专利名称:用一种生物催化剂制备一种丙烯酰胺水溶液的方法
技术领域：
本发明涉及一种在生物催化剂的存在下通过在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的方法和设备。
背景技术：
在一种合适的生物催化剂存在下在水中使丙烯腈反应生成丙烯酰胺的方法在多年前就已公开，例如已被DE 30 17 005 C2所描述，其中在该工艺中生物催化剂是固定的。在DE 44 80 132 C2和EP 0 188 316 B1中描述了将丙烯腈反应成为丙烯酰胺的特殊的生物催化剂。US 5 334 519指出，可在生物催化剂和钴离子的存在下使丙烯腈水合成丙烯酰胺。所有这些教导的缺点是，生物催化剂在反应中受损害，以至于活性降低，或者会产生更多不希望出现的副产物。
所以，本发明的任务是提供一种在反应时生物催化剂损害尽可能低和分批时间最佳化以及副产物最小化的方法。
发明内容
本发明通过一种在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的方法完成了该任务，其中通过在线(on-line)测量监测反应过程。
具体实施方案反应开始时在反应器中预先放入水和生物催化剂，并使得温度为15-25℃，优选16-20℃。达到该温度后，将丙烯腈计量加入反应器中，开始进行生成丙烯酰胺的反应。整个反应优选在等温条件下进行，其中在整个反应过程中必须冷却，以导出反应热。关于反应混合物的冷却可参见内部案号为ST0031(PCT申请号为PCT/EP02/04567；公开号WO02/088373)的平行申请，这里引入作为参考，所以也是本发明公开内容的一部分。生物物料的浓度以干物质为基准，在反应开始时优选为0.03-2.5g/l，特别优选0.05-1g/l，pH值优选6.0-8.0，特别优选6.5-7.5。
本发明通过一种在线测量来监测由丙烯腈形成丙烯酰胺的反应。本发明意义上的一种在线测量是直接在设备上连续或半连续地分析反应混合物的测量。这种在线测量可以采用相应合适的测量仪器进行，其中反应混合物优选在整个反应期间连续地流经在线测量仪器。优选采用一种傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)进行该在线测量。令专业人员惊奇的是，虽然反应混合物非常混浊，该测量方法已被证明是特别适合的。使用FT-IR在线测量时的分辨率应当不超过8cm-1。特别优选不超过4.0cm-1。
在线测量优选在一种用泵唧送循环(umpumpkreislauf)中进行，其中一部分反应混合物用泵由反应器输送进入循环。在用泵唧送循环中优选安装至少一个换热器，由它导出在丙烯腈反应生成丙烯酰胺时产生的反应热。换热器优选是一种壳管式换热器，其中反应混合物最好不转向，以避免碰撞换热器的表面。在本发明的一种优选的实施方式中，泵和换热器的安排可以一方面避免反应器中的温度波动，另一方面可以避免强烈的能量输入。泵优选是一个磁耦合的带侧通道的泵。
优选使换热器在用泵唧送循环中安装在在线测量的前面，这样就可以在最大可能均匀的温度下进行测量，以避免由于温度波动造成的测量误差。
在一个优选的实施方式中，至少用在线测量确定丙烯腈和丙烯酰胺的浓度。优选至少每隔四分钟确定一次这些浓度，特别优选每两分钟确定一次。
在该时间窗口显示32或64线特别优选64线扫描光谱，其中加入干涉图，然后除以测量的次数，并除以背景光谱。这样得到的光谱被用来确定当时的丙烯腈和丙烯酰胺浓度。
在本发明的一个优选的实施方式中，在线测量的数值被用来调节由丙烯腈形成丙烯酰胺的生物催化反应。优选调节生物催化剂的浓度、温度和/或丙烯腈的浓度。此外，利用在线测量还可以确定终止反应的时间点。
丙烯腈计量进料结束后，需要再反应优选4-20分钟，特别优选5-10分钟，以便使丙烯腈尽可能完全地反应。在继续反应期间优选通过旁路的冷却逐渐减少。继续反应的时间长度同样可以通过在线测量的结果进行控制。
本发明的方法可以使用每一种对由丙烯腈形成丙烯酰胺的反应起催化作用的生物催化剂进行。然而，优选使用生物催化剂Rhodococcus rhodochrous，其在DSMZ(德国微生物和细胞培养物保藏单位，Mascheroder Weg 1b，D-38124Braunschweig，Deutschland)的保藏号是14230。
