DE3017005A1

DE3017005A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylamid oder Methycrylamid aus Acryl-Nitril oder Methacrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE3017005A1
Application number: DE19803017005
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Yokohama Kanganwa Satoh; Ichiro Yokohama Kanagawa Watanabe; Yasumasa Yamguchi
Original assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1979-05-02
Filing date: 1980-05-02
Publication date: 1981-04-09
Also published as: GB2048877B; FR2455630A1; IT1146912B; US4440858A; DE3017005C2; SU1609444A3; JPS55144889A; JPS5835077B2; IT8048550A0; GB2048877A; FR2455630B1

Description

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1970) . DIPL-ING. W-EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. V/. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT; B. HANSEN

ARADELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO N CH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29(519 (PATH E)

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NITTO CHEMICAL INDUSTRY CO., LTD., Tokyo / Japan

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril oder Methacrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Acrylamid oder Methacrylamid aus Arylnitril oder Methacrylnitril.unter Verwendung von Mikroorganismen.

Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid (nachfolgend einfach als."(Meth)-Acrylamid" bezeichnet ) durch Umsetzung von Acrylnitril oder Methacrylnitril (nachfolgend einfach als "(Meth)-Acrylnitril" bezeichnet) mit Wasser in. Gegenwart eines auf Kupfer auf gebauten Katalysators sind bekannt, jedoch haben diese Verfahren den Nachteil, dass die Herstellung des auf Kupfer aufgebauten Katalysators kompliziert ist und die Reproduzierbarkeit des Katalysator sehr schwierig ist, und dass die Abtrennung und

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Reinigung des gebildeten (Meth)-Acrylamids kompliziert ist. Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren, das wirtschaftlich vorteilhafter arbeitet.

Aus US-PS 4 001 081 ist ein Verfahren zur biologischen Herstellung von (Meth)-Acrylamid aus (Meth)-Acrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen der Genera Bacillus, Bacteridium im Sinne von Prevot, Micrococcus und Brevibacterium im Sinne von Bergey bekannt. Weitere Verfahren zur Herstellung von (Meth)-Acrylamid aus (Meth)-Acrylnitril unter Verwandung von Mikroorganismen der Genera Corinebacterium und Nocardia werden in der japanischen Offenlegungsschrift 129190/79 beschrieben.

Die aus US-PS 4 001 081 und der japanischen Offenlegungsschrift 129190/79 bekannten Mikroorganismen weisen eine hohe Anfancfsativität bei der Hydratisierungsreaktion auf. Da sich unterüblichen Reaktionsbedingungen ihre Aktivität aber schnell vermindert, ist ihre Gebrauchsdauer nur kurz. Deshalb hat man mit solchen Mikroorganismen nicht in ausreichendem Masse die Konzentration an (Meth)-Acrylamid erhöhen können und eine wiederholte Verwendung der Mikroorganismen ist nahezu unmöglich. Da die Mikroorganismen auch sehr klein sind, ist es bei ihrer Verwendung im natürlichen Zustand schwierig, sie aus der gebildeten wässrigen Lösung von (Meth)-Acrylamid zu entfernen und die wässrige Lösung von (Meth)-Acrylamid, von der der Mikroorganismus abgetrennt wurde, ist verfärbt, wodurch offensichtlicheProbleme bic der Herstellung der Polymeren eintreten können.

Aufgrund von intensiven Untersuchungen zur Vermeidung der vorerwähnten Nachteile, insbesondere hinsichtlich der Enzymaktivität, wurde nun gefunden, dass die Enzymaktivität

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(d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit [μΜοΙ/min.] pro mg getrockneter Probe ) eines Mikroorganismus in einer Mi·"· schung aus (Meth)-Acrylnitril und Wasser schnell abnimmt mit zunehmender Konzentration des darin befindlichen (Meth)-Acrylnitrils, während im Gegensatz hierzu in einer wässrigen (Meth)-Äcrylamidlösung die Enzymaktivität merklich stabilisiert wird. · ·

Es wurde deshalb gefunden, dass die verschiedenen vorerwähnten Probleme gelöst werden können,- indem man (Meth)-Acrylnitril und Wasser in einem wässrigen Medium umsetzt und dabei die Reaktanten mit einem Teil der in dem wässrigen Medium gebildeton Lösung von (Meth)-Acrylamid verdünnt.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von (Meth)-Acrylamid aus (Meth)-Acrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen, die in der Lage sind,, die Hydratisierungsreaktion von (Meth)-Acrylnitril zu (Meth)-Acrylamid zu beschleunigen.

