Способ и устройство для получения водного раствора акриламида с использованием биокатализатора

Способ и устройство для получения водного раствора акриламида с использованием биокатализатора

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора.

Способ превращения акрилонитрила в акриламид в воде в присутствии пригодного для этой цели биокатализатора известен уже достаточно давно и описан, например, в заявке DE 3017005 С2, согласно которой предусмотрено использование иммобилизованного биокатализатора. В заявках DE 4480132 С2 и ЕР 0188316 В1 описаны особые биокатализаторы, используемые для превращения акрилонитрила в акриламид. В патенте US 5334519 описан способ гидратации акрилонитрила до акриламида в присутствии биокатализаторов и ионов кобальта. Всем этим известным техническим решениям присущ общий недостаток, состоящий в образовании нежелательных побочных продуктов.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ, который обладал бы максимально возможной экологичностью и позволял бы минимизировать количество образующихся при его осуществлении побочных продуктов.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью способа получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, заключающегося в том, что биокатализатор отделяют от водного раствора акриламида по истечении не более 2 часов, предпочтительно не более 1 часа, после завершения реакции.

До начала реакции в реактор сначала загружают воду и биокатализатор и нагревают их до температуры от 15 до 25°С, предпочтительно от 16 до 20°С. По достижении необходимой температуры в реактор в дозированных количествах подают акрилонитрил, начиная таким путем его превращение в акриламид. При этом предпочтительно обеспечить протекание всего процесса химического превращения в изотермических условиях, для чего реакционную смесь необходимо охлаждать в течение всего этого процесса химического превращения для отвода от нее теплоты реакции. Способ подобного охлаждения реакционной смеси описан в параллельной заявке WO 02/088373 А2 (внутренний номер дела ST0031), которая тем самым включена в настоящее описание в качестве ссылки и в соответствии с этим является его частью. К моменту начала реакции концентрация биомассы составляет предпочтительно от 0,03 до 2,5 г/л, наиболее предпочтительно от 0,05 до 1 г/л, а значение рН составляет предпочтительно от 6,0 до 8,0, наиболее предпочтительно от 6,8 до 7,5.

По завершении дозированной подачи акрилонитрила с целью обеспечить максимально полное его превращение в акриламид продолжительность последующей реакции на ее завершающей стадии должна составлять предпочтительно от 4 до 20 мин, наиболее предпочтительно от 5 до 10 мин.

В контексте настоящего изобретения реакция завершается в тот момент, когда остаточное содержание акрилонитрила в растворе акриламида составляет менее 10 част./млн, предпочтительно менее 5 част./млн.

В соответствии с изобретением биокатализатор отделяют от водного раствора акриламида по истечении не более 2 часов, предпочтительно не более 1 часа, после завершения реакции.

Для отделения биокатализатора предпочтительно использовать трубчатую центрифугу типа той, которая описана, например, у Dr.-Ing. Heinz Hemfort в публикации "Separatoren", Technisch-wissenschaftliche Dokumentation. Эта публикация, которая распространяется фирмой GEA Westfalia Separator AG, расположенной по адресу Werner-Habig-Strabe 1, D-59302 Oelde, тем самым включена в настоящее описание в качестве ссылки и в соответствии с этим является его частью.

