专利名称：使用了酶的高品质丙烯酰胺系聚合物的制造方法
技术领域：
本发明涉及使用了酶催化法的，适用于凝聚剂、抄纸用增稠剂等的高品质丙烯酰胺系聚合物的制造方法。
背景技术：
丙烯酰胺系聚合物用于凝聚剂、抄纸用增稠剂等用途，但在任何一种用途中，都要求高分子量、高溶解性和色调接近无色的丙烯酰胺系聚合物。
例如，在使用丙烯酰胺系聚合物作为凝聚剂时，如果丙烯酰胺系聚合物的分子量低，则产生凝集性方面的问题，此外如果使用溶解性差的丙烯酰胺系聚合物，则产生处理时间延迟的问题。此外，在作为抄纸用增稠剂使用时，如果使用溶解性差的丙烯酰胺系聚合物，则产生在抄纸上出现透明斑点等不良情况。此外，不论何种使用用途，都需要色调接近无色的丙烯酰胺系聚合物。
在该状况下，关于丙烯酰胺系聚合物的溶解性的改善，研究了在除去丙烯腈中的杂质后，由其制造丙烯酰胺，在将该丙烯酰胺作为原料来制造丙烯酰胺系聚合物。此外，关于丙烯酰胺的制造方法，已知也适合采用酶催化法。
例如，在特开平10-316714号公报(专利文献1)中公开了，如果将利用酶催化法所得到的丙烯酰胺作为原料，则可以制造高品质的丙烯酰胺系聚合物。此外，在特开平11-123098号公报(专利文献2)中公开了，在利用酶催化法进行丙烯酰胺的制造时，通过以氢氰酸浓度低的丙烯腈作为原料，可以抑制酶的活性降低。
此外，在特开平9-227478号公报(专利文献3)中公开了，在铜催化下由噁唑浓度为1ppm或其以下的丙烯腈来制造丙烯酰胺，使丙烯酰胺聚合来形成丙烯酰胺系聚合物。在该公报的 ～ 段中公开了，优选使用氢氰酸等杂质少的丙烯腈。
在这些文献中，对丙烯酰胺的制造方法中的诸条件进行了研究，但没有从丙烯酰胺系聚合物的色调的观点出发来进行研究。完全不清楚丙烯腈中含有的多种杂质(丙酮、甲基丙烯腈、乙醛、乙腈、苯、丙腈、丙烯醛等)对丙烯酰胺系聚合物的色调产生怎样的影响。
因此，本发明的目的在于提供一种丙烯酰胺系聚合物，其在形成水溶液时显示接近无色的色调，另外，在形成粉体时显示白色的色调。
专利文献1特开平10-316714号公报专利文献2特开平11-123098号公报专利文献3特开平9-227478号公报发明内容本发明者们，为了解决上述课题进行了深入的研究，结果发现，在将丙烯腈转换为丙烯酰胺、由该丙烯酰胺制造丙烯酰胺系聚合物时，在丙烯腈中含有的作为杂质的噁唑，和至今没有被认定为杂质的氢氰酸，对丙烯酰胺系聚合物的物理性质、特别是丙烯酰胺系聚合物的色调影响很大，从而完成了本发明。即，本发明包含以下的发明。
(1)一种丙烯酰胺系聚合物的制造方法，将噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈，利用酶催化法进行水合来形成丙烯酰胺，将含有该丙烯酰胺的单体进行聚合。
(2)上述(1)记载的制造方法，在用酶催化法使丙烯腈水合的反应工序中，进行反应直至生成的丙烯酰胺在反应液中的浓度达到30质量％或其以上。
(3)上述(1)或(2)所记载的制造方法，使用微生物菌体作为催化剂来进行酶催化法。
(4)一种丙烯酰胺系聚合物，是将噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈，利用酶催化法进行水合来形成丙烯酰胺，并将含有该丙烯酰胺的单体进行聚合而获得的。
本说明书包括作为本申请优先权基础的日本专利申请2003-106894号说明书和/或附图
所记载的内容。
具体实施例方式
在本发明中，作为丙烯腈，使用噁唑浓度为5mg/kg或其以下，且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈。
所谓“噁唑浓度为5mg/kg或其以下的丙烯腈”，意味着在1Kg的丙烯腈中含有的噁唑浓度为5mg或其以下的丙烯腈。
