилонитрила с использованием восстановленной меди в качестве катализатора. Недавно разработан и доведен до практического применения способ, в котором используется микробный фермент вместо медного катализатора. Способ, в котором используется микробный фермент, является очень эффективным в качестве промышленного способа производства, т.к. условия реакции являются умеренными, по существу не генерируется побочный продукт, и данный способ может быть легко осуществим.

Акриламид, полученный при использовании микробного фермента, генерирует только небольшие количества примесей. Таким образом, исходя из этого, можно получить высококачественный полиакриламид, который обладает очень высокой молекулярной массой и является свободным от нерастворимых примесей (патентная публикация Японии (Kokai) №9-118704 А (1997)). Соответственно подобный способ получения является основным способом получения акриламида в настоящее время.

Раскрытие изобретения

Акриламид представляет собой высокотоксичное вещество, определяемое как вредное вещество. Обычно использование водного раствора с высоким содержанием акриламида приводит к образованию полимеров с более высокой молекулярной массой и генерации водного раствора высоковязкого полиакриламида. В последнее время стало предпочтительным снижать количество акриламида, используемого для получения полиакриламида, который применяется в разных областях промышленности, вследствие общественного интереса к проблемам окружающей среды и проблемам энергетики. Таким образом, возрастает спрос на производство высоковязкого полиакриламида из водного раствора с низким содержанием акриламида. Конкретно цель настоящего изобретения состоит в получении раствора акриламида, который может обеспечить полиакриламид с более высокой вязкостью из водного раствора с низким содержанием акриламида, и в обеспечении полиакриламида, получаемого из такого раствора акриламида.

Авторы настоящего изобретения провели интенсивное исследование для достижения вышеуказанной цели. В результате было обнаружено, что водный раствор акриламида, содержащий сахариды, может обеспечить водный раствор полиакриламида с более высокой вязкостью, чем раствор полиакриламида, полученный из водного раствора с эквивалентным содержанием акриламида, не содержащего сахарид. Данное открытие привело к завершению настоящего изобретения. Также неожиданно было обнаружено, что вязкость может значительно повышаться при содержании сахарида, равном 100 мг/л или ниже, и даже 50 мг/л или ниже.

Конкретно настоящее изобретение относится к:

(1) водному раствору акриламида, содержащему сахарид;

(2) водному раствору акриламида, содержащему от 0,1 мг/л до 100 мг/л сахарида;

(3) водному раствору акриламида, содержащему от 1,0 мг/л до 50 мг/л сахарида;

(4) водному раствору акриламида, содержащему от 3,0 мг/л до 19 мг/л сахарида;

(5) водному раствору акриламида, содержащему сахарид, по любому из п.п.(1)-(4), который дополнительно включает в себя раствор, содержащий сахарид, полученный при использовании культивируемого организма;

(6) водному раствору акриламида, содержащему сахарид, по п.(5), где организм экспрессирует нитрилгидратазу;

(7) водному раствору акриламида, содержащему сахарид, по п.(б), где организм, который экспрессирует нитрилгидратазу, является микроорганизмом;

(8) водному раствору акриламида, содержащему сахарид, по п.(7), где микроорганизм является представителем рода Rhodococcus;

(9) водному раствору акриламида, содержащему сахарид, по п.(8), где микроорганизм рода Rhodococcus является Rhodococcus rhodochrous;

(10) водному раствору акриламида, содержащему сахарид, по любому из п.п.(1)-(9), который получен с использованием биокатализатора, имеющего активность нитрилгидратазы;

(11) полиакриламиду, содержащему сахарид, где вязкость раствора полиакриламида, полученного из водного раствора акриламида, содержащего сахарид, по любому из п.п.(1)-(10), выше, чем вязкость раствора полиакриламида, полученного из водного раствора акриламида, состоящего из акриламида, растворенного в воде, чтобы иметь такое же содержание акриламида, как указанный водный раствор, содержащий сахарид;

(12) полиакриламиду, полученному из водного раствора акриламида, содержащего сахарид, по любому из п.п.(1)-(11) и

(13) способу получения водного раствора акриламида, содержащего сахарид, где акриламид получают с использованием биокатализатора, который обладает активностью нитрилгидратазы и содержит сахарид.

Далее в данном описании настоящее изобретение описывается детально.

Термин "водный раствор акриламида", используемый в настоящем изобретении, относится к водному раствору, где акриламид составляет от 40 мас.% до 60 мас.% и предпочтительно 50 мас.% такого раствора. Когда к водному раствору акриламида добавляют инициатор полимеризации, такой как персульфат аммония, акриламид полимеризуется, и затем генерируется водный раствор полиакриламида.