Das Verfahren umfasst die Immobilisierung des Mikroorganismus oder eines daraus extrahierten Enzyms auf ein Substrat und • das kontinuierliche in Berührungbringen von (Meth)-Acrylnitril mit dem immobilisierten Mikroorganismus oder Enzym in einem wässrigen Medium unter Ausbildung der Hydratisierungsreaktion, sowie das Umlaufenlassen eines Teils der umgesetzten Lösung, um das (Meth)-Acrylnitril und das darin befindliche Wasser zu verdünnen.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass eine wässrige Lösung von (Meth)-Acrylamid hoher Konzentration in stabiler Weise erhalten.werden kann, ohne dass während eines langen Zeitraumes die Enzymaktivität abnimmt.

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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Investitionskosten für Reaktoren, Kühler und dergleichen, sowie weitere Kosten, wie Mikroorganismen, Immobilisierungsmittel und dergleichen, merklich vermindert werden können aufgrund der hohen Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem die Menge an pro Einheit des erzeugten Produktes benötigten Mikroorganismus gering ist, und der Mikroorganismus selbst und die Verunreinigungen, die·daraus eluiert werden,keinen wesentlichen Einfluss auf das (Meth)-Acrylamid-Produkt haben.

Jeder Mikroorganismus, der in der Lage ist, die Hydrolysierung von (Meth)-Acrylnitril unter Bildung des entsprechenden (MeIh)-Acrylamids zu bewirken, kann erfindungsgemäss verwendet werden, unabhängig von der Klassifizierung der jeweiligen Mikroorganismus-Gruppe. Zum Beispiel kann man Mikroorganismen der Genera Bacillus, Bacteridium in Sinne von Pr§vot, Micrococcus und Brev'ibacterium in Sinne von Bergey, wie sie in US-PS 4 001 081 beschrieben werden, und der Genera Corynebacterium und Nocardia., wie sie in der japanischen Offenlegungsschrift 129190/79 beschrieben werden, verwenden. ·

Bevorzugte Mikroorganismen schliessen den Stamm N-771 (hinterlegt beim Fermentation Research Institute, the Agency of Industrial Science and Technology unter der Hinterlegungsnummer FERM-P Nr. 4445) dem Stamm N-774 (FERM-P Nr. 4446) , beide vom Genus Corynebacterium, und dem Stamm N-775 (FERM-P Nr. 4447) , vom Genus Nocardia, wie er in der japanischen Offenlegungsschrift 129190/79 beschrieben wird, ein.

Diese Mikroorganismen können immobilisiert und dann erfindungsgemäss verwendet v/erden. Für die Immobilisierung kann man alle bekannten Techniken anwenden. Zum Beispiel kann man

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ein Einschliessen oder Vernetzen verwenden, aber das Einschliessen in einen Polyacrylamid-Gel wird besonders bevorzugt.

Bei den üblichen immobilisierten Mikroorganismen, hergestellt durch Einhüllen von Mikroorganismen mit Polyacrylamid und ähnlichen Polymeren, beträgt in den meisten Fällen das Niveau der enzymatischen Aktivität der immobilisierten Mikroorganismen 30 bis 60 % der. intakten Mirkoorgänismen. Dagegen kann man die Mikroorganismen erfindungsgemäss bis zu einem Aktivitätsniveau von nahezu 100 % immobilisieren, weil die Mikroorganismen Acrylamid produzierende Stämme sind, und gegenüber hohen Konzentrationen an Acrylamid beständig sind,und weil man die Immobilisierung bei 15^.C oder darunter vornehmen kann.

Die Immobilisierung kann wie folgt vorgenommen werden:

Einer der vorerwähnten Mikroorganismen wird in einem wässrigen Medium (z.B. Wasser,einer isotonischen Kochsalzlösung oder einer Pufferlösung),enthaltend ein auf Acrylamid aufgebautes Monomer und ein Vernetzungsmittel, dispergiert, und dazu gibt man eine Polymerisationsinitiator und eine Polymerisationsbeschleuniger und die erhaltene Mischung wird dann durch/PoIymeriscition in einem Temperatur bezieh, zwischen etwa 0 ° und 30⁰C und vorzugsweise zwischen 0° und 15°C und bei einem pH zwischen etwa 5 und 10 und vorzugsweise zwischen 6 und 8. geliert.

