DE2954531C2

DE2954531C2 -

Info

Publication number: DE2954531C2
Application number: DE2954531A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Watanabe; Yoshiaki Satoh; Takayuki Yokohama Jp Takano
Original assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1978-03-29
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1989-02-02
Also published as: RO82577B; FR2421212B1; NL7902453A; GB2018240B; US4248968A; DE2912292C2; IT1162484B; FR2421212A1; RO82577A; RO77918A; GB2018240A; IT7948496A0; DE2912292A1; SU1299501A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Acrylamid oder Methacrylamid unter Verwendung von Mikroorganismen. Zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem Acrylnitril (nachfolgend abgekürzt AN) oder Methacrylnitril (nachfolgend abgekürzt MAN) mit Wasser unter Verwendung von reduziertem Kupfer als Katalysator zur Reaktion gebracht wird. Es bestand jedoch das Bedürfnis, ein neues und industriell vorteilhaftes Verfahren zu entwickeln, weil der katalytische Prozeß die schwierige Herstellung und Regenierung des Katalysators erforderlich macht und weil die Isolation und die Reinigung des hergestellten Amides mit Schwierigkeiten verbunden ist.

In der US-PS 40 01 081 wird ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril (AN) oder Methacrylnitril (MAN) unter Anwendung einer enzymatischen Reaktion beschrieben, bei dem der Mikroorganismus CBS 717.73, hinterlegt im Central Bureau voor Schimmelcultures in Delft, verwendet wird. Dieses Verfahren basiert auf der Entdeckung, daß der vorstehend genannte Mikroorganismus verschiedene organische Nitrile zu den entsprechenden organischen Säureamiden hydrolysiert. Im Falle der Umsetzung von Acrylnitril oder Methacrylnitril (Beispiele 6 bis 8 in der genannten US-PS) ist dort angegeben, daß Acrylamid oder Methacrylamid fast quantitativ erhalten wird, wenn die Reaktionsbedingungen 8 bis 12 Gew.-% Acrylnitril - oder Methacrylnitril-Konzentration, 2 bis 4 Gew.-% Bakteriumzellen- Konzentration, PH-Wert 7 bis 9, Temperatur 25°C und Reaktionszeit 20 bis 30 Minuten eingehalten werden. Es trifft zwar zu, daß Acrylamid oder Methacrylamid in der angegebenen hohen Konzentration von 10 bis 20 Gew.-% hergestellt werden können, jedoch verlieren die Bakteriumzellen ihre enzymatische Aktivität unter diesen Bedingungen schnell. Außerdem ist die Lösung, aus der die Bakteriumzellen abgetrennt werden, stark gelb gefärbt und enthält verschiedene Verunreinigungen, die aus den Zellen stammen, so daß ein schwieriger Reinigungsprozeß erforderlich ist. Das oben beschriebene Verfahren ist somit wirtschaftlich nicht vorteilhaft und deshalb für die industrielle Anwendung nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril oder Methacrylnitril in einem wäßrigen Medium unter Einwirkung eines Bakteriums zur Verfügung zu stellen, das Acrylamid- oder Methacrylamid-Konzentrationen von wenigstens 10 Gew.-% ermöglicht, und bei dem man keine besondere Reinigungsstufe vornehmen muß. Außerdem soll bei dem Verfahren die enzymatische Nitrilase-Aktivität des verwendeten Bakteriums auch bei niedrigen Temperaturen hoch sein und für lange Zeit erhalten bleiben.

Diese Aufgae wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Es wurde festgestellt, daß die enzymatische Nitrilase-Aktivität des Stammes CBS 717.73 bei niedrigen Temperaturen überraschend hoch ist, und daß dieser Stamm bei der Hydrolyse von AN und MAN unter Bildung von Acrlyamid bzw. Methacrylamid eine hohe enzymatische Aktivität während einer langen Zeit beibehält, wobei man gleichzeitig auch Konzentrationen an Acrylamid bzw. Methacrylamid von 10 Gew.-% oder mehr erreicht.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird kontinuierlich eine wäßrige Lösung von AN oder MAN durch eine oder mehrere oder gegebenenfalls in Reihe hintereinander geschaltete Kolonnen geleitet, die mit den immobilisierten Bakteriumzellen gefüllt sind, und AN oder MAN wird durch einen oder mehrere Einlässe zwischen dem Kolonneneinlaß und dem Kolonnenauslaß einer Kolonne derart zugeführt, daß es sich in der Reaktionsmischung auflösen kann.

Zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung genügt es, den Mikroorganismenstamm CBS 717.73 2 bis 3 Tage in an sich bekannter Weise zu kultivieren, die Bakteriumzellen von der Kulturlösung durch Zentrifugieren abzutrennen, in Wasser oder in physiologischer Salzlösung zu suspendieren und Acrylnitril oder Methacrylnitril der Einwirkung der Zellen zu unterwerfen.

Die Reaktion wird üblicherweise in einer wäßrigen Suspension durchgeführt, die etwa 1 bis 10 Gew.-% (berechnet als Trockensubstanz) der Bakteriumzellen und 0,5 bis 10 Gew.-% Acrylnitril oder Methacrylnitril enthält, und zwar bei einer Temperatur im Bereich vom Gefrierpunkt des Mediums bis 15°C, bei einem pH-Wert von etwa 6 bis 10, vorzugsweise etwa 7 bis 9, für etwa 0,5 bis 10 Stunden. Außerdem ist es vorteilhaft, stets Acrylnitril oder Methacrylnitril in konzentrierter Form als solches in das System einzuführen, wobei die Konzentration von Acrylnitril oder Methacrylnitril im System auf nicht mehr als 2 Gew.-% zu begrenzen ist, weil sie eine starke Toxizität besitzen und die enzymatische Reaktion verzögern würden. Im allgemeinen sind geringfügig höhere Konzentrationen von Acrylnitril und Methacrylnitril im Standverfahren eher möglich als im kontinuierlich durchgeführten Verfahren, das nachfolgend beschrieben wird, weil es möglich ist, daß Reaktionssystem zu rühren, so daß ein homogenes System erhalten werden kann.

Während der Reaktion soll der pH-Wert vorzugsweise so gesteuert werden, daß er im Bereich von 7 bis 9 verbleibt, indem im Bedarfsfalle laufend Ätzalkali, Ammoniak oder ähnliches hinzugefügt wird oder indem von vornherein eine Pufferlösung in das Reaktionssystem eingeleitet wird. pH-Werte außerhalb des oben genannten Bereiches würden zu einer weiteren Hydrolyse des erzeugten und abgetrennten Acrylamids oder Methacrylamids unter Bildung von Nebenprodukten führen oder es würde zu einer Verminderung der Stabilität der Zellenzyme kommen. Unter Berücksichtigung obiger Bedingungen können Acrylamid oder Methacrylamid mit fast hundertprozentiger Ausbeute hergestellt und abgetrennt werden.

Diese Mikroogranismen können als intakte Zellen verwendet werden, jedoch ist es vom Standpunkt der wiederholten Verwendbarkeit, der kontinuierlichen Durchführung und Reinigung vorteilhaft, immobilisierte Zellen, insbesondere durch Einbettung in ein Polyacrylamid und verwandte polymere Gele immobilsisierte Zellen zu verwenden.

Die Immobilisierung der Zellen kann erreicht werden, indem der vorstehend genannte Mikroorganismenstamme in einem geeigneten wäßrigen Medium suspendiert wird (z. B. Wasser, physiologische Salzlösung, Pufferlösung), das ein Acrylamidmonomeres und ein Vernetzungsmittel enthält, indem ein geeigneter Polymerisationsinitiator und ein Polymerisationsbeschleuniger zu der Suspension hinzugefügt, die Polymerisation und Gelierung bei einer Temperatur von 0 bis 15°C und einem pH-Wert von etwa 5 bis 10, vorzugsweise etwa 6 bis 8 durchgeführt wird. Der Gehalt des Mikroorganismus in der Polymerisationsreaktionslösung hängt von der Art und der Form des verwendeten Mikroorganismus ab, jedoch sind 0,1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1 bis 20 Gew.-% gerechnet als trockene Substanz, üblich.

Das Acrylamidmonomere, das für die Immobilisierung der Zellen bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, schließt beispielsweise Acrylamid, Methacrylamid und - falls erforderlich - äthylenisch ungesättigte Monomere, die mit jenen copolymerisierbar sind und die deshalb in Kombination verwendet werden können, ein. Die Konzentration des Monomeren in der Reaktion soll wenigstens so hoch sein, daß im Ergebnis der Polymerisation ein Gel gebildet wird; gewöhnlich werden 2 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Reaktionslösung, verwendet.

Als Vernetzungsmittel kommen N,N′-Methylen-bis- acrylamid, 1,3-Di-(Acrylamidmethyl)-2-imidazolidon und ähnliche in Frage. Als Polymerisationsinitiator und als Polymerisationsbeschleuniger werden solche gewählt, die die Aktivität des Mikroorganismenstammes wenig beeingträchtigen. Gewöhnlich werden Kaliumpersulfat oder Ammoniumpersulfat als Polymerisationsinitiator und Dimethylaminpropionitril oder Triäthanolamin als Polymerisationsbeschleuniger verwendet, jeweils in Mengen von etwa 0,01 bis 10 Gew.-%.

Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die Reaktion entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden; die Verwendung der immobilisierten Zellen in kontinuierlicher Weise im Kolonnenprozeß, der nachfolgend beschrieben wird, ermöglicht es jedoch, eine wäßrige hochkonzentrierte Lösung von Acrylamid oder Methacrylamid in verhältnismäßig einfacher Weise und unter Bedingungen, unter denen die Aktivität der Zellen enzyme für eine lange Zeit aufrechterhalten bleibt, zu erhalten.

Der kontinuierliche Kolonnenprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung wird demzufolge unter Verwendung einer oder mehrerer, miteinander in Serie geschalteter Kolonnen durchgeführt, die mit nach oben beschriebener Methode festgelegten Zellen in einer Dichte von etwa 0,3 bis 0,5 g immobilisierte Zellen pro cm³ gefüllt sind, welche zu einer geeigneten Größe zerteilt sind (etwa 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise etwa 1 bis 3 mm), wobei dann eine wäßrige Lösung von Acrylnitril oder Methacrylnitril durch den Kolonneneinlaß eingeleitet wird und zur gleichen Zeit kontinuierlich Acrylnitril oder Methacrylnitril an einem Zwischenstück, das örtlich vor der vollständig abgeschlossenen Reaktion sich befindet, kontinuierlich in einer Menge eingeleitet wird, die in der Reaktionslösung löslich ist. Genauer gesagt heißt das, daß bei Verwendung einer Kolonne ein sog. Kolonnenteil vorteilhaft ist, der üblicherweise einige Sektionen aufweist und eine oder mehrere Zuführungsleitungen zwischen dem Kolonneneinlaß und dem Kolonnenauslaß aufweist, wobei je Sektion eine Zuführungsleitung vorgesehen ist. Eine wäßrige Lösung von Acrylnitril oder Methacrylnitril wird kontinuierlich durch den Kolonneneinlaß eingeleitet und zur gleichen Zeit wird Acrylnitril oder Methacrylnitril kontinuierlich durch alle diese Zuführungsleitungen eingeführt. Eine vorteilhafte Zuführungsmenge beträgt etwa 0,1 bis 1,5 g AN oder MAN pro Gramm Bakteriumzellen und pro Stunde, wobei 0,3 bis 0,8 g AN oder MAN pro Gramm Bakteriumzellen und pro Stunde besonders vorzuziehen sind. Die Menge an Acrylnitril oder Methacrylnitril, die durch jede der Zuführungsleitungen eingeleitet wird, ist derartig, daß das Acrylnitril oder Methacrylnitril, das eingeleitet wird, sich in der Reakionsmischung auflösen kann. Es ist vorteilhaft, die Konzentration von Acrylnitril oder Methacrylnitril im Reaktionssystem auf ein Niveau zu begrenzen, das nicht höher als 2 Gew.-% beträgt, weil - wie oben erläutert - bei höheren Konzentrationen der toxische Effekt von AN und MAN sich auszuwirken beginnt und die enzymatische Reaktion verzögert. Besondere Zuführungsmengen je Zuführungsleitung sind nicht erforderlich wegen des Unterschiedes in der Verbrauchsmenge von AN oder MAN während des Ablaufs der Reaktion, d. h. die Zuführungsmengen variieren in Abhängigkeit davon, ob das AN oder das MAN bei dem jeweiligen Niveau löslich ist.

Werden zwei oder mehrere Kolonnen verwendet, so sind sie miteinander in Reihe geschaltet; die wäßrige Lösung von AN oder MAN wird durch den Kolonneneinlaß der ersten Kolonne eingeleitet, während AN oder MAN durch die nachfolgend und succesive längs der Kolonne angeordneten Zuführungsleitungen in der gleichen Weise eingeleitet werden, wie es oben beschrieben ist. Es kann somit eine hochkonzentrierte Lösung von Acrylamid oder Methacrylamid als Eluat der zweiten oder der letzten Kolonne erhalten werden.

Alle Teilangaben und Prozente in den nachfolgenden Beispielen sind als Gewichtsteile bzw. Gewichtsprozente zu verstehen. Die Reaktionsprodukte, nämlich Acrylamid und Methacrylamid, Ausgangsmaterial, insbesondere Acrylnitril und Methacrylnitril, und Nebenprodukte wie Methacrylsäure und Acrylsäure, wurden gaschromatographisch bestimmt.

Beispiel 1

13,5 Teile gewaschener Zellen des Stammes CBS 717.73 (der Stamm ist in der US-PS 40 01 081 beschrieben), erhalten durch Kultivieren in der in Beispiel 6 angegebenen Weise (Wassergehalt: 78%) wurden mit 86,5 Teilen Wasser gemischt, und es wurde AN mit Unterbrechunen tropfenweise in einer Menge von 2 Teilen pro Stunde zugeführt, während dabei der pH-Wert der Lösung durch entsprechende Zufügung einer wäßrigen, 0,5 n KOH-Lösung unter Rühren auf 8,0 eingestellt wurde; die Reaktion wurde bei verschiedenen Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 0°C bis 30°C durchgeführt, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Der Ablauf der Reaktion erfolgte, bis unreagiertes AN feststellbar war; in diesem Stadium wurde die Reaktion gestoppt und die Zellen durch Zentrifugieren abgetrennt, um eine klare Lösung zu erhalten. Der Gehalt an Acrylamid wurde jeweils für jede Lösung bestimmt, um die Konzentration des angesammelten Acrylamids bei den jeweiligen Reaktionstemperaturen vergleichen zu können.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Es geht daraus hervor, daß die Konzentration des hergestellten und angesammelten Acrylamids erheblich erhöht war, wenn die Reaktionen bei Temperaturen von nicht höher als 15°C durchgeführt wurden.

Tabelle 1

Beispiel 2

40 Teile gewaschener Bakterienzellen des Stammes CBS 717.73 erhalten durch Kultivierung in der im Beispiel 12 der US-PS 40 01 081 beschriebenen Weise (Wassergehalt: 75%), wurden mit 4,5 Teilen Acrylamid, 0,5 Teilen N,N′-Methylen-bis-acrylamid und 40 Teilen physiologischer Salzlösung gemischt, um eine gleichmäßige Suspension zu erhalten. Zu dieser Suspension wurden 5 Teile einer wäßrigen, 5%-igen Diaminopropionitril- Lösung und 10 Teile einer wäßrigen, 2,5%-igen Kaliumpersulfat- Lösung hinzugefügt, wonach das System für 30 Minuten auf einer Temperatur von 10°C gehalten wurde, um zu polymerisieren. Das auf diese Weise erhaltene Bakteriumzellen enthaltende Gel wurde in kleine Partikel zerteilt und mit physiologischer Salzlösung gut gewaschen, um 100 Teile immobilisierter Bakteriumzellen zu erhalten.

5 ummantelte Kolonnen (Innendurchmesser 3 cm, Länge 25 cm), je gefüllt mit 40 g der immobilisierten Zellen, waren miteinander in Serie verbunden; eine wäßrige, 4%-ige AN-Lösung (unter Verwendung eines 0,05 m Phosphatpuffers, pH-Wert 8,0) wurde von oben nach unten durch die Kolonne Nr. 1 bei einer Temperatur von 10°C und einer Durchflußmenge von 50 ml/h geleitet. Nachfolgend wurden 100 Teile des Eluats mit 4,5 Teilen AN gemischt und dann durch die Kolonne Nr. 2 durch deren oberen Einlaß mit einer Durchflußmenge von 52,3 ml/h geleitet.

Das Eluat wurde danach in ähnlicher Weise und hintereinander durch die Kolonne Nr. 3 mit auf 54,5 ml/h eingestellter Durchflußmenge geleitet, danach durch Kolonne Nr. 4 mit 54,8 ml/h und schließlich durch Kolonne Nr. 5 mit 59 ml/h geleitet. Die Analyse des Eluates der Kolonne Nr. 5 ergab 48 Stunden nach dem Beginn des Durchflusses der Lösung das Vorhandensein einer geringen Menge Acrylnitril, die Konzentration an Acrylamid betrug 24,8%.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril oder Methacrylnitril unter Verwendung des Mikroorganismus CBS 717.73, bei dem Acrylnitril oder Methacrylnitril in einem wäßrigen Medium der Einwirkung des Mikroogranismus unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich vom Gefrierpunkt des Mediums bis 15°C bei einem pH-Wert von 6 bis 10 vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Mikroorganismus in immobilisierter Form in einem polymeren Gel einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Mikroorganismen in Polyacrylamid immobilisiert einsetzt.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man kontinuierlich eine wäßrige Lösung von Acrylnitril oder Methacrylnitril durch eine oder mehrere gegebenenfalls in Reihe hintereinandergeschaltete Kolonnen leitet, die mit dem immobilisierten Mikroorganismus gefüllt sind, und Acrylnitril oder Methacrylnitril durch eine oder mehrere Einlässe zwischen dem Kolonneneinlaß und dem Kolonnenauslaß einer Kolonne in einer in der Reaktionsmischung löslichen Menge zuführt.