Термин "сахарид", используемый в данном документе, относится к сахариду, который можно обнаружить фенольно-сернокислотным методом. Его примеры включают моносахарид, полисахариды и их смеси, которые генерируют фурфураль и производное фурфураля с помощью серной кислоты. Полисахариды включают гликоконъюгаты, такие как гликопротеины и гликолипиды. Сахариды можно получить способом, в котором используется такой катализатор, как фермент, или химическим синтезом. Альтернативно сахариды можно получать из организмов или выделять из биоматериалов.

Термин "сахаридсодержащий раствор, полученный при использовании организма" относится к раствору, содержащему сахарид, полученный из организма. Примеры сахаридсодержащего раствора, полученного при использовании организма, включают супернатант, полученный посредством центрифугирования суспензии организмов, таких как культивируемые микроорганизмы, и раствора, полученного из вышеупомянутого супернатанта посредством очистки или другими средствами. Водный раствор акриламида, включающий сахаридсодержащий раствор настоящего изобретения, можно получить при добавлении сахаридсодержащего раствора, полученного из организмов, к водному раствору акриламида. Когда содержание сахарида, полученного из организмов, является низким, можно адекватно добавлять сахариды, чтобы доводить содержание сахарида в водном растворе акриламида.

Термин "организмы", используемый в данном описании, включает все типы организмов, такие как отдельные животные, растения и микроорганизмы. Кроме того, термин «организмы» включает клетки, выделенные из животных или растений, устойчивые клеточные линии, полученные из животных или растений, отдельных микроорганизмов и их органелл. Данные организмы можно встретить в природе, их можно искуственно или генетически модифицировать.

Содержание сахарида в соответствии с настоящим изобретением представлено в единицах глюкозы, которое измеряется по фенольно-сернокислотному методу. Способ измерения в соответствии с фенольно-сернокислотным методом детально описан, например, в Kiso Sekagaku Jikken Hou (Основной метод для биохимических экспериментов), vol.5, р.118 (издание Японского Биохимического Общества). Конкретно, получают значение на основании полученной калибровочной кривой, основанной на плотности глюкозы и поглощении используемой глюкозы. Применяемый в данном изобретении «фенольно-сернокислотный метод» проводится в соответствии с вышеупомянутым Kiso Sekagaku Jikken Нои (Основной метод для биохимических экспериментов), vol.5, р.118 (издание Японского Биохимического Общества). Его детали описаны ниже.

(i) Применяют фенол (особо чистый) и дистиллированную воду, чтобы подготовить водный раствор, содержащий 5 мас.% фенола. (ii) Пробу раствора (1 мл) помещают в 16,5-мм пробирку, туда добавляют 1 мл раствора, полученного в (i), и их тщательно перемешивают. (iii) Туда быстро добавляют концентрированную серную кислоту (5 мл, особо чистую) и пробирку встряхивают, смешивая ее содержимое, в течение 10 минут. (iv) Пробирку оставляют на 20 минут при комнатной температуре и измеряют поглощение при 490 нм. Из таким образом определенного поглощения определяют содержание сахарида в образце раствора в единицах глюкозы на основании калибровочной кривой, полученной с глюкозой.

В настоящем изобретении минимальное содержание сахарида в водном растворе акриламида составляет предпочтительно 0,1 мг/л, более предпочтительно 1 мг/л и особенно предпочтительно 3 мг/л. Максимальное содержание составляет предпочтительно 100 мг/л, более предпочтительно 50 мг/л и особенно предпочтительно 19 мг/л. Более высокое содержание является предпочтительным для достаточно высокой вязкости. Однако когда содержится большое количество сахаридов, водный раствор акриламида или полимера акриламида, полученный из него, может неблагоприятно изменять цвет. Соответственно избыточно высокое содержание сахарида не является предпочтительным для применений, когда такое изменение цвета нежелательно с точки зрения качества.

Биокатализатор, который обладает активностью нитрилгидратазы настоящего изобретения, включает организм, который природно или искусственно обладает активностью нитрилгидратазы, полученный из нее продукта и саму нитрилгидратазу. В данном случае организм является предпочтительно микроорганизмом. Примерами микрооганизма, который может экспрессировать нитрилгидратазу, включают организмы, принадлежащие к родам Bacillus, Bacteridium, Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodococcus и Microbacterium и штамму Rhodococcus rhodochrous.

Также в настоящем изобретении можно использовать организм, в котором природно или искусственно модифицированный ген нитрилгидратазы искусственно внедряют или экспрессируют, или нитрилгидратазу, выделенную из него (которую можно тщательно или грубо очистить).