一般在市售的丙烯腈中，含有1mg/kg～100mg/kg的噁唑。因此，在丙烯腈中的噁唑的浓度大于5mg/kg时，除去或减少噁唑。丙烯腈中的噁唑的除去或减少可以通过例如离子交换树脂处理或精馏来进行。特别地，使丙烯腈与强酸性的离子交换树脂相接触的方法简便且在经济方面也适合。
丙烯腈中的噁唑的浓度，可以利用毛细管气相色谱仪(例如DV225(アリジエントテクノロジ一社制)色谱柱)等进行测定。
所谓“氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈”是指，1kg丙烯腈中含有的氢氰酸浓度为1mg或其以下的丙烯腈。一般在市售的丙烯腈中，含有0.1mg/kg～5mg/kg的氢氰酸，因此，在丙烯腈中氢氰酸的浓度大于1mg/kg时，除去或减少氢氰酸。
作为除去或减少丙烯腈中的氢氰酸的方法，可以列举出例如，使用阴离子交换树脂的方法、用碱水溶液萃取氢氰酸的方法(特开2001-288256号)和通过添加碱使氢氰酸与丙烯腈加成的方法(特开平11-123098号)等。
丙烯腈中的氢氰酸的浓度，可以利用装备有NPD检测器(例如アリジエントテクノロジ一社制)的毛细管气相色谱仪(例如，DV225(アリジエントテクノロジ一社制)色谱柱)的方法，或用碱水溶液萃取后、用硝酸银水溶液滴定的方法(ASTM E1178-87)等进行测定。在本发明中，所谓“丙烯腈中的氢氰酸的浓度”意味着，用ASTM(E1178-87)测定出的值。
然后，将如上配制出的噁唑浓度为5mg/kg或其以下且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈利用酶催化法进行水合(水解)来生成丙烯酰胺。这里，“所谓将丙烯腈利用酶催化法进行水合(水解)来制造丙烯酰胺”是指，通过酶的催化作用来由丙烯腈制造丙烯酰胺，该酶具有将丙烯腈进行水合(水解)来转换为丙烯酰胺的能力。
作为在上述水合反应中使用的酶，只要为具有上述转换能力的酶即可。优选腈水合酶。所谓腈水合酶是指，将腈类化合物转换为相应的酰胺化合物的酶，已知例如来源于属于例如芽胞杆菌(Bacillus)属、芽孢不动菌(Bacteridium)属、微球菌(Micrococcus)属、短杆菌(Brevibacterium)属、棒状杆菌(Corynebacterium)属、诺卡氏菌(Nocardia)属、假单胞菌(Pseudomonas)属、红球菌(Rhodococcus)属、微杆菌(Microbacterium)属、红球菌(Rhodococcus)属、玫瑰色红球菌(Rhodococcus rhodochrous)种、镰刀菌(Fusarium)属、土壤杆菌(Agrobacterium)属等的酶。
此外，也可以使用转化子，该转化子是通过获得来源于上述微生物的腈水合酶基因，并用常法，将该基因直接或者经人工改良而导入到任意的宿主中所获得的(Molecular Cloning 2nd Edition.Cold Spring HaborLaboratory Press.1989)。
作为这样的转化子，可以列举出例如，用无色杆菌(Achromobacter)属细菌的腈水合酶转化的大肠菌MT10770(FERM P-14756)(特开平8-266277号)、用假诺卡氏菌(Pseudonocardia)属细菌的腈水合酶转化的大肠菌MT10822(FERM BP-5785)(特开平9-275978号)或用玫瑰色红球菌(Rhodococcus rhodochrous)种的腈水合酶(特开平4-211379号)转化的微生物。
作为腈水合酶的使用方式，可以使用上述产生腈水合酶的微生物等按照规定方法培养得到的培养液、从培养液中分离出的休眠菌体或固定化菌体、或从休眠菌体等中萃取出的腈水合酶的粗制·精制酶、或在载体(例如，聚丙烯酰胺凝胶、褐藻酸盐、角叉菜胶等)上固定化了的粗制·精制酶等。