Der Mikroorganismusgehalt in der Polymerisationslösung liegt im allgemeinen zwischen etwa 0,1 bis 50 Gew.-% und vorzugsweise bei 1 bis 20 Gew.-%, wobei der gewünschte Gehalt von der Art des Mikroorganismus und den Bedingungen, unter denen dieser verwendet wird, abhängt..

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Auf Acrylamid basierende Monomere für die Verwendung für die Immobilisierung schliessen Acrylamid und Methacrylamid ein. Gewünschtenfalls können sie zusammen mit äthylenisch ungesättigten Monomeren, die mit ihnen copolymerisierbar sind, verwendet werden. Das auf Acrylamid aufgebaute Monomer in der Reaktionslösung wird in einer solchen Konzentration verwendet, dass sich ein Gel bei der Polymerisationsreaktion in der Reaktionslösung bildet. Die Konzentration des auf Acrylamid aufgebauten Monomers in der Polymerisationsreaktionslösung liegt im allgemeinen zwischen 2 bis 30 Gew.-% und vorzugsweise bei 5 bis 20 Gew.-%.

Beispiele für geeignete Vernetzungsmittel für die Immobilisierung von Mikroorganismen oder Enzymen gemäss der Erfindung sind Ν,Ν-Methylenbisacrylamid und 1,3-Di(äcrylamidomethyl)-2-imidazolin.

Als Polymerisationsinitiatoren und Polymerisationsbeschleunigt-r werden solche Verbindungen gewählt, welche die Aktivität des·; Mikroorganismus im wesentlichen nicht inhibieren. Kaliumpersulfat und Ammoniumpersulfat sind besonders geeignet als Polymerisationsinitiatoren und Dimethylaminopropionitril und •Triethanolamin können als Polymerisationsbeschleuniger verwendet werden. Diese Additive werden in Mengen von jeweils etwa 0,01 bis 10 Gew.-% angewendet.

Bei der Verwendung eines Enzyms nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird eine Enzymlösung, die man durch Extraktion aus dem Mikroorganismus durch Ultraschall, durch ein Gefrierschmelzverfahren, durch eine Lysozymmethode usw. erhält, gegebenenfalls gereinigt und immobilisiert.

Das Verfahren zum Extrahieren und Reinigen einer Enzymlösung

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aus dem Mikroorganismus, den man durch Zentrifugieren einer fertigen Kulturlösung erhält, kann ein bekanntes Verfahren sein, z.B. ein Verfahren, bei dem man den gewaschenen Mikroorganismus in einer Pufferlösung mit einem für die Stabilität des Enzyms ausreichenden pH suspendiert und den suspendierten Mikroorganismus dann mit einer "French"-Presse oder mit Ultraschallwellen behandelt, um den Mikroorganismus zu zerstören, worauf man dann die extrahierte Lösung (ein Rohextrakt des Mikroorganismus) von den Stücken des zerstörten Mikroorganismus abtrennt, die rohe Extraktlösung mit Ammoniumsulfat in bekannter Weise wieder auflöst und dann den erhaltenen Niederschlag dialysiert unter Ausbildung einer rohen Enzymlösung, worauf man dann eine aktive Fraktion aus der rohen Enzymlösung chromatografisch, z.B. über Diäthylaminoäthylcellulose, wie Sephadex G-200 und dergleichen sammelt und man ein teilgereinigtes Enzym erhält.

Für die Immobilisierung kann jedes bekannte Immobilisierungsverfahren angewendet werden. Zum Beispiel kann man die Einschlussmethode, die Vernetzungsmethode oder das Binden an einen Träger anwenden, wobei die Ionen-Bindungsmethode bevorzugt wird, bei der das Enzym auf einem granulärem Feststoff aus ionenaustauschern, wie einem porösen Änionenaustauschharz und Diäthylaminomethylcellulose, abgeschieden und gebunden wird.

Der immobilisierte Mikroorganismus oder ein Enzym können alle bekannten Formen haben, jedoch liegen sie vorzugsweise in Teilchenform vor. ' .