Организм и полученный из него продукт включает продукты, которые подвергнуты промывке или обработке агентом в соответствии с необходимостью, продукты его фракционирования и продукты, иммобилизованные посредством захвата, сшивания или связывания с носителем.

«Биокатализатор», используемый в настоящем изобретении, включает организм, такой как вышеупомянутый микроорганизм, суспензию, содержащую такой организм, и его обработанный продукт.

Использование биокатализатора, который обладает активностью нитрилгидратазы, позволяет осуществить получение акриламида очень простым способом на промышленном уровне. Конкретно, акриламид можно получить без использования восстановленной меди как катализатора, при умеренных условиях реакции при отсутствии, по существу, генерации побочного продукта.

"Водный расвор акриламида, содержащий от 0,1 мг до 100 мг сахарида на 1 л раствора" в соответствии с настоящим изобретением можно получить следующим образом.

Акриламид (500 мл) растворяют в дистиллированной воде, чтобы получить 1 л водного раствора акриламида. К нему добавляют водный раствор сахарида, чтобы довести содержание сахарида от 0,1 мг до 100 мг на 1 л водного раствора акриламида в единицах глюкозы, при определении по фенольно-сернокислотному методу. Таким образом можно получить вышеупомянутый водный раствор акриламида. В данном случае количество акриламида, которое следует растворить, может меняться в пределах от 400 г до 600 г и содержание акриламида в конечном водном растворе может быть установлено от 40 мас.% до 60 мас.%. Можно добавлять очищенный или неочищенный сахарид. Можно использовать промышленный акриламид. Альтернативно можно также использовать водный раствор акриламида, полученный из акрилонитрила с использованием биокатализатора с очисткой или без нее, в котором содержание акриламида может быть установлено от 40 мас.% до 60 мас.%.

Когда вышеупомянутый водный раствор акриламида, содержащий сахарид, получен из акрилонитрила с использованием биокатализатора, анализируют содержание сахарида в биокатализаторе, добавляют биокатализатор таким образом, чтобы его содержание стало от 0,1 мг/л до 100 мг/л водного раствора акриламида после реакции, и акрилонитрил приводят в контакт с биокатализатором, чтобы инициировать реакцию. Сахарид в биокатализаторе относится к сахариду в жидкости, содержащей биокатализатор, такой как микроорганизм, суспендированный в ней, или сахарид в жидкости, содержащей биокатализатор, иммобилизованный на носителе, или подобным образом погруженный в жидкость. Более конкретно, водный раствор акриламида, содержащий сахарид, можно получить, приведя исходные вещества, т.е. акрилонитрил и воду, в контакт с биокатализатором, содержащим сахарид, в реакционной камере при температуре от 0°С до 90°С и предпочтительно от 5°С до 50°С. Ингибитор полимеризации, стабилизатор для катализатора или т.п. можно добавлять в реакционный раствор или суспензию биокатализатора при необходимости. Реакцию можно проводить с использованием фиксированного, подвижного или псевдоожиженного слоя в емкости с мешалкой или любом другом реакторе, и ее можно проводить посредством периодического или непрерывного процесса. Водный раствор сахарида можно добавлять в реакционную камеру таким образом, чтобы содержание сахарида в единицах глюкозы, определяемое фенольно-сернокислотным методом, стало от 0,1 мг до 100 мг на 1 л водного раствора акриламида после реакции, чтобы позволить биокатализатору вступать в реакцию с акрилонитрилом в реакционной камере.

Полученный таким образом водный раствор акриламида может быть подвергнут процессу очистки в зависимости от его применения. Примеры способа его очистки включают фильтрацию через фильтр (патентная публикация Японии (Kokoku) №5-49273 В (1993)) и очистку с помощью воздушных пузырьков (патентная заявка Японии №11-254151).

Полученный таким образом водный раствор акриламида можно использовать в качестве сырья для получения водного раствора полиакриламида тем же способом, как и при общепринятом способе полимеризации акриламида. Таким образом, водный раствор полиакриламида, полученный из водного раствора акриламида натоящего изобретения, обладает большей вязкостью, чем вязкость водного раствора полиакриламида, полученного из водного раствора акриламида с тем же самым содержанием акриламида, но не содержащим сахарид. Такой водный раствор полиакриламида можно использовать в различных применениях, таких как флоккулянт, средства для производства бумаги, кондиционеры почвы, агенты для регенерации нефти, загустители для буровых жидкостей и абсорбенты полимеров, как полиакриламид. Таким образом, полиакриламид, полученный из водного раствора акриламида настоящего изобретения, также входит в объем настоящего изобретения.