利用酶催化法进行的由丙烯腈水合成丙烯酰胺的水合反应的条件，可在常温下，按常法进行。作为酶催化法的一例，例如可以如下进行。
在碳源(葡萄糖等糖类)、氮源(例如，硫酸铵、氯化铵、硝酸铵等无机氮源，酵母浸膏、蛋白胨、肉浸膏等有机氮源)和根据必要而添加有无机盐类、金属盐、维生素等的培养基中，在20～40℃、pH 5～9下培养产生腈水合酶的微生物。培养也可适当地振荡培养或旋转培养。
在培养结束后，用磷酸缓冲液等洗涤菌体，调制菌体悬浊液。在调制固定化菌体时，例如，可以通过向该菌体悬浊液中添加丙烯酰胺等单体来使其聚合而获得固定化菌体。
然后，在反应容器中添加水和上述那样的固定化菌体，并将其调节至pH 5～9.5、5～50℃，在其中添加成为基质的丙烯腈。优选连续添加丙烯腈，使得反应溶液中的丙烯腈浓度达到0.1～10质量％的范围。此外，也可以根据酶反应的进程情况来适当添加酶。该酶反应继续直至在反应溶液中检不出丙烯腈为止，但优选进行至在反应体系中蓄积的丙烯酰胺在反应液中的浓度达到30质量％或其以上，特别优选进行至达到40～60质量％为止。在达到目标丙烯酰胺浓度后，停止添加丙烯腈，继续反应至反应液中检不出丙烯腈为止。
这样，在用酶催化法制造丙烯酰胺时，使反应液中较高浓度地蓄积丙烯酰胺的方法是较经济的，并且可以制造高品质的丙烯酰胺系聚合物。
然后，将利用上述方法制造出的丙烯酰胺供给到聚合反应中。丙烯酰胺可以直接使用水合反应后的丙烯酰胺水溶液，但是如果有需要也可以在进行蒸馏浓缩操作等浓缩操作或活性碳处理或离子交换处理、过滤处理等精制操作后使用。
下面示出丙烯酰胺系聚合物的制造例。
在本发明中，所谓“丙烯酰胺系聚合物”是指，丙烯酰胺的均聚物，或丙烯酰胺与可与之共聚的1种或其以上的不饱和单体的共聚物。作为上述可共聚的不饱和单体，除了甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(酯)、N-羟甲基丙烯酰胺、二甲基氨基丙基丙烯酰胺或其季铵盐、N，N-二甲基丙烯酰胺等的(甲基)丙烯酰胺衍生物；(甲基)丙烯酸、乙烯基磺酸、烯丙基磺酸、苯乙烯磺酸等酸及它们的水溶性盐；丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟丙酯等(甲基)丙烯酸的低级丙烯酸酯衍生物；甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯、甲基丙烯酸N，N-二乙基氨基乙酯、丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯或其季铵盐等(甲基)丙烯酸的烷基(甲基或乙基)氨基烷基(乙基或丙基)酯或它们的季铵衍生物；2-乙烯基咪唑啉和2-乙烯基嘧啶或它们的季铵衍生物；N-乙烯基乙酰胺；乙酸乙烯酯；乙烯基吡咯烷酮等之外，在不损害所得到的聚合物的水溶性的条件下，可以使用丙烯腈、苯乙烯等水难溶性或疏水性单体。
在本发明的制造方法中，在水溶液中聚合时的丙烯酰胺的浓度，或丙烯酰胺和可与丙烯酰胺共聚的单体的总计的浓度，通常为10～90质量％，更优选在20～80质量％的范围内。通过使其为10质量％或其以上，可以得到高分子量的丙烯酰胺系聚合物，而通过使其为90质量％或其以下，可以防止聚合中的交联反应，抑制聚合物的溶解性降低或不溶化。
在本发明中的聚合方法只要是在水溶液中进行聚合的方法就没有特别的限制，聚合温度在0～120℃范围内，优选在10～90℃范围内，可以根据需要而采用绝热聚合方式或在传送带上一边除热一边进行片聚合的方式等。