Ein Festbett-Reaktor oder ein Fliessbett-Reaktor kann erfindungsgemäss verwendet werden, wobei der Festbett-Reaktor deshalb bevorzugt wird, weil immobilisierte Mikroorganismen

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oder Enzyme dabei in einem geringeren Masse dazu neigen zusammenzubrechen. Der Ersatz der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme wird im allgemeinen absatzweise vorgenommen, und es ist festzuhalten, dass ein Fliessbett-Reaktor, bei dem die zugeführten Stoffe und die entnommenen Stoffe semikontinuierlich oder kontinuierlich, eingeführt und herausgeholt werden, erfindungsgemäss als eine Art Festbett-Reaktor angesehen und in die Erfindung eingeschlossen wird. Ein Fliessbett-Reaktor gemäss US-PS 3 288 567 und ein "Spoutinybed"-Reaktor können als Fliessbett-Reaktor verwendet werden. Die immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme werden vorzugsweise mit der Reaktionslösung im Gegenstrom oder im Gleichstrom in Berührung gebracht, weil durch diese Verfahren eine Reduktion der Menge der zur Durchführung des Verfahrens benötigten immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme ermöglicht wird.

Im allgemeinen werden ein oder zwei oder gewünschtcnfalls drei oder mehr Reaktoren mit den immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen gefüllt und in Serie geschaltet, wobei die Reaktion dann kontinuierlich durchgeführt wird, nachdem man das (Meth)-Acrylnitril und Wasser darin mit einem Teil der Reaktionslösung, die abgezogen und im Kreislauf geführt wird, verdünnt, wobei die restliche Reaktionslösung als Produkt abgezogen wird. Das heisst, dass ein Teil der Reaktionslösung kontinuierlich abgezogen wird, wenn die (Meth)-Acrylamid-Lösung sich einer Konzentration nähert, die der Konzentration von (Meth)-Acrylnitril in dem eingeführten wässrigen Medium nähert.

Verwendet man eine Vorrichtung, mit zwei oder mehr in Serie geschalteten Reaktoren, so ist es auch möglich, das im Ausgangsmaterial verwendete (Meth)-Acrylnitril und Wasser dadurch zu verdünnen, dass man einen Teil der abfliessenden

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Reaktionslösung aus jedem Reaktor,in den das (Meth)-Acrylnitril und Wasser eingeführt werden, abzieht. Dem oder den Reaktor(en), abgesehen vom ersten Reaktor, gibt man nur (Meth) Acrylnitril zu. Weiterhin kann das verd.ünnende (Meth)— Acrylnitril und Wasser, das nichtumgesetzte (Meth)-Acrylnitril und Wasser einschliessen, das aus dem vorhergehenden Re'aktor stammt, wie auch frisch eingeführtes (Meth) -Acrylnitril und Wasser.

Die Abtrennung der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme aus der Reaktionslösung wird im allgemeinen im Reaktor vorgenommen und die immobilisierten Mikroorganismen, die noch in der ReaktiOHslösung eingeschlossen sind, können in einfacher Weise durch Filtrieren oder Sedimentierung entfernt werden.

Die Konzentration an (Meth)-Acrylamid in der Reaktionslösung kann bis zur Grenze der jeweiligen Löslichkeiten erhöht werden. Im Falle von Acrylamid wird sie vorzugsweise bei 5 bis 25 Gew.-% eingestellt. · ■ . ■

Die Ausgangsmaterialien,d.h. (Meth)-Acrylnitril und Wasser werden mit der zuvor umgesetzten, im Kreislauf gefahrenen Lösung verdünnt. Die Verdünnungswirkung erhöht sich mit der Erhöhung des Verdünnungsgrades, aber der Bereich des Verdünnungsgrades wird durch die Verdünnungswirkung und den Fliesswiderstand entschieden. Das bevorzugte Verdünnungsverhältnis liegt im Bereich vom 2-fachen bis zum 100-fachen.

Eine Erhöhung des Verdünnungsverhältnisses auf mehr als das 100-fache hat nicht nur keinen vorteilhaften Einfluss auf die Erhöhung der Lebensdauer der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme, sondern erhöht auch den Fliesswiderstand und infolgedessen wird es dann schwierig, die Produktivität durch eine Erhöhung der Fliessgeschwindigkeit zu erhöhen.

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Wenn andererseits geringe Verdünnungsgrade vorliegen von weniger als dem 2-fachen, so ist der Verdünnungseffekt niedrig und die Erhöhung der Lebensdauer der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme ist unerwünscht gering. Obwohl man die Verdünnung im Reaktor durchführen kann, wird das Verdünnen und Vermischen vorzugsweise durchgeführt bevor (Meth)-Acrylnitril und Wasser in den Reaktor eingeführt werden.