Свойства полученного в результате водного раствора полиакриламида можно оценить, например, при измерении вязкости полимера с использованием вискозиметра. Конкретно, свойства можно оценить при измерении вязкости при использовании вискозиметра В-типа в соответствии с общепринятой методикой.

Данное описание включает часть или все его содержание, как раскрыто в описании и/или рисунках патентной заявки Японии №2002-081512, которая является приоритетным документом для настоящей заявки.

Лучшие способы осуществления изобретения

Настоящее изобретение описывается более детально со ссылкой на следующие примеры, хотя технический объем настоящего изобретения не ограничивается этими примерами.

Пример 1 и Сравнительный Пример 1 независимо описывают случай полиакриламида, полученного из промышленного водного раствора акриламида. Пример 2 и Сравнительный Пример 2 независимо описывают случай полиакриламида, приготовленного из акриламида, полученного из акрилонитрила, с использованием биокатализатора, содержащего сахарид.

Пример 1.

Получение раствора, содержащего сахарид

Род Rhodococcus rhodochrous J1 (депонирован 18 сентября 1987 под депозитарным номером: FERM BP-1478 (первоначальный депозит) в the National Institute of Bioscience and Human-Technology, the Agency of Industrial Science and Technology (в настоящее время the International Patent Organism Depositary of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Tsukuba Central 6, 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki, Japan)) подвергали воздействию аэробной культуры в среде (рН 7,0), которая содержит 2% глюкозы, 1% мочевины, 0,5% пептона, 0,3% экстракта дрожжей и 0,05% хлорида кобальта (мас.%) при 30°С. Культивируемый продукт фильтровали через полисульфоновый мембранный фильтр (диаметр пор 0,1 мкм, Kuraray Co., Ltd.), непрерывно промывали 50 мМ-фосфатным буфером (рН 7,0), количество которого в 5 раз больше количества культурального раствора, и концентрировали до клеточной плотности, равной 10% в пересчете на сухое вещество. Таким образом получена клеточная суспензия.

Эту клеточную суспензию помещали в 50 мл центрифужную пробирку и подвергали центрифугированию при 15000хg в течение 30 мин. Полученный супернатант использовался как раствор, содержащий сахарид.

Измерение содержания сахарида в растворе, содержащем сахарид

Содержание сахарида в полученном растворе, содержащем сахарид, измерено фенольно-сульфокислотным методом следующим образом.

(i) Для получения водного раствора, содержащего 5 мас.% фенола, использовали фенол (особо чистый) и дистиллированную воду. (ii) Раствор (разбавленный тысячекратно, 1 мл) помещали в 16,5-мм пробирку, туда добавляли 1 мл раствора, полученного в (i), и их тщательно перемешивали. (iii) Туда быстро добавляли концентрированную серную кислоту (5 мл, особо чистую) и пробирку встряхивали в течение 10 мин, перемешивая ее содержимое. Затем пробирку оставляли при комнатной температуре в течение 20 мин и измеряли поглощение при 490 нм. Отдельно получали калибровочные кривые, используя водные растворы глюкозы, установленные при 2 мг/л, 10 мг/л, 50 мг/л и 100 мг/л соответственно, и содержание сахарида в растворах, содержащих сахарид, определяли на основании калибровочных кривых. В результате обнаружено, что содержание сахарида составляет 15000 мг/л. Можно сделать вывод, не ограничиваясь теорией, что сахарид, содержащийся в растворе, является полисахаридом, продуцированным из клеток.

Получение водного раствора акриламида, содержащего сахарид

Были приготовлены четыре отдельных водных раствора 50 мас.% акриламида (1 л каждого, Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), и независимо добавляли к каждому 0,07 мл, 0,2 мл, 3 мл и 4 мл приготовленных растворов, содержащих сахарид, чтобы получить водные растворы акриламида, содержащие сахарид. Каждый из них обозначен как пример 1-1, 1-2, 1-3 и 1-4.

Получение водного раствора полиакриламида

Полученный водный раствор акриламида, содержащий сахарид, разбавляли дистиллированной водой до достижения концентрации акриламида 15 мас.%. После доведения уравня рН до 6,1, колбу выдерживали на водяной бане при 30°С при перемешивании. Несмотря на замену воздуха в газовой фазе азотом, добавляли персульфат аммония и бисульфит натрия по 180 мг/л каждого, чтобы инициировать полимеризацию. В то же время температуру на водяной бане доводили до 80°С. Примерно 1 часом позже внутреннюю поверхность водяной бани охлаждали до 25°С с помощью льда.