本发明方法的优点是，在丙烯腈反应成为丙烯酰胺期间基本上可以保持生物催化剂的活性，形成的副产物少，丙烯腈几乎完全反应，可以得到最高50重量％的丙烯酰胺溶液。本发明的方法可以简单而经济地进行。本发明的方法可以大大缩短反应时间。生物催化剂得到最佳利用。
本发明的方法优选在一个具有在线测量的在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的设备中进行。该设备是本发明的另一个主题。
本发明的设备具有一种在线测量。本发明意义上的一种在线测量是直接在设备上连续或半连续地分析反应混合物的测量。这种在线测量可以采用相应合适的测量仪器进行，其中反应混合物优选在整个反应期间连续地流经在线测量仪器。优选采用一种傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)进行该在线测量。令专业人员惊奇的是，虽然反应混合物非常混浊，该测量方法已被证明是特别适合的。用FT-IR在线测量时的分辨率应当不超过8cm-1。特别优选不超过4.0cm-1。
在线测量优选在一种用泵唧送循环中进行，其中一部分反应混合物用泵由反应器输送进入循环。用泵唧送循环优选与一个反应器相连接，在反应器中进行由丙烯腈形成丙烯酰胺的反应。在用泵唧送循环中优选安装至少一个换热器，由它导出在丙烯腈反应生成丙烯酰胺时产生的反应热。换热器优选是一种壳管式换热器，其中反应混合物最好不转向，以避免碰撞换热器的表面。在本发明的一种优选的实施方式中，泵和换热器的安排可以一方面避免反应器的温度波动，另一方面可以避免强烈的能量输入。泵优选是一个带侧通道的泵。
优选使换热器在用泵唧送循环中安装在在线测量的前面，这样就可以在最大可能均匀的温度下进行测量，以避免由于温度波动造成的测量误差。
在一个优选的实施方式中，至少用在线测量确定丙烯腈和丙烯酰胺的浓度。优选至少每四分钟确定一次这些浓度，特别优选每两分钟确定一次。
在该时间窗口显示32或64线特别优选64线扫描光谱，其中加入干涉图，然后除以测量的次数，并除以背景光谱。这样得到的光谱被用来确定当时的丙烯腈和丙烯酰胺浓度。
在本发明的一个优选的实施方式中，在线测量的测量值被用来调节丙烯腈转变成丙烯酰胺的生物催化反应。优选调节生物催化剂的浓度、温度和/或丙烯腈的浓度。此外，利用在线测量还可以确定终止反应的时间点。
丙烯腈计量进料结束后，需要再反应优选4-20分钟，特别优选5-10分钟，以便使丙烯腈尽可能完全地反应。在继续反应期间优选通过旁路的冷却逐渐减少。继续反应的时间长度同样可以通过在线测量的结果加以控制。
本发明设备的优点是，在丙烯腈反应转变成为丙烯酰胺期间基本上可以保持生物催化剂的活性，形成的副产物少，丙烯腈几乎完全反应，可以得到最高50重量％的丙烯酰胺溶液。本发明的设备可以简单而经济地运行。本发明的方法可以大大缩短反应时间。生物催化剂得到最佳利用。
下面借助于附图1解释本发明。该解释仅仅是举例性的，并不限制本发明的总体范围。
图1是本发明的方法和本发明的部分设备的工艺流程图。在真正的丙烯腈成为丙烯酰胺的反应开始之前，在反应器3中预先放入全脱盐水1和含有生物催化剂的悬浮液2。反应器3中的物料由一个马达驱动的搅拌器16均匀混合。在反应器3的外侧是冷却蛇管17，蛇管与冷却水进口5和冷却水出口4相连接。专业人员可以看出，用该冷却蛇管也可以在真正的反应开始之前将反应器内的物料预热到确定的温度。