Для отделения биокатализатора равным образом предпочтительно использовать работающую, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифугу с автоматической разгрузкой. В качестве такой центрифуги наиболее предпочтительно использовать центрифугу с кольцевым зазором типа той, которая описана, например, у Dr.-Ing. Heinz Hemfort в публикации "Separatoren", Technisch-wissenschaftliche Dokumentation.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается контролировать с помощью оптического средства параметры осветленной жидкой среды, сливаемой из центрифуги. В качестве такого оптического средства предпочтительно использовать фотоэлектрический барьер (оптопару), который настроен на требуемую степень мутности акриламида в осветленной жидкой среде. Подобный фотоэлектрический барьер встроен в сливную арматуру центрифуги и просвечивает сливаемый из центрифуги водный раствор акриламида. Этот фотоэлектрический барьер состоит из источника света и приемника. Интенсивность излучаемого источником света предпочтительно настраивать на такую величину, чтобы световой луч даже в результате его ослабления из-за поглощения света в просвечиваемом им водном растворе акриламида все еще мог достигать приемника с остаточной интенсивностью, которой достаточно для того, чтобы сигнализировать приемнику о достаточной степени отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. По мере увеличения степени поглощения света, что обусловлено начинающимся помутнением раствора из-за увеличения в нем концентрации биокатализатора, интенсивность света снижается, и в результате приемник выдает сигнал, свидетельствующий об уже недостаточной степени отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. Этот сигнал предпочтительно использовать для управления работой центрифуг. По этому сигналу предпочтительно регулировать периодичность разгрузки или очистки центрифуг.

Биокатализатор перед его отделением от водного раствора акриламида предпочтительно подвергать флокуляции. Подобную флокуляцию можно проводить непосредственно в реакторе, в котором также происходит превращение акрилонитрила в акриламид. Предпочтительно, однако, проводить флокуляцию в отдельном коагуляторе. Для флокуляции можно использовать любой пригодный для этой цели флокулянт. Предпочтительно, однако, использовать для флокуляции сульфат алюминия и/или анионный полимер. В качестве примера пригодных для этой цели анионных полимеров можно назвать продукты Praestol^® 2510 или Praestol^® 2530 фирмы Stockhausen GmbH & Co. KG.

Флокуляцию предпочтительно проводить при значении рН в пределах от 6,8 до 8,0, наиболее предпочтительно в пределах от 7,0 до 7,5.

Значение рН водного раствора акриламида после его отделения от биокатализатора, представляющего собой биомассу, предпочтительно устанавливать на величину в пределах от 4,5 до 7,0, наиболее предпочтительно в пределах от 5,5 до 6,5.

В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения биокатализатор, по меньшей мере, практически полностью отделяют от акриламида путем, по меньшей мере, однократной, наиболее предпочтительно многократной, промывки и отделения промывочной воды от акриламида. Для подобной промывки предпочтительно использовать полностью обессоленную воду. Равным образом биокатализатор предпочтительно промывать до тех пор, пока концентрация акриламида в биокатализаторе не станет менее 10 част./млн, наиболее предпочтительно менее 5 част./млн.

Содержащую акриламид промывочную воду возвращают в технологический цикл и, например, подают в реактор перед началом реакции. В этой воде затем до начала собственно превращения акрилонитрила в акриламид суспендируют биокатализатор.

После промывки биокатализатор предпочтительно подвергать стерилизации и после этого направлять на утилизацию в виде обычных биологических (органических) отходов. Стерилизацию предпочтительно проводить путем кратковременного нагрева биокатализатора до температуры более 80°С.

Предлагаемый в изобретении способ можно проводить с использованием любого биокатализатора, катализирующего превращение акрилонитрила в акриламид. Предпочтительно, однако, использовать в качестве биокатализатора штамм Rhodococcus rhodochrous, депонированный в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zeilkultwen GmbH (DSMZ)), расположенной по адресу Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Deutschland, под регистрационным номером DSM 14230.

Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в образовании меньших количеств побочных продуктов, по меньшей мере, в практически полном превращении акрилонитрила в акриламид и в возможности получения раствора акриламида, содержание которого в этом растворе достигает 50 мас.%. Предлагаемый в изобретении способ является простым и рентабельным в осуществлении. Помимо этого обеспечивается оптимальное использование биокатализатора, который допускает возможность его утилизации аналогично обычным биологическим (органическим) отходам. Еще одно преимущество состоит в наличии возможности возвращать используемую для промывки биокатализатора воду обратно в технологический цикл.