Оценка свойств водного раствора полиакриламида

Вязкость полученного водного раствора измеряли, используя вискозиметр В-типа (ротор №4, 6 об/мин, 25°С). Результаты приведены в Таблице 1. Визуально наблюдали оттенок. Бесцветный раствор представлен значком "", слегка желтоватый раствор представлен значком "", слабо желтоватый раствор представлен значком "" и желтоватый раствор представлен значком "X".

Сравнительный Пример 1

Водный раствор полиакриламида получали тем же способом, как и Примере 1, кроме использования водного раствора, который содержал 50 мас.% акриламида (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), к которому добавляли раствор, содержащий сахарид. Определяли свойства полученного водного раствора полиакриламида. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 2

Получение акриламида из акрилонитрила с использованием микробного фермента

Водный раствор 0,2 г/л акрилата натрия (3130 г) добавляли в отделимую колбу, снабженную рубашкой (внутренний объем 5 литров), и туда добавляли 10 г клеточной суспензии (содержащей 10000 мг/л сахарида), полученной в разделе «Получение раствора, содержащего сахарид» в Примере 1. Содержимое колбы перемешивали с помощью двух плоских лопастей роторов (длина лопасти составляет 120 мм, ширина лопасти составляет 20 мм) при 80 об/мин, одновременно поддерживая условия рН на уровне 7,0 и температуры на уровне 20°С, непрерывно добавляли акрилонитрил (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), чтобы поддерживать концентрацию акрилонитрила на уровне 2 мас.%. Подачу акрилонитрила прекращали, когда концентрация акриламида достигала 47%, и реакция продолжалась до тех пор, пока количество оставшегося акрилонитрила становилось равным 0,005% или ниже. Клетки удаляли из этого раствора через полиэтиленовую полую волокнистую мембрану (Sterapore Н, диаметр пор составляет 0,1 мкм, Mitsubishi Rayon Co., Ltd.). Таким образом было получено 5 кг реакционного раствора 50 мас.% акриламида.

Измерение содержания сахарида в 50 мас.% растворе акриламида

Содержание сахарида в полученном водном растворе, который содержал 50 мас.% акриламида, измеряли тем же способом, как и в разделе "Измерение содержания сахарида в растворе, содержащем сахарид" в Примере 1. При переводе значений в единицы глюкозы, однако, использовали раствор, полученный при растворении известного количества глюкозы в водном растворе, который содержит 50 мас.% акриламида, полученного из промышленного порошка акриламида (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). В результате установлено, что содержание сахарида составляет 19 мг/л.

Оценка свойств водного раствора полиакриламида

Водный раствор полиакриламида получен из конечного водного раствора акриламида тем же способом, как и в Примере 1. Свойства конечного раствора определены.

В результате обнаружено, что вязкость раствора составляет 190000 мПа·с.

Все публикации, патенты и патентные заявки, процитированные в данном документе, включены в данный документ путем ссылок во всей своей полноте.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может обеспечивать высококачественный водный раствор акриламида, который может быть исходным сырьем для высококачественного полиакриламида с превосходными свойствами, и водный раствор полиакриламида, который может обеспечить высокие эксплуатационные характеристики при низкой концентрации.

1. Водный раствор акриламида, отличающийся тем, что указанный раствор предназначен для получения полиакриламида и содержит от 40 мас.% до 60 мас.% акриламида и от 0,1 мг/л до 60 мг/л сахарида, полученного путем культивирования штамма J1 FERM BP-1478 микроорганизма Rhodococcus rhodochrous, причем указанный раствор получен путем реакции акрилонитрила с биокатализатором, который имеет активность нитрилгидратазы и содержит сахарид для получения акриламида, причем биокатализатор получают из культуры штамма J1 FERM BP-1478 микроорганизма Rhodococcus rhodochrous, который экспрессирует нитрилгидратазу.

2. Полиакриламид, полученный полимеризацией водного раствора акриламида, содержащего сахарид, по п.1 в присутствии инициатора полимеризации.

3. Способ получения водного раствора акриламида, содержащего сахарид, по п.1, включающий реакцию акрилонитрила с биокатализатором, который имеет активность нитрилгидратазы и содержит сахарид для получения акриламида, причем биокатализатор получают из культуры штамма J1 FERM BP-1478 микроорганизма Rhodococcus rhodochrous, который экспрессирует нитрилгидратазу.

4. Способ получения полиакриламида, включающий

а) получение водного раствора акриламида, содержащего сахарид, по п.1, с помощью способа по п.3; и

b) полимеризацию раствора, полученного на стадии а) в присутствии инициатора полимеризации.