作为聚合引发剂可以使用目前已知的一般的聚合引发剂，例如过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、过氧化氢、过氧化氢叔丁基等过氧化物，偶氮双异丁腈等偶氮化合物，或苯偶姻乙醚等光分解型聚合引发剂，进而也可以使用，通过与上述过氧化物进行氧化还原反应而形成引发剂的亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、硫氢化钠、三乙醇胺、硫酸亚铁等还原剂。可以按照常法使用1种或2种或其以上的该聚合引发剂。
也可以将得到的聚合物用绞肉机等破碎机进行破碎后，干燥，进而按照常法用粉碎机粉碎而形成粉末状的聚丙烯酰胺系干燥物。对干燥装置没有特别的限制，可以适当使用盘式干燥机、带式干燥机、旋转干燥机、流动干燥机、红外线干燥机、高频干燥机等。
利用上所述方法所得到的丙烯酰胺系聚合物，在该聚合物以1质量％浓度溶解于4质量％的食盐水中的溶液，使用B型粘度计，使用No.3转子，在转数6rpm的条件下，在25℃测定粘度时，具有2000mPa·s或其以上的粘度，优选具有3000mPa·s或其以上的粘度(粘度2000mPa·s相当于丙烯酰胺系聚合物的分子量约为1000万左右)。利用本发明的方法得到的丙烯酰胺系聚合物的粉体为白色，关于其水溶液，在将聚合物粉体以0.1质量％浓度溶解在离子交换水中，用80目金属丝网过滤，目视观察在金属丝网上残留的凝胶状的不溶解成分的量时，基本观察不到不溶解成分。因此，通过本发明的方法得到的丙烯酰胺系聚合物可以适合用于凝聚剂、抄纸用增稠剂等。
如上述那样操作而获得的本发明涉及的丙烯酰胺系聚合物，在为水溶液时显示接近无色的色调，另外，在为粉体时显示白色的色调。这里，丙烯酰胺系聚合物粉体的色调，可以通过在白色的纸上一次载样约1g粉体，进行比色来评价。
下面，通过实施例来更具体地说明本发明，但本发明的技术范围不仅限于实施例。此外，在以下的实施例和比较例中的％表示为质量％。
<实施例1>
(1)固定化菌体的调制利用含有2％的葡萄糖、1％的尿素、0.5％的蛋白胨、0.3％的酵母浸膏、0.05％的氯化钴的培养基(pH 7.0)，在好氧条件下培养具有腈水合酶活性的玫瑰色红球菌(Rhodococcus rhodochrous)J-1菌株(FERMBP-1478)。在培养结束后，通过离心分离来回收培养菌体，将其用50mM磷酸缓冲液(pH 7.0)洗涤。向洗净后的菌体中添加上述缓冲液而形成菌体悬浊液(以干燥菌体换算为20％)。向500g该菌体悬浊液中加入丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和2-二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺浓度分别为20、2和2％的单体混合水溶液500g，均匀悬浊。向其中加入2g 5％的过硫酸铵、2g 50％的N，N，N，N-四甲基乙二胺进行聚合，使其凝胶化。将其切断成边长约1mm的立方体后，用1L 0.5％的硫酸钠洗涤5次，得到作为制造丙烯酰胺催化剂的固定化菌体粒子。
(2)丙烯腈的调制用强酸性离子交换树脂Amberlyst15wet(オルガノ社制)处理噁唑浓度为10mg/kg、氢氰酸浓度为0.7mg/kg(用ASTM(E1178-87)测定出的测定值)的丙烯腈(ダイヤニトリツク社制)，调制噁唑浓度为5mg/kg或其以下(アリジエントテクノロジ一社气相色谱仪，色谱柱DB225，FID检测器未检出)，且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈，使用该丙烯腈。
(3)利用酶催化法的丙烯酰胺的制造向内容积为5L的分离瓶中加入3200g 0.2g/L的丙烯酸钠水溶液，向其中添加5g在上述(1)中配制出的固定化菌体粒子。将其控制在pH 7.0、温度为15℃，同时进行搅拌。向其中连续加料以使丙烯腈浓度一直为2％，进行酶反应直至丙烯酰胺的浓度达到47.3％。其间，在确认不出反应进行的时间点，每次添加1g固定化菌体。然后，停止丙烯腈的加料，使温度为20℃继续反应至不能检出反应液中的丙烯腈。