Die Umsetzung wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen dem Gefrierpunkt des Reaktionssystems bis zu etwa 30⁰C und vorzugsweise zwischen dem Gefrierpunkt des Systems bis 15 ⁰C vorgenommen, wodurch die Herstellung einer wässrigen (Meth)-Acrylamid-Lösung hoher Konzentration während eines langen Zeitraumes ermöglicht wird. Der ph-Wert wird vorzugsweise zwischen etwa 6 und 10 und insbesondere 7 und 9 gehalten, wodurch die Mikroorganismen oder Enzyme in der Lcige sind, ein erwünschtes Niveau an (Meth) -Acrylnitril-IIydratisierungsaktivität beizubehalten.

Die Beibehaltung dieser Bedingungen ermöglicht auch, dass der Einschluss von Verunreinigungen und eine Verminderung der Ausbeuten aufgrund von Nebenprodukten, wie Acrylsäure oder Methacrylsäure verhindert wird.

Der Grad der Umsetzung bzw. Reaktion kann durch die Menge an immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen, der Reaktionstemperatur, der Reaktionszeit, der Fliessgeschwindigkeit und durch weitere Faktoren beeinflusst werden. Indem man geeignete Bedingungen für die jeweils verwendeten Mikroorganismen oder Enzyme wählt, ist es möglich, die Reaktion so zu beeinflussen, dass die Ausbeute im wesentlichen 100 % beträgt. Ein wichtiger Faktor ist die Raumgeschwindigkeit (SV), die durch folgende Gleichung wiedergegeben wird:

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""'')= Zuführungsmenge (Volumen) pro Zeiteinheit Volumen des Reaktors

Die SV eines jeden Reaktors liegt zwischen etwa 0,1 bis

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20 (h ') und vorzugsweise bei etwa 0,3 bis 5. 4 ^h

bedeutet die Kontaktzeit zwischen dem Ausgangsmaterial· und den immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen.

Ist nicht-umgesetztes (Meth)-Acrylnitril in der umgesetzten Lösung vorhanden, so kann man die umgesetzte Lösung in einen weiteren Reaktor zur Vervollständigung der Umsetzung einleiten, oder man kann das nicht-umgesetzte (Meth)-Acrylnitril durch Abstreifen oder Destillieren entfernen. Das wiedergewonnene (Meth)-Acrylnitril und Wasser können in die Hydratisierungsreaktion wieder eingeleitet werden. Die Anzahl der zusätzlichen Reaktoren, die man für die Umsetzung des in geringen Mengen vorhandenen restlichen (Meth)-Acrylnitrils beuiötigt, beträgt im allgemeinen nur 1 oder 2. Da in diesen Reaktoren die Konzentration an (Meth)-Acrylnitril niedrig ist, ist es nicht erforderlich, die Lösungen in diesen Reaktoren mit der Lösung des Reaktxonsproduktes weiter zu verdünnen.

Erfindungsgemäss kann man die Lebensdauer der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme ganz beachtlich verlängern, und konstant während eines·langen Zeitraums wässrige Lösungen von (Meth)-Acrylamid in hoher Konzentration herstellen. Die erfindungsgemäss hergestellten wässrigen Lösungen, von (Moth)-Acrylamid kann man z.B. so wie sie sind oder nach üblicher Konzentrierung als Ausgangsmaterial für eine Reihe von verschiedenen Polymeren verwenden. Alternativ kann man sie auch als Kristalle gewinnen, indem man sie konzentriert und kühlt. Die Kristalle fallen aus, wenn man die Konzentration an (Meth)-Acrylamid auf eine Konzentration oberhalb der

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Löslichkeitsgrenze erhöht oder indem man die Löslichkeit von (Meth)-Acrylamid durch Kühlen einer (Meth)-Acrylamid-Lösund hoher Konzentration erniedrigt. Ist die Konzentration an (Meth)-Acrylamid in der Reaktionslösung hoch, so ist die Reaktionslösung manchmal etwas gefärbt, aber man kann sie unter Verwendung von porösen Anionenaustauschharzen, die stark oder schwach basisch sind, reinigen.

In den Beispielen wird die Erfindung ausführlich beschrieben. Die Messung des Reaktionsproduktes und der nicht-umgnsot/.tan Ausgangsmaterialien wurde in üblicher Weise gaschromatografisch durchgeführt.