Предлагаемый в изобретении способ предпочтительно осуществлять в устройстве, предназначенном для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора и имеющем реактор и трубчатую центрифугу для отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. В соответствии с этим такое устройство также является объектом настоящего изобретения. Трубчатые центрифуги, которые могут использоваться в предлагаемом в изобретении устройстве, описаны у Dr.-Ing. Heinz Hemfort в публикации "Separatoren", Technisch-wissenschaftliche Dokumentation.

Еще одним объектом настоящего изобретения является устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, имеющее реактор и работающую, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифугу с автоматической разгрузкой, предназначенную для отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. В качестве такой работающей, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифуги предпочтительно использовать центрифугу с кольцевым зазором и с автоматической разгрузкой или тарельчатую центрифугу с кольцевым зазором и с автоматической разгрузкой типа тех, которые описаны, например, у Dr.-Ing. Heinz Hemfort в публикации "Separatoren", Technisch-wissenschaftliche Dokumentation.

Регулирование работы центрифуг рассмотрено в приведенном выше описании.

Преимущество предлагаемого в изобретении устройства состоит в образовании меньших количеств побочных продуктов, по меньшей мере, в практически полном превращении акрилонитрила в акриламид и в возможности получения раствора акриламида, содержание которого в этом растворе достигает 50 мас.%. Предлагаемое в изобретении устройство является простым и не дорогим в реализации. Помимо этого обеспечивается оптимальное использование биокатализатора, который допускает возможность его утилизации аналогично обычным биологическим (органическим) отходам.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый чертеж. Приведенные в последующем описании пояснения носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают объем изобретения.

На прилагаемом к описанию чертеже показана технологическая схема, иллюстрирующая предлагаемый в изобретении способ, соответственно показаны элементы предлагаемого в изобретении устройства. Перед началом собственно процесса превращения акрилонитрила в акриламид в реактор 3 предварительно заливают полностью обессоленную воду 1 и суспензию 2, содержащую биокатализатор. Содержимое реактора 3 перемешивают до гомогенного состояния с помощью мешалки 16 с приводом от электродвигателя. Снаружи реактора 3 на нем расположены охлаждающие змеевики 17, соединенные с линией 5 подачи охлаждающей воды и линией 4 отвода охлаждающей воды. Для специалиста в данной области очевидно, что подобные охлаждающие змеевики позволяют также предварительно нагревать содержимое реактора до определенной температуры перед началом собственно проводимой в нем реакции.

Реактор 3 оборудован далее циркуляционным контуром 18, по которому насосом 7 с боковым каналом и с электромагнитной муфтой по замкнутому циклу перекачивается часть содержимого реактора. В этом циркуляционном контуре 18 предусмотрено три соединенных между собой по параллельной схеме многотрубных теплообменника 6, позволяющих нагревать, соответственно охлаждать содержимое реактора. Эти теплообменники 6 также соединены по последовательной схеме с линией подачи охлаждающей воды, соответственно с линией отвода охлаждающей воды. В циркуляционном контуре предусмотрена далее байпасная линия 15, позволяющая направлять содержимое реактора в обход теплообменников 6. Соответствующие клапаны на чертеже не показаны. В циркуляционный контур, кроме того, встроен инфракрасный спектрометр 9 с Фурье преобразованием (ИКФП-спектрометр), предназначенный для измерения в режиме "он-лайн" концентрации акрилонитрила и акриламида в перекачиваемом по этому циркуляционному контуру потоке и тем самым в содержимом реактора. Направляемый на анализ поток отбирается из циркуляционного контура 18 и насосом 8 с поршнем мембранного типа непрерывно подается в ИКФП-спектрометр 9, где он подвергается соответствующему анализу. Результаты этого анализа используются для управления технологическим процессом. К потоку материала, перекачиваемого по циркуляционному контуру, на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой его входа обратно в реактор, с помощью мембранного насоса-дозатора 11 добавляется подвергаемый превращению в акриламид акрилонитрил, забираемый из содержащей его запас расходной емкости 10. Верхние, содержащие газовую фазу части расходной емкости 10 с акрилонитрилом и реактора 3 соединены между собой уравнительной линией 19. Эту линию 19 открывают перед началом дозированной подачи акрилонитрила и вновь перекрывают по завершении дозированной подачи акрилонитрила. По завершении дозированной подачи акрилонитрила с целью обеспечить максимально полное его превращение в акриламид продолжительность последующей реакции на ее завершающей стадии должна составлять от 5 до 20 мин. Эта реакция рассматривается как завершенная в тот момент, когда концентрация акрилонитрила в биокатализаторе составляет менее 10 част./млн.