当反应结束后，通过用180目金属丝网除去固定化菌体，得到50％的丙烯酰胺水溶液。
(4)丙烯酰胺系聚合物的制造在1L烧杯中称取348份上述(3)中得到的50％丙烯酰胺水溶液和2份98质量％的丙烯酸，向其中加入400份离子交换水。在其中添加苛性钠来进行中和，然后加入离子交换水至总计797份。调节液体温度至10℃，将溶液转移到1L杜瓦(真空)瓶中。在将该溶液用氮气清扫30分钟后，向该溶液中添加作为聚合引发剂的1.5份的2，2’-偶氮双(2-脒基丙烷)二盐酸盐10％水溶液、1份硫氢化钠的0.2％水溶液和0.5份过氧化氢叔丁基的0.2％水溶液来开始聚合。聚合绝热进行，最高温度达到约74℃。在达到最高温度30分钟后，取出聚合物，用剪子剪至边长为5cm，用直径5mm的孔盘的破碎机(绞肉机)破碎。将破碎了的凝胶在60℃下在暖风干燥器中干燥了16小时后的干燥物用直径为2mm的孔盘的ウイレ一型粉碎机粉碎。然后筛分成粒径为0.15～1.0mm而得到丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物粉体。
(5)聚合物的评价在4质量％食盐水溶液中溶解上述(4)中得到的聚合物粉体至浓度为1质量％，使用B型粘度计，在25℃测定1％盐的粘度。
此外，为了研究水溶性，将聚合物粉体用5kg离子交换水溶解至浓度为0.1质量％后，用80目的金属丝网过滤，通过目视来评价金属丝网上残留的凝胶状的不溶解成分的量。另外，对聚合物的色调，通过目视观察聚合物粉体来评价。
<比较例1>
作为原料，除了代替噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈，而使用噁唑浓度为10mg/kg、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈之外，与实施例1同样操作来配制丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物粉体，并评价该聚合物。
<比较例2>
作为原料，除了代替噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈，而使用噁唑浓度为10mg/kg、且氢氰酸浓度为5mg/kg的丙烯腈以外，与实施例1同样操作来配制丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物粉体，并评价该聚合物。
<比较例3>
作为原料，除了代替噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈，而使用噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为5mg/kg的丙烯腈以外，与实施例1同样操作来配制丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物粉体，并评价该聚合物。
实施例1和比较例1～3中得到的丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物的物理性质如表1所示。
表1
溶解性○基本没有凝胶状物质，×观察到凝胶状物质色调○白色，△稍稍发黄，×发黄由上述结果可知，通过本发明的方法制造出的丙烯酰胺系聚合物具有良好的溶解性，且色调优异。
<实施例2>