Beispiel 1

40 Teile einer gewaschenen Masse (Wassergehalt 75%) des Stammes N-774, der zuvor durch aerobe Inkubierung eines Kulturmediums (pH 7,2), enthaltend 1 % Glukose, 0,5 % Popton, 9,3 % Hefeextrakt und 0,3 % Malzextrakt, hergestellt worden war, 4.5 Teile Acrylamid, 0,5 Teile N,N' -Metbylenbisacrylainid · und 40 Teil: einer physiologischen Kochsalzlösung wurden gleichmassig dispergiert. Zu dieser Dispersion wurden 5 Teile einer 5 gew.-%-igen Lösung von Dimethylaminopropionitril und 10 Teile einer 2,5 %-igen wässrigen Lösung Kaliumpersulfat· gegeben, und die erhaltene Mischung wurde während .30 Minuten bei 10⁰C polymerisiert'. Das so erhaltene Mikroorganismus enthaltende Gel wurde zu kleinen Teilchen pulverisiert und · gründlich mit physiologischer Kochsalzlösung gewaschen, wobei man 100 Teil von immobilisierten Mikroorganismus-Gelteilchen erhielt.

In eine Säule mit einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm, die mit einem temperaturüberwachten Mantel versehen war, wurden 40 g des Mikroorganismus eingegeben.

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Dann wurde eine Mischung aus 0,75 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer wässrigen "Lösung eines Phosphorsäurepuffers (pH 8,0), die zuvor mit 4 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne vermischt worden waren in einer Fliessgeschwindigkeit von 50 ml/h (SV=O,5 h ) in die Kolonne am Kopf eingeführt, und ein Teil des restlichen Abflusses wurde kontinuierlich in einer Menge von 10 ml/h gewonnen. (2u Beginn der Umsetzung wurde eine 0,05 M wässrige Phosphorsäure-Pufferlösung [pH 8,0] verwendet, welches die gleiche ist, wie in dem nachfolgenden' Beispielen.)

Die Temperatur in der Kolonne wurde kontinuierlich, bei 10°C gehalten, indem man durch den Mantel kalter Wasser strömen Hess.

Nach 1000-stündiger Durchführung der Reaktion betrug die Acrylamidkonzentration im Abfluss 10 % und es wurden praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylamid oder Nebenprodukte festgestellt, so.dass die Ausbeute an Acrylamid nahezu 100 % betrug.

Beispiel 2

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), die jede einen Innendurchmesser von 3 cm und eine Länge von 25 cm hatten, wurden mit 4 0 g eines immobilisierten Mikroorganismus gefüllt, der in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt worden war, und die Kolonnen wurden in Serie geschaltet.

Ein Zugabegemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) wurde, nachdem sie zuvor mit 4 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 vermischt worden war, in einer Fliessgeschwindigkeit von 200 ml/h (SV= 2 h ) auf den

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Kopf der Kolonne Nr. 1 gegeben. Em Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde in einer Fliessgeschwindigkeit von 40
geben.

von 40 ml/h (SV= 0,4 h" ) auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 ge

Die Temperatur in der Kolonne wurde durch Durchfliessenlassen von kaltem Wasser durch die Ummantelung bei 10⁰C gehalten.

Nach 1000-stündiger Reaktion betrugen die Konzentrationen an Acrylamid und nicht-umgesetztem Acrylnitril im Abfluss vom Boden der Kolonne Nr.1 ' 9,5 % bzw. 0,37% und die Konzentration an Acrylamid im Ablfuss am Boden der Kolonne Nr. 2 10 %, und dabei wurde praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte festgestellt, so dass die Ausbeute an Acrylamid nahezu 100 % betrug.

Beispiel 3

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm, die .in Serie geschaltet waren, wurden mit 40 g eines immobilisierten Mikroorganismus, der in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erhalten worden war, gefüllt.

Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde ein Zugabegemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0), die zuvor mit einem Teil des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 vermischt worden war, in einer Fliessgeschwindigkeit von 80 ml/h (SV= 0,8 h~ ) eingegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde in einer

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Fliessgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV= 9,4 h ) auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde durch Durchströmen von kaltem Wasser durch den Mantel auf 10 ⁰C gehalten.

Nach 1000-stündiger Reaktion betrug die Konzentration an Acrylamid in dem Abfluss vom Boden der Kolonne Nr.2 10 % und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte festgestellt werden.

Beispiel 4

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr." 1 und 2) , mit einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von jeweils 25 cm wurden mit 40 g eines immobiliiserten Mikroorganismus gefüllt, der in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt worden war, und in Serie geschaltet. Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde ein Zugabegemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0.925 Teilen einer· 0,05 M wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0), die zuvor mit 9 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 vermischt worden war, in einer Fliessgeschwindigkeit von 400 ml/h (SV=4 h ) gegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. T wurde in einer Fliessgeschwindigkeit von 40ml/h (SV=O,4 h ) auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 gegeben. ■

Die Temperatur wurde durch Durchlaufen von kaltem Wasser durch den Mantel auf 10⁰C gehalten.

Nach 1000-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Acrylamid im Abfluss vom Boden der Kolonne Nr. 2 10% und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte nachgewiesen werden.

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Beispiel 5

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt nit der Ausnahme, dass man anstelle eines Zugabegemisches von 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen der 0,05 M wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) ein Zugabegemisch aus 0,079 Teilen Methacrylnitril und 0,921 Teilen einer 0,05M . wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) verwendete.

Nach 1000-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Methacrylamid im Abfluss 10 % und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Methacrylnitril oder Nebenprodukte nachgewiesen werden, so dass die Ausbeute an Methacrylamid nahezu 100 % betrug.

Beispiel 6

Drei ummantelte Kolonnen (Nr. 1, 2 und 3) mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm wurden mit 4 0 g eines in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellten immobilisierten Mikroorganismus gefüllt und in Serie geschaltet. In den Boden der Kolonne Nr. 1 wurde nach oben ein Zugabegemisch von 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,92 5 Teilen einer 0,05 M wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0), die zuvor mit 4 Teilen des Abflusses vom Kopf der Kolonne Nr. 2 vermischt worden war, in einer Fliess-

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geschwindigkeit von 200 ml/h (SV= 2h ) eingeleitet. Der Abfluss vom Kopf der Kolonne 1 wurde in den Boden der Kolonne 2 eingeführt und dort nach oben fliessen gelassen. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Kopf der Kolonne Nr. wurde in den Boden der Kolonne Nr. 3 eingeleitet und dort mit einer Fliessgeschwindigkeit von 4.0 ml/h (SV = 0,4 h ) nach oben geleitet und der Abfluss wurde am Kopf der Kolonne kontinuierlich abgezogen.

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Die Temperatur in der Kolonne wurde wie in Beispiel 1 bei 1O⁰C gehalten.

Nach 1000-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Acrylamid in dem Abfluss vom Kopf" der Kolonne Nr. 1 10 % und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte festgestellt werden.

Beispiel 7

Eine Dispersion einer gewaschenen Masse (Wassergehalt 75 Z) vom Stamm N-77 4, der zuvor durch aerobe Inkubierung in einem Kulturmedium (pH 7,2),enthaltend 1 % Glukose, 0,5 % Pepton, 0,3 % Hefeextrakt und 0,3 % Malzextrakt, hergestellt worden war, wurde zur Extraktion der Enzyme mit Ultraschallwellen bestrahlt. Die Behandlung mit den Ultraschallwellen erfolgte indem man die 0,05 M Phosphat-Pufferlösung, welche den Mikroorganismus in einer Konzentration von 5 % enthielt, 20 Minuten bei einer Temperatur von 4 ⁰C mit Ultraschallwellen von 20 KHz bestrahlte. Die Bestrahlungsvorrichtung war ein SonifLer W-185 Typ (Branson Sonic Power Comp.). Das so extrahierte Enzym wurde mit einem porösen, stark basischen Anionenaustauschharz (Amberlite 905 der Rohm & Haas Co.) vermischt und damit 6 h bei 10⁰C verrührt, und auf diese Weise auf dem Anionenaustauschharz abgeschieden und gebunden. Anschliessend wurde die Lösung abgetrennt, wobei man das immobilisierte Enzym erhielt.

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm, wurden mit 100 ml des immobilisierten Enzyms beschickt und in Serie geschaltet. Auf" den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde mit einer Fliessgeschwindigkeit von 300ml/h (SV= 3 h )

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ein Zugabegemisch von 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen reinem Wasser, nach vorhergehender Abmischung mit 4 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 (zu Beginn der Reaktion wurde reines Wasser verwendet) gegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. wurde auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 mit einer Fliessgeschwindigkeit von 60 ml/h (SV= 0,6h ) gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde bei 1O⁰C gehalten.

Nach ununterbrochener 200-stündiger Umsetzuncj betrug die Konzentration an Acrylamid in dem Abfluss vom Boden der Kolonne Nr. 2 10 % und es konnten praktisch kein nichtumgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte nachgewiesen werden.

Vergleichsversuch

Zwei ummantelte Kolonnen, (Nr. 1 und 2) , mit jeweils einem Innsrdurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 era wurden' mit 40 g eines immobilisierten Mikroorganismus,der wie in .Beispiel 1 hergestellt worden war, beschickt und in Seriegeschaltet. Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde mit einer Fliessgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV=O,4h ) ein Zugabegemi.sch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wässrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) gegeben. Der Abfluss vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 mit der gleichen Fliessgeschwindigkeit wie oben (d.h. 40 ml/h) gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde bei 1O⁰C gehalten.

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Nach einer 5O-stündigen Umsetzung nahm die Konzentration an nicht-umgesetztem Acrylnitril in dem Abfluss vom Boden der Kolonne Nr.2zu-und erreichte 1000 ppm. Zu diesem Zeitpunkt war die Konzentration an Acrylamid'. 9,9 %. Nach mehrstündigem weiteren Durchführen der Reaktion nahm die Konzentration an Acrylnitril am Boden der Kolonne Nr. 2 abrupt zu, und es wurde praktisch unmöglich,die Umsetzung weiter durchzuführen.

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Claims

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d i pl.-1 n g. k. fd chs le · dr. rer. n λτ. d. hans kn arancllastrassci(steknhaus) · d-8000 mo n c h e n 01 · te ll po n (089) ?! 1007 · teitx 00-w.l? .(path ii) '

33 408 o/fg

NITTO CHEMICAL INDUSTRY CO., LTD., Tokyo / Japan

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acryl-Nitril oder Methacrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen

Patentans ρ r ü c h e

1J Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril oder Methacrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen, die fähig sind die

ll_yUJ. CJ. L. J-OJ-V^J- Hll^-j OJ-UUAUXWiI V KJlX nOJ.^J.UXLlXl «_»*_H— -J- I AV- UMUOJ-Jf J-nitril in die entsprechende Amidverbindung zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Mikroorganismen oder die daraus extrahierten Enzyme immobilisiert und kontinuierlich 7kcry3.nit.ril oder Methacrylnitril mit den immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen in wenigstens einem Reaktor, enthaltend ein wässriges Medium mit einem pH von 6 bis 10 unter Ausbildung einer Hydrati-s ierungsreakt-ion in Berührung bringt, und dass man einen Teil der

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umgesetzten Lösung zur Verdünnung von Acrylnitril oder Z4ethacrylnitril und Wasser im Kreislauf führt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdünnungsverhältnis 2 bis 100 beträgt.
3. Vorfahren gemäss Ansprüchen ί oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Reaktor ein Festbett-Reaktor oder ein Fliessbett-Reaktor ist. ...
4. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet / dass der Reaktor ein Festbett-Reaktor ist. .' .
5. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,· dass der SV-Wert eines jeden Reaktors

0,1 bis 20 (h~¹) ist. . ^:
6. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der SV-Wert eines jeden Reaktors 0,3 bis 5 (h~¹) ist. ■ .
7. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Mikroorganismen mit einem auf Polyamid aüferebauten Gel immobilisiert werden.
8. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die Konzentration an Acrylamid -in der Reaktionslösung im Bereich von etwa 5 bis 25 Gew.-% liegt.
9. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , dass die Reaktionstemperatur zwischen dem Gefrierpunkt der Reaktionslösung bis etwa 30⁰C liegt.
10. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Reaktionstemperatur zwischen dem Gefrierpunkt der Reaktionslösung bis 15°C. liegt.
11. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Mikroorganismen ausgewählt sind aus der Genera Bacillus, Bacteridium,Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium und Nocardia.
12. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Mikroorganismus aus de.n Genera Corynebacterium und Nocardia ausgewählt ist.
13. Verfahren gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, dass der Mikroorganismus ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den Stämmen N-771, N-774 und N-775.
14. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Immobilisierung des Mikoorganis-Kius oder des daraus extrahierten Enzyme bei einer Temperatur von 15 ⁰C oder darunter durchgeführt wird.
15. Verfahren gcir.äss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , dass der pH bei 7 bis 9 gehalten wird.

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