По завершении реакции суспензию перекачивают в отдельную емкость (не показана) и биокатализатор при значении рН в пределах от 7,0 до 7,5 подвергают флокуляции с использованием сульфата алюминия. Далее биокатализатор самое позднее по истечении 1 часа после окончания реакции отделяют от акриламида в работающей в полунепрерывном режиме центрифуге 12 с кольцевым зазором и с автоматической разгрузкой фирмы GEA Westfalia Separator AG, расположенной по адресу Werner-Habig-Strabe 1, D-59302, Germany. Работу центрифуги с кольцевым зазором регулируют по сигналу фотоэлектрического барьера (не показан), который расположен в линии 20. По сигналу этого фотоэлектрического барьера управляют прежде всего полунепрерывной разгрузкой центрифуги. Полученный водный акриламид подают в сборник 13, где его значение рН устанавливают на величину в пределах от 5,5 до 6,5. Биокатализатор подают в сборник 14, после чего его для удаления из него акриламида многократно промывают полностью обессоленной водой, а затем обезвоживают. Промывочную воду возвращают по линии 1 обратно в технологический цикл. Промытый биокатализатор стерилизуют паром и направляют на утилизацию в виде биологических (органических) отходов.

1. Способ получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, отличающийся тем, что биокатализатор отделяют от водного раствора акриламида по истечении не более 2 ч после завершения реакции посредством работающей по меньшей мере в полунепрерывном режиме центрифуги с автоматической разгрузкой, при этом контролируют с помощью оптических средств параметры осветленной жидкой среды, сливаемой из центрифуги, и результаты контроля используют для управления работой центрифуги.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве центрифуги используют центрифугу с кольцевым зазором.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры осветленной жидкой среды, сливаемой из центрифуги, контролируют с помощью фотоэлектрического барьера.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что биокатализатор перед его отделением от водного раствора акриламида подвергают флокуляции.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве флокулянта используют сульфат алюминия.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве флокулянта используют анионный полимер.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что флокуляцию проводят при значении рН водного раствора акриламида в пределах от 6,8 до 8,0, предпочтительно от 7,0 до 7,5.

8. Способ по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что значение рН водного раствора акриламида после его отделения от биокатализатора устанавливают в пределах от 4,5 до 7,0, предпочтительно от 5,5 до 6,5.

9. Способ по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что из отделенного биокатализатора удаляют акриламид посредством по меньшей мере однократной, предпочтительно многократной, промывки и отделения.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для промывки используют обессоленную воду.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что концентрация акриламида в биокатализаторе составляет менее 10 ч./млн, предпочтительно менее 5 ч./млн.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что промывочную воду возвращают обратно в технологический цикл.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что после промывки биокатализатор подвергают стерилизации.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биокатализатора используют штамм Rhodococcus rhodochrous, депонированный в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур (DSMZ) под регистрационным номером DSM 14230.

15. Устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, включающее реактор, присоединенную к нему центрифугу с автоматической разгрузкой, работающую по меньшей мере в полунепрерывном режиме для отделения биокатализатора от водного раствора акриламида, и оснащенную оптическими средствами для контроля параметров осветленной жидкой среды, сливаемой из центрифуги, с возможностью использования результатов контроля для управления работой центрифуги.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что в качестве центрифуги оно включает центрифугу с кольцевым зазором.