(1)丙烯酰胺系聚合物的制造和评价混合192份根据实施例1配制出的50％的丙烯酰胺水溶液、8份离子交换水和0.18份链转移剂次氮基三丙酸酰胺，用0.1当量的NaOH水溶液调节至pH10，然后，添加0.5份溶解有1％光引发剂苯偶姻乙醚的甲醇溶液。遮断光，将该聚合溶液用氮置换。使用SUS制托盘作为聚合容器，在上部设置玻璃板，向放置在水浴温度为20℃的水浴上、在氮气氛下的托盘容器中，输送氮置换后的聚合溶液使薄膜厚达到5mm，从上方照射ケミカルランプ(东芝FL-20S-BL)，进行光引发片聚合。光聚合的条件为，在用光强度为1.0W/m2进行光照射40分钟来进行聚合后，进而用光强度为40W/m2的光照射30分钟。
将聚合后的凝胶用剪子剪断至边长为2～3毫米的方形，在60℃下干燥16小时。将其用ウイレ一型粉碎机粉碎，筛分成粒径为0.15～1.0mm来获得丙烯酰胺聚合物粉体。
与实施例1(5)同样来评价所得到的丙烯酰胺聚合物。
<比较例4>
作为原料，除了代替噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈而使用噁唑浓度为10mg/kg、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈以外，与实施例2同样操作来制造丙烯酰胺聚合物。
<比较例5>
作为原料，除了代替噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈，而使用噁唑浓度为10mg/kg、且氢氰酸浓度为5mg/kg的丙烯腈以外，与实施例2同样操作来制造丙烯酰胺聚合物。
<比较例6>
作为原料，除了代替噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为0.7mg/kg的丙烯腈，而使用噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为5mg/kg的丙烯腈以外，与实施例2同样操作来制造丙烯酰胺聚合物。
实施例2和比较例4～6中得到的丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物的物理性质如表2所示。
表2
溶解性○基本没有凝胶状物质，×观察到凝胶状物质色调○白色，△稍稍发黄，×发黄由上述结果可知，通过本发明的方法制造出的丙烯酰胺系聚合物，高分子量且具有良好的溶解性，此外，色调优良。
将本说明书中引用的全部刊物、专利和专利申请直接作为参考，收入本说明书中。
工业可利用性根据本发明的制造方法，可以制造与现有产品相比具有较高分子量、较高溶解性、且色调优良、高品质的应用性非常强的聚丙烯酰胺系聚合物。
权利要求
1.一种丙烯酰胺系聚合物的制造方法，将噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈，利用酶催化法进行水合来形成丙烯酰胺，将含有该丙烯酰胺的单体进行聚合。
2.如权利要求1所述的制造方法，在用酶催化法使丙烯腈水合的反应工序中，进行反应直至生成的丙烯酰胺在反应液中的浓度达到30质量％或其以上。
3.如权利要求1或2所述的制造方法，使用微生物菌体作为催化剂来进行酶催化法。
4.一种丙烯酰胺系聚合物，是将噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈，利用酶催化法进行水合来形成丙烯酰胺，并将含有该丙烯酰胺的单体进行聚合而获得的。
全文摘要
本发明的目的在于，获得高分子量、高溶解性且无色的丙烯酰胺系聚合物。本发明提供一种丙烯酰胺系聚合物的制造方法，将噁唑浓度为5mg/kg或其以下、且氢氰酸浓度为1mg/kg或其以下的丙烯腈，利用酶催化法进行水合而形成丙烯酰胺，将含有该丙烯酰胺的单体进行聚合。
文档编号C08F20/00GK1761758SQ200480007668
公开日2006年4月19日 申请日期2004年4月2日 优先权日2003年4月10日
发明者村尾耕三, 石井胜男, 加纳诚, 番场启泰 申请人:大野绿水株式会社