另外，反应器3具有一个用泵唧送循环回路18，一部分反应物料借助于磁耦合的带侧通道的泵7输送通过回路循环。在用泵唧送循环回路18中安装有三个平行的壳管式换热器6，由此可以预热或冷却反应物料。换热器6同样与冷却水入口和回流串联连接。用泵唧送循环回路还具有旁路15，通过它可以绕过换热器6。相应的阀门没有示出。另外，一个傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)9在用泵唧送循环回路中用来在线测量循环流18中的丙烯腈和丙烯酰胺浓度，由此确定反应器3中的浓度。从用泵唧送循环回路18中采取样品流，由活塞式隔膜泵8连续地送入FT-IR仪器9中并在那里进行分析。FT-IR仪器是Nicolet公司(德国分部的地址Offenbach，Deutschland)的Avatar System 360。该仪器在1.5分钟内测定一组64线扫描的光谱。这样得到的光谱用来确定当时的丙烯腈和丙烯酰胺浓度。分辨率为4cm-1。2分钟后测定下一组光谱，因此，每隔两分钟有一组丙烯腈和丙烯酰胺浓度测量值。测量值用来控制工艺过程。就在用泵唧送循环回路18即将重新进入反应器3之前，由丙烯腈储罐10经隔膜计量泵11向其计量加入反应所用的丙烯腈。丙烯腈储罐10和反应器3由摆动管19的气体相连通。管道19在丙烯腈计量加料之前打开，在计量加料结束后重新关闭。反应结束后由环隙离心机12将含水的丙烯酰胺与生物物料分离，并将含水的丙烯酰胺收集在储罐13中，将生物物料收集在储罐14中。
涉及微生物或其他生物材料保藏的说明(该说明涉及说明书原文第3页31和32行所述的微生物或其它生物材料的保藏)
权利要求
1.在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的方法，其特征是，通过在线测量监测反应过程。
2.权利要求
1所述的方法，其特征是，所述的在线测量是采用一种傅里叶变换红外测量进行。
3.权利要求
1或2所述的方法，其特征是，水合是在具有用泵唧送循环的反应器中进行，其中一部分反应混合物用泵输送进入循环，在线测量配置在用泵唧送循环中。
4.权利要求
3所述的方法，其特征是，在用泵唧送循环中在在线测量之前至少安装有一个换热器。
5.权利要求
4所述的方法，其特征是，换热器是壳管式换热器，反应混合物在其中被冷却，且优选不转向。
6.权利要求
4或5所述的方法，其特征是，泵和换热器面积设计得可以避免在线测量中出现强烈的温度波动和由泵造成剧烈的能量输入。
7.权利要求
1-6中任一项所述的方法，其特征是，用在线测量确定丙烯腈和/或丙烯酰胺的浓度。
8.权利要求
7所述的方法，其特征是，至少每隔4分钟，优选每隔2分钟测定一次丙烯腈和/或丙烯酰胺的浓度。
9.权利要求
1-8中任一项所述的方法，其特征是，用在线测量的结果调节工艺过程，优选丙烯腈浓度、生物催化剂浓度和/或温度。
10.权利要求
1-9中任一项所述的方法，其特征是，生物催化剂是Rhodococcus rhodochrous，其在德国微生物和细胞培养物保藏单位DSMZ，Mascheroder Weg 1b，D-38124 Braunschweig，Deutschland的保藏号是14230。
11.在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的设备，其特征是，具有一种在线测量机构。
12.权利要求
11所述的设备，其特征是，在线测量是一种傅里叶变换红外测量仪。
13.权利要求
11或12所述的设备，其特征是，具有带用泵唧送循环回路的反应器，其中一部分反应混合物用泵输送进入循环，以及其中安装有在线测量。
14.权利要求
13所述的设备，其特征是，在用泵唧送循环中在在线测量之前至少安装有一个换热器。
15.权利要求
14所述的设备，其特征是，换热器是壳管式换热器。
16.权利要求
13-15中任一项所述的设备，其特征是，泵是带侧通道的泵。
17.权利要求
11-16中任一项所述的设备，其特征是，用在线测量能确定丙烯腈和/或丙烯酰胺的浓度。
18.权利要求
16所述的设备，其特征是，至少每隔4分钟，优选每隔2分钟测定一次丙烯腈和/或丙烯酰胺的浓度。
专利摘要
本发明涉及一种在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的方法和设备。
文档编号C12N1/34GKCN1612933SQ02808905
公开日2005年5月4日 申请日期2002年4月25日
发明者O·彼得森, P·克罗姆克 申请人:施托克豪森公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan