JP2015057968A - アミド化合物の製造方法およびアミド化合物の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工業的に非常に重要なアミド化合物の効率的な製造方法、および該方法に好適に用いられるアミド化合物の製造装置を提供する。
【解決手段】ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する方法において反応槽にポンプを備えた外部循環ラインを設置し、ニトリル化合物を外部循環ラインへと供給することを特徴とするアミド化合物の製造方法、およびニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する反応槽と、反応槽に設置された外部循環ラインにニトリル化合物を供給する供給ラインを備えるアミド化合物の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、微生物菌体および／またはその菌体処理物を触媒として用い、ニトリル化合物を水和したアミド化合物を得るアミド化合物の製造方法、ならびにアミド化合物の製造装置に関するものである。

アミド化合物の主要な製造方法の一つとして、ニトリル化合物を原料とする水和法は多くの場合に用いられており、アクリルアミド等のアミド化合物の工業的製法としては、例えば、ラネー銅等などの金属銅触媒を触媒として用い、アクリロニトリル等のニトリル化合物を水和する方法、あるいは近年ではニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物等を触媒として用い、ニトリル化合物を水和する方法が知られている。

微生物菌体および／またはその菌体処理物を触媒として用いる方法は、アクリロニトリル等のニトリル化合物の転化率および選択率が高いことから工業的に注目を浴びている。

一方、アクリロニトリル等のニトリル化合物は、水またはアミド化合物水溶液への溶解度が常温では十分に高いとは言えず、ニトリル化合物の水への溶解が不十分である場合、ニトリル化合物と菌体触媒との接触が不十分となり、生産性の低下、触媒の劣化、及び、ニトリル化合物の気相部への蒸発によるロスの増加等の悪影響が起こる。反応液やアミド化合物水溶液へのニトリル化合物の溶解度は反応液を強く攪拌することで向上させることができるが、このような強い攪拌は菌体触媒の損傷及びそれによる活性の低下をもたらすことがあり好ましくない。

例えば特許文献１では、菌体および水からなる混合物に攪拌下、アクリロニトリルを断続的に滴下することにより反応させることが適当と記載されている。また特許文献２には、反応液流体の単位体積あたりの攪拌所要動力を０．０８〜０．７ｋＷ／ｍ^３の範囲内で攪拌を行うことでニトリル化合物と生体触媒の接触や分散性を良好にし、製造コストや環境負荷の抑制されたアミド化合物を製造する方法が開示されている。また特許文献３には、微生物触媒が添加されている水系媒体に、水系媒体を攪拌しながらアクリロニトリルを供給して、水系媒体においてアクリルアミドを製造する方法において、アクリロニトリルを水系媒体に供給するアクリロニトリル供給管の供給口を水系媒体中に配置してアクリロニトリルを供給する方法が提案されている。しかしながら、特許文献１や特許文献２の方法においては、ニトリル化合物の気相への蒸発を防止することは不十分であり、特許文献３の方法においても、ニトリル化合物の気相部への蒸発と菌体触媒の損傷を共に防止することは未だ不十分であった。

特公昭５６−３８１１８号公報 国際公開第０９／１１３６５４号パンフレット ＷＯ２０１１／０７８１８４

微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いたニトリル化合物の水和反応においては、ニトリル化合物と菌体触媒の接触により反応が進行することより、反応液中でのニトリル化合物および菌体触媒の良好な分散が求められている。
従来技術においてニトリル化合物はニトリル化合物の貯槽からニトリル化合物供給管を通じて反応槽に直接供給され、反応槽で菌体触媒を含む反応液と混合されることにより、反応槽で水へ溶解することとなり、ニトリル化合物の分散において不利である。
本発明の課題は、アミド化合物を効率的に製造する方法、および当該方法において好適に用いられるアミド化合物の製造装置を提供することにある。

本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ニトリル化合物を反応槽に供給するに際し、ニトリル化合物を反応槽に設置されたポンプを備えた外部循環ラインに供給し、反応槽内から取り出された反応混合物の一部が外部循環ラインを通じて反応槽へ戻される際にニトリル化合物と当該反応混合物の一部をあらかじめ混合することにより上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は以下のとおりである。
〔１〕ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する方法において、反応混合物の一部を反応槽へ戻すためのポンプを備えた外部循環ラインを反応槽に設置し、ニトリル化合物を外部循環ラインへと供給することを特徴とするアミド化合物の製造方法
〔２〕反応槽に設置された外部循環ラインに温度制御装置を有することを特徴とする前記〔１〕に記載のアミド化合物の製造方法
〔３〕ニトリル化合物がアクリロニトリルまたはメタクリロニトリルであり、アミド化合物がアクリルアミドまたはメタクリルアミドである前記〔１〕または〔２〕に記載の製造方法
〔４〕ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する反応槽と、反応槽に設置された外部循環ラインにニトリル化合物を供給する供給ラインを備えるアミド化合物の製造装置

本願発明においては、ニトリル化合物が反応槽へ供給される以前に水系媒体を含んでなる反応混合物と混合されることにより、反応槽へ供給される時点でニトリル化合物は水に溶解している。そのため、反応槽内において、良好な分散状態になるための時間が短縮でき効率的にアミド化合物を製造することができる。

図１は、本発明の製造装置の一実施形態を示す模式図である。 図２は、本発明の製造装置の一実施形態を示す模式図である。 図３は、本発明の製造装置の一実施形態を示す模式図である。 図４は、本発明の製造装置の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明のアミド化合物の製造方法および製造装置について説明する。
〔アミド化合物の製造方法〕
本発明のアミド化合物の製造方法は、ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する方法において、反応槽にポンプを備えた外部循環ラインを設置し、ニトリル化合物を外部循環ラインへと供給する工程を有する。

＜ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物＞
本発明では、ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物（以下、これらを単に「菌体触媒」ともいう。）をニトリル化合物のニトリル基のアミド化触媒として用いる。
ニトリルヒドラターゼとは、ニトリル化合物を加水分解して対応するアミド化合物を生成する能力（以下、「ニトリルヒドラターゼ活性」ともいう。）を有する酵素（たんぱく質）をいう。

ニトリルヒドラターゼを含有する微生物としては、ニトリルヒドラターゼを産出し、かつニトリル化合物およびアミド化合物の水溶液中でニトリルヒドラターゼ活性を保持している微生物であれば特に限定されない。ニトリルヒドラターゼを産生する微生物としては、ノカルディア(Nocardia)属、コリネバクテリウム(Corynebacterium)属、バチルス(Bacillus)属、好熱性のバチルス属、シュードモナス(Pseudomonas)属、ミクロコッカス(Micrococcus)属、ロドクロウス(rhodochrous)種に代表されるロドコッカス(Rhodococcus)属、アシネトバクター(Acinetobacter)属、キサントバクター(Xanthobacter)属、ストレプトマイセス(Streptomyces)属、リゾビウム(Rhizobium)属、クレブシエラ(Klebsiella)属、エンテロバクター(Enterobacter)属、エルウィニア(Erwinia)属、エアロモナス(Aeromonas)属、シトロバクター(Citrobacter)属、アクロモバクター(Achromobacter)属、アグロバクテリウム(Agrobacterium)属またはサーモフィラ(thermophila)種に代表されるシュードノカルディア(Pseudonocardia)属、バクテリジューム（Bacteridium）属、ブレビバクテリウム（Brevibacterium）属に属する微生物などが挙げられる。これらは一種で用いても二種以上を併用しても良い。
また、これら微生物よりクローニングしたニトリルヒドラターゼ遺伝子を任意の宿主で高発現させた形質転換体、および組換えＤＮＡ技術を用いて該ニトリルヒドラターゼの構成アミノ酸の一個または二個以上を他のアミノ酸で置換、欠失、削除もしくは挿入することにより、アミド化合物耐性やニトリル化合物耐性、温度耐性を更に向上させた変異型のニトリルヒドラターゼを発現させた形質転換体なども挙げられる。尚、ここでいう任意の宿主には、後述の実施例のように大腸菌(Escherichia coli)が代表例として挙げられるが、とくに大腸菌に限定されるのものではなく枯草菌(Bacillus subtilis)等のバチルス属菌、酵母や放線菌等の他の微生物菌株も含まれる。その様なものの例として、ＭＴ−１０８２２（本菌株は、１９９６年２月７日に茨城県つくば市東１丁目１番３号の通商産業省工業技術院生命工学工業技術研究所（現 茨城県つくば市東１−１−１ つくばセンター 中央第６ 独立行政法人 品評価技術基盤機構 特許生物寄託センター）に受託番号ＦＥＲＭＢＰ−５７８５として、特許手続き上の微生物の寄託の国際的承認に関するブダペスト条約に基づいて寄託されている。）が挙げられる。

これら微生物の中でも、高活性、高安定性のニトリルヒドラターゼを有するという点で、シュードノカルディア(Pseudonocardia)属に属する微生物、および該微生物よりクローニングしたニトリルヒドラターゼ遺伝子を任意の宿主で高発現させた形質転換体、および変異型のニトリルヒドラターゼを発現させた形質転換体形質転換体が好ましい。なお、上記形質転換体は、ニトリルヒドラターゼの安定性をより高め、菌体当たりの活性がより高い点で好ましい。

また、微生物内にニトリルヒドラターゼを高発現できる、ロドコッカス・ロドクロウス（Rhodococcus rhodochrous）Ｊ−１、該微生物よりクローニングしたニトリルヒドラターゼ遺伝子を任意の宿主で高発現させた形質転換体も同様に好ましい。上記ニトリルヒドラターゼを産生する微生物の菌体は、分子生物学・生物工学・遺伝子工学の分野において公知の一般的な方法により調製できる。

本発明に係る組換えベクターは、ニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子を含有するものであり、ベクターにニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子を連結することにより得ることができる。ベクターとしては、特に限定されるものではなく、例えばpET-21a(+)、pKK223-3、pUC19、pBluescriptKS(+)およびpBR322等に代表される市販の発現プラスミドに、ニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子を組み込むことにより、該ニトリルヒドラターゼの発現プラスミドを構築することができる。また、形質転換に使用する宿主生物としては、組換えベクターが安定、かつ自己増殖可能で、さらに外来のＤＮＡの形質が発現できるものであればよく、例えば大腸菌が好例として挙げられるが、大腸菌だけに限らず枯草菌、酵母等に導入することにより、ニトリルヒドラターゼの生産能を有する形質転換体を得ることができる。

上述のようなニトリルヒドラターゼを生産する微生物は、公知の方法により、適宜培養し増殖させ、ニトリルヒドラターゼを生産させても良い。この場合使用される培地としては炭素源、窒素源、無機塩類およびその他の栄養素を適量含有する培地であれば合成培地または天然培地のいずれも使用可能である。例えば、ＬＢ培地、Ｍ９培地等の通常の液体培地に、微生物を植菌した後、適当な培養温度（一般的には２０℃〜５０℃であるが、好熱菌の場合は５０℃以上でもよい。）で培養させることにより調製できる。培養は前記培養成分を含有する液体培地中で振とう培養、通気攪拌培養、連続培養、流加培養などの通常の培養方法を用いて行うことができる。形質転換体の培養温度としては、１５〜３７ ℃が好ましい。培養条件は、培養の種類、培養方法により適宜選択すれば良く、菌株が生育しニトリルヒドラターゼを生産することが出来れば特に制限はない。

本発明では上述のニトリルヒドラターゼを生産する微生物の菌体を、ニトリル化合物と反応させるために、遠心等による集菌や、破砕し菌体破砕物を作製する等、さまざまな処理を行っても良く、これらのなんらかの処理を施した菌体を菌体処理物と総称する。

破砕される微生物の菌体の形態としては、ニトリルヒドラターゼを産生する微生物の菌体を含む限り特に制限はないが、例えば、該菌体を含む培養液そのもの、その培養液を遠心分離して分離・回収された集菌体、さらにこの集菌体を生理食塩水等で洗浄したものなどが挙げられる。

上記菌体を破砕する装置としては、菌体を破砕可能であれば特に制限はないが、例えば、超音波破砕機、フレンチプレス、ビーズショッカー、ホモゲナイザー、ダイノーミル、クールミルなどの摩砕装置などが挙げられる。これらの中でも、安価にスケールアップができるという点で、ホモゲナイザーが好ましい。

菌体を破砕する時の温度は特に制限はないが、好ましくは０℃以上５０℃以下、より好ましくは０℃以上２５℃以下である。

また、菌体を破砕する時のｐＨは特に制限はないが、好ましくはｐＨ４以上１０以下、より好ましくはｐＨ６以上８以下である。

ホモゲナイザーを用いて菌体を破砕する場合の圧力は菌体が破砕される圧力であれば特には制限が無いが、好ましくは１０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下、より好ましくは３０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。

＜ニトリル化合物＞
ニトリル化合物としては、例えば、炭素数２〜２０の脂肪族ニトリル化合物、炭素数６〜２０の芳香族ニトリル化合物が挙げられ、一種で用いても二種以上を併用しても良い。

脂肪族ニトリル化合物としては、例えば、炭素数２〜６の飽和または不飽和ニトリルが挙げられ；具体的には、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、バレロニトリル、イソバレロニトリル、カプロニトリル等の脂肪族飽和モノニトリル類；マロノニトリル、サクシノニトリル、アジポニトリル等の脂肪族飽和ジニトリル類；アクリロニトリル、メタクリロニトリル、クロトンニトリル等の脂肪族不飽和ニトリルが挙げられる。

芳香族ニトリル化合物としては、例えば、ベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−クロロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−フルオロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−ニトロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−トルニトリル、ベンジルシアナイドが挙げられる。
ニトリル化合物の中でも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましい。

＜水（原料水）＞
原料水は特に限定されず、蒸留水、イオン交換水などの精製水を用いることができる。

＜反応槽＞
反応槽としては、一つの反応器から構成される単段の反応槽を用いてもよく、複数の反応器から構成される多段の反応槽を用いてもよい。反応器としては、槽型反応器を用いても良く、管型反応器を用いても良い。槽型反応器としては、撹拌機を備える反応器が好ましい。

反応槽にはポンプを備えた外部循環ラインが設置される。ポンプを備えた外部循環ラインは、一つの反応器に一つ設置されていても、複数設置されていても良い。

外部循環ラインに備えられたポンプは、特に限定されるものではなく、例えば、遠心ポンプ、傾斜ポンプあるいは軸流ポンプなどのターボ式ポンプや、往復ポンプや回転ポンプなどの容積型ポンプなどが挙げられる。

外部循環ラインに備えられたポンプを用いて、反応混合物の一部が反応槽内から取り出され、外部循環ラインを経由して反応槽へ戻される。反応槽に設置された外部循環ラインには、温度制御装置が設置されていることは好ましい。温度制御装置としては、好ましくは熱交換器が挙げられる。熱交換器としては、多管円筒式、渦巻管式、渦巻板式、プレート式、二重管式などの形態のものが挙げられる。
複数の反応器から構成される多段の反応槽の場合には、ポンプを備えた外部循環ラインは各々の反応器に全て設置されていても良く、いずれか一つの反応器にのみ設置されていても良い。複数の反応槽から構成される場合において、ポンプを備えた外部循環ラインがいずれか一つの反応器にのみ設置される場合には、一段目の反応器（最も上流に位置する反応器）に設置されることが好ましい。

一段目の槽型反応器と二段目の管型反応器とから構成される反応槽を用い、槽型反応器から取り出される反応液を管型反応器で更に反応させる形態とし、槽型反応器にポンプを備えた外部循環ラインを設置する反応槽は、転化率を向上できるのでより好ましい。

槽型反応器および管型反応器は、菌体触媒のニトリルヒドラターゼ活性が維持される温度に保たれる限り、熱交換器を備えていてもいなくても良いが、後述する反応槽温度を制御するため、前記反応器は熱交換器を備えることが好ましい。熱交換器としては、前述の外部循環ライン上に設置されるものが好ましく、それ以外にも、ジャケット式、コイル式など反応器に直接設置する形態のものが挙げられる。反応器が管型反応器である場合は、反応器自体を多管円筒式あるいは二重管式の熱交換器で構成することが可能である。

反応方法としては、例えば、（１）菌体触媒および反応原料（ニトリル化合物および原料水）を反応槽に一度に全量仕込んでから反応を行う方法（回分反応）、（２）菌体触媒および反応原料（ニトリル化合物および原料水）の一部を反応槽に仕込んだ後、連続的または間欠的に残りの菌体触媒および反応原料（ニトリル化合物および原料水）を供給して反応を行う方法（半回分反応）、（３）菌体触媒および反応原料（ニトリル化合物および原料水）の連続的または間欠的な供給と、反応液（菌体触媒、未反応原料および生成したアミド化合物などを含む。）の連続的または間欠的な取り出しを行いながら、反応槽内の反応液を全量取り出すことなく連続的に反応を行う方法（連続反応）が挙げられる。これらの中でも、工業的にアミド化合物を大量かつ効率的に製造しやすい点で、連続反応が好ましい。

連続反応を行う場合に、反応槽からの反応液を取り出す方法は、特に限定されるものではなく、例えば、外部循環ラインに流通する循環液の一部を取り出す方法や外部循環ラインとは別に設置されたラインから反応液を取り出す方法が挙げられる。外部循環ラインに流通する循環液の一部を取り出す方法は、反応槽の構造を単純にすることができ好ましい。

反応は、菌体触媒の存在下で行われる。菌体触媒の使用形態として、懸濁床、固定床などの適切な形式を選択することができる。例えば連続反応の場合、菌体触媒の懸濁液を調製し、懸濁液を反応槽に供給すれば良い。

なお、反応槽として複数の反応器から構成される多段の反応槽を用いる場合、その構成としては、（ａ）菌体触媒および反応原料（ニトリル化合物および原料水）を上段の反応器に供給し、上段の反応器から取り出された反応液（菌体触媒、未反応原料および生成したアミド化合物などを含む。）を、下段の反応器に供給する直列式態様、（ｂ）菌体触媒および反応原料（ニトリル化合物および原料水）を二以上の反応器に（他の反応器を経由せずに）直接供給する並列式態様が挙げられる。

例えば、多段の反応槽を用いて連続反応を行う場合等において、菌体触媒およびニトリル化合物および原料水の混合物の供給先は、一段目の反応器（最も上流に位置する反応器）のみに限定されず、二段目以降の反応器（下流に位置する反応器）であっても良い。

反応槽内の液温である反応槽温度は、菌体触媒の耐熱性にもよるが、通常０〜５０℃に設定され、好ましくは１０〜４０℃に設定される。反応槽温度が前記範囲にあると、菌体触媒のニトリルヒドラターゼ活性を良好に維持できる点で好ましい。

反応槽温度とは、反応槽が一つの反応器のみから構成される場合は、当該反応器内の液温を指し；反応槽が複数の反応器から構成される場合は、各々の反応器内の液温を指す。反応槽温度は、例えば、熱電対法（例：Ｋタイプ）により測定することができる。反応槽温度は、反応槽内の任意の場所で測定可能であり、具体的には反応槽出口（反応液取り出し口）で測定可能である。

反応槽の容積は、特に限定するものではないが、工業的な生産を考慮すると、通常０．１ｍ³以上、好ましくは１〜１００ｍ³、より好ましくは５〜５０ｍ³である。反応槽が複数の反応器から構成される場合、前記容積は各々の反応器の容積を指す。

反応は、一般的には常圧下で行われるが、ニトリル化合物の溶解度を高めるために加圧下で行うこともできる。反応槽内のｐＨは特に限定されないが、好ましくはｐＨ５〜ｐＨ１０の範囲にある。ｐＨが前記範囲にあると、ニトリルヒドラターゼ活性を良好に維持できる点で好ましい。

＜反応原料の供給＞
ニトリル化合物は反応槽に設置されたポンプを備えた外部循環ラインへ供給される。
ポンプによる循環流量は任意の流量が設定され、必ずしもニトリル化合物が反応混合物に溶解している必要はなく、任意の比率で混合させれば良い。好ましくはニトリル化合物の流量と循環流量の比率が、体積比で1：1〜1：５０，０００、より好ましくは、１：２〜１：５，０００、さらに好ましくは、１：１０〜１：２，０００である。

二トリル化合物を外部循環ラインへ供給する方法は、特に限定するもではなく、公知の方法を用いることができる。ニトリル化合物を外部循環ラインへ供給する方法としては、液体輸送機能を有する機器を使用することができ、例えば、遠心ポンプ、傾斜ポンプあるいは軸流ポンプなどのターボ式ポンプや、往復ポンプや回転ポンプなどの容積型ポンプなどのポンプ類、スクリューコンベアなどのコンベア類を用いることができる。ニトリル化合物を外部循環ラインへ供給する方法として、上記の液体輸送機能を有する機器を使用しないで供給することもできる。液体輸送機能を有する機器を使用しない場合には、例えば、ニトリル化合物を貯蔵する二トリル貯槽を反応槽の上部へ設置し、二トリル貯槽と外部循環ラインをニトリル化合物供給管により接続し、重力を用いた落下により供給する方法が挙げられる。あるいは、二トリル貯槽を加圧することにより生じる二トリル貯槽と外部循環ラインとの圧力差を用いて供給する方法が挙げられる。

二トリル化合物を外部循環ラインへ供給するニトリル化合物供給管は、一つの外部循環ラインにつき一つであってもよく、複数あっても良い。ニトリル化合物の供給管の供給口の形状は特に制限はなく、通常使用される形状のものであればいずれも好適に使用できる。

外部循環ラインへ供給されるニトリル化合物は、単独で供給されても良く、水と混合した後にニトリル化合物および水の混合物として外部循環ラインへ供給されても良い。
ニトリル化合物と水を混合した後に外部循環ラインへ供給する場合の二トリル化合物と水を混合する方法としては、既知の技術を用いることができ、例えば、攪拌槽を用いて攪拌混合する方法、ニトリル化合物と水を配管中で混合する方法などが挙げられる。攪拌混合槽を用いる場合には、混合槽の形状は特に限定されるものではないが、一般的に円筒形の混合槽が用いられ、縦型円筒形、横型円筒形、いずれの場合も用いることができる。混合槽には邪魔板を供えていても良く、邪魔板を供えていなくても良い。

攪拌混合槽を用いる場合の、攪拌翼は任意の形状のものを選択でき、例えば、プロペラ翼、フラットパドル翼、ピッチドパドル翼、フラットタービン翼、ピッチドタービン翼、リボン翼、アンカー翼、フルゾーン翼などが挙げられる。攪拌翼は、１枚であっても良く、複数枚備えていても良い。

ニトリル化合物と水を配管中で混合させるには、ニトリル化合物の供給管と水の供給管を結合することによりニトリル化合物と水を直接混合させることができ、さらには配管中にスタティックミキサーなどのラインミキサーを設置することにより積極的に混合する方法などが挙げられる。

ニトリル化合物と水を混合した後に外部循環ラインへ供給する場合に、ニトリル化合物は水との混合後、完全に水に溶解していても良いが、必ずしも水に完全に溶解している必要はなく、任意の比率で混合させれば良い。好ましくは水：ニトリル化合物の比率が、体積比で１００：１〜１：１００、より好ましくは５０：１〜１：５０、さらに好ましくは１０：１〜１：１０である。

ニトリル化合物と水を混合した後に外部循環ラインへ供給する場合のポンプによる循環流量は任意の流量が設定され、ニトリル化合物と水の混合物と反応混合は任意の比率で混合させれば良い。好ましくはニトリル化合物と水の混合物の流量と循環流量の比率が、体積比で1：1〜1：２０，０００、より好ましくは、１：２〜１：２，０００、さらに好ましくは、１：１０〜１：１，０００である。

ニトリル化合物と水を混合した後に外部循環ラインへ供給する場合の二トリル化合物と水の混合物の供給方法は、特に限定するもではなく、公知の方法を用いることができ、具体的には、上記のニトリル化合物を外部循環ラインへ供給する方法で例示した方法を用いることができる。

二トリル化合物と水の混合物を外部循環ラインへ供給するニトリル化合物と水の混合物の供給管は、一つの外部循環ラインにつき一つであってもよく、複数あっても良い。ニトリル化合物と水の混合物の供給管の供給口の形状は特に制限はなく、通常使用される形状のものであればいずれも好適に使用できる。

反応槽へ供給される水は、ニトリル化合物と混合した後に外部循環ラインへと供給されても良く、単独で反応槽へ供給されてもよい。水を単独で反応槽へ供給する場合、水の供給管の反応槽中の反応液への供給口の設置位置には特に制限はなく、反応液の上部へ設置しても、反応液中へ設置してもよい。

水を単独で反応槽へ供給する場合の水の供給方法は、特に限定するものではなく、公知の方法を用いることができ、具体的には、上記のニトリル化合物を外部循環ラインへ供給する方法で例示した方法を用いることができる。

水の供給管は、ひとつの反応槽につき一本であってもよく、複数本であってもよい。水の供給管の供給口は、一本の供給管につき一つであってもよく、複数あっても良い。

水の供給管の供給口の形状は特に制限はなく、通常使用される形状のものであればいずれも好適に使用できる。

＜菌体触媒の供給＞
菌体触媒の供給は、特に限定するものではなく、公知の方法を用いることができる。菌体触媒を反応槽へ供給する方法としては、液体輸送機能を有する機器を使用することができ、例えば、遠心ポンプ、斜流ポンプあるいは軸流ポンプなどのターボ型ポンプや、往復ポンプや回転ポンプなどの容積型ポンプなどのポンプ類、スクリューコンベアなどのコンベア類を用いることができる。菌体触媒を供給する方法として、上記の液体輸送機能を有する機器を使用しないで供給することもできる。液体輸送機能を有する機器を使用しない場合には、例えば、菌体触媒を貯蔵する菌体貯槽を反応槽の上部へ設置し、菌体貯槽と反応槽を菌体触媒供給管により接続し、重力を用いた落下により供給する方法が挙げられる。あるいは、菌体貯槽を加圧するか、反応槽を減圧することにより生じる菌体貯槽と反応槽の圧力差を用いて供給する方法が挙げられる。

菌体触媒の使用量は、反応条件や触媒の種類およびその形態により変化するが、上記微生物の乾燥菌体重量換算で、反応液に対して、通常１０〜５０，０００重量ｐｐｍ、好ましくは５０〜３０，０００重量ｐｐｍである。

反応時間（反応液の滞留時間）は、通常０．５〜５０時間、好ましくは２〜２５時間である。多段の反応槽を用いる場合、反応時間とは、全反応器における合計の反応時間（反応液の滞留時間）を指す。

本発明のアミド化合物の製造方法において、得られたアミド化合物の回収および精製は、例えば、濃縮操作（例：蒸発濃縮）、活性炭処理、イオン交換処理、濾過処理、晶析操作により行うことができる。

以上のようにして、反応原料であるニトリル化合物に対応するアミド化合物、例えば（メタ）アクリロニトリルであれば（メタ）アクリルアミドを得ることができる。

〔アミド化合物の製造装置〕
本発明のアミド化合物の製造装置は、ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を触媒として、ニトリル化合物の水和反応によりアミド化合物を製造する反応槽と、ニトリル化合物が供給される反応槽に設置されたポンプを備えた外部循環ラインを備える。
反応槽の構成については、上述した通りである。

以下、本発明のアミド化合物の製造装置の具体例を、図面を参照して説明する。
図１の製造装置は、攪拌機７を備える反応槽１と、反応槽には外部循環ライン２とジャケット式熱交換器を備える。外部循環ライン上には循環ポンプ３を備える。反応槽には、ニトリル化合物供給管４と原料水供給管５と、菌体触媒供給管６とを備える。

図２の製造装置は、攪拌機７を備える反応槽１と、反応槽に設置された外部循環ライン２と、ニトリル化合物供給管４と原料水供給管５と、菌体触媒供給管６とを備える。外部循環ライン上には循環ポンプ３と、熱交換器６を備える。

図３の製造装置は、攪拌機７を備える反応槽１と、反応槽には外部循環ライン２とジャケット式熱交換器を備える。外部循環ライン上には循環ポンプ３を備える。反応槽には、ニトリル化合物供給管４と原料水供給管５と、菌体触媒供給管６とを備える。原料水供給管５はニトリル化合物供給管４と接合され、ニトリル化合物と原料水は混合物として反応槽へと供給される。

図４の製造装置は、攪拌機７を備える反応槽１と、反応槽に設置された外部循環ライン２と、ニトリル化合物供給管４と原料水供給管５と、菌体触媒供給管６とを備える。外部循環ライン上には循環ポンプ３と、熱交換器６を備える。原料水供給管５はニトリル化合物供給管４と接合され、ニトリル化合物と原料水は混合物として反応槽へと供給される。

次に本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。

［実施例１］
〔ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体の調製〕
特開２００１−３４００９１号公報の実施例１に記載の方法に従いＮｏ．３クローン菌体を取得し、同じく、同実施例１の方法で培養してニトロリルヒドラターゼを含有する湿菌体を得た。

〔アクリルアミドの製造〕
最終製品として、水溶液中のアクリルアミド濃度が５０重量％の製品を得るため、図１に示す製造装置（ただし、反応装置としては第１反応器のみを図示している。）を用いて、以下の条件で反応を行った。

第１反応器として攪拌機を備えた、槽内径1ｍ、直胴部長さ１．３６ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型反応器（容積：１ｍ^３）、第２反応器として容積０．５ｍ^３のＳＵＳ製二重管型反応器を準備した。第１反応器にはポンプを備えた外部循環ラインが設置され、反応器内の反応混合物の一部は抜き出され、外部循環ラインを経由して第１反応器へ戻される。外部循環ラインはライン上に設置されたポンプの下流側で分岐され、分岐したラインは第２反応器へ接続し、循環流の一部が第２反応器へと供給される。
アクリロニトリルの供給管は外部循環ラインの第２反応器への分岐ラインの下流側で外部循環ラインへ接続している。水の供給管は第１反応器へ直接接続している。

第１反応器には、予め４００ｋｇの水を仕込んだ。上記培養方法で得られた湿菌体を純水に懸濁した。第１反応器内を撹拌しながら、この懸濁液を１１ｋｇ／ｈの速度で連続的に供給した。また、純度９９．８％のアクリロニトリルを３２ｋｇ／ｈの速度でアクリロニトリル供給管を用い、外部循環ラインを介し連続的に供給、純水を３７ｋｇ／ｈの速度で純水供給管を介し連続的に供給した。反応中の反応液の温度は２０℃となるように、第１反応器のジャケット及び第２反応器の二重管に５℃の冷却水を流通して温度制御を行った。さらに反応ｐＨが７．５〜８．５となるように、０．１Ｍ−ＮａＯＨ水溶液を供給した。反応液を外部循環ライン上に設置したポンプを用いて５ｍ3／ｈの速度で第１反応器より抜き出し、外部循環ラインを経由して第１反応器へ戻した。外部循環ラインから分岐された第二反応器へ接続されるラインを用いて、反応液の液面を槽底面から１ｍの高さとなるように、反応液を第１反応器から８０ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第２反応器に連続的に供給して、第２反応器内でさらに反応を進行させた。

反応開始から２００時間後に以下のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、第１反応器出口でのアクリルアミドへの転化率が９５％、かつ第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）となった。また、第２反応器出口でのアクリルアミド濃度は５３．２重量％であった。

ここで分析条件は以下のとおりであった。
・アクリルアミド分析条件：
高速液体クロマトグラフ装置：ＬＣ−１０Ａシステム（株式会社島津製作所製）
（ＵＶ検出器波長250nm、カラム温度40℃）
分離カラム ：SCR-101H (株式会社島津製作所製)
溶離液 ：0.05%（容積基準）−リン酸水溶液
・アクリロニトリル分析条件：
高速液体クロマトグラフ装置：ＬＣ−１０Ａシステム（株式会社島津製作所製）
（ＵＶ検出器波長200nm、カラム温度40℃）
分離カラム ：Wakosil-II 5C18HG (和光純薬製)
溶離液 ：7%（容積基準）−アセトニトリル、0.1mＭ−酢酸、
0.2mＭ−酢酸ナトリウムを各濃度で含有する水溶液

［実施例２］
実施例１のアクリルアミドの製造において、直胴部長さ１．３６ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型反応器（容積：１ｍ^３）を用いる代わりに、ジャケット式熱交換器を備えていない直胴部長さ１．３６ｍのＳＵＳ製槽型反応器（容積：１ｍ^３）を用い、第１反応器の外部循環ライン上に渦巻板式熱交換器を設置し、渦巻板式熱交換器に５℃の冷却水を流通したこと以外は実施例１と同様にして反応を行った。反応開始から２００時間後に上記ＨＰＬＣ分析を行ったところ、第１反応器出口でのアクリルアミドへの転化率が９５％、かつ第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）となった。また、第２反応器出口でのアクリルアミド濃度は５３．１重量％であった。

［実施例３］
第１反応器として攪拌機を備えた、槽内径1ｍ、直胴部長さ１．３６ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型反応器（容積：１ｍ^３）、第２反応器として容積０．５ｍ^３のＳＵＳ製二重管型反応器を準備した。第１反応器にはポンプを備えた外部循環ラインが設置され、反応器内の反応混合物の一部は抜き出され、外部循環ラインを経由して第１反応器へ戻される。外部循環ラインはライン上に設置されたポンプの下流側で分岐され、分岐したラインは第２反応器へ接続し、循環流の一部が第２反応器へと供給される。
アクリロニトリルの供給管と水の供給管は途中で接続した合流配管となっており、アクリロニトリルおよび水の混合物を供給する合流配管は外部循環ラインの第２反応器への分岐ラインの下流側で外部循環ラインへ接続している。

第１反応器には、予め４００ｋｇの水を仕込んだ。上記培養方法で得られた湿菌体を純水に懸濁した。第１反応器内を撹拌しながら、この懸濁液を１１ｋｇ／ｈの速度で連続的に供給した。また、純度９９．８％のアクリロニトリルを３２ｋｇ／ｈの速度でアクリロニトリル供給管を介し連続的に供給、純水を３７ｋｇ／ｈの速度で純水供給管を介し連続的に供給し、アクリロニトリル供給管及び純水供給管はそれぞれ外部循環ラインへ接続する以前に互いに接続した後に外部循環ラインへと接続した。反応中の反応液の温度は２０℃となるように、第１反応器のジャケット及び第２反応器の二重管に５℃の冷却水を流通して温度制御を行った。さらに反応ｐＨが７．５〜８．５となるように、０．１Ｍ−ＮａＯＨ水溶液を供給した。反応液を外部循環ライン上に設置したポンプを用いて５ｍ3／ｈの速度で第１反応器より抜き出し、外部循環ラインを経由して第１反応器へ戻した。外部循環ラインから分岐された第二反応器へ接続されるラインを用いて、反応液の液面を槽底面から１ｍの高さとなるように、反応液を第１反応器から８０ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第２反応器に連続的に供給して、第２反応器内でさらに反応を進行させた。

反応開始から２００時間後に以下のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、第１反応器出口でのアクリルアミドへの転化率が９５％、かつ第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）となった。また、第２反応器出口でのアクリルアミド濃度は５３．４重量％であった。

［実施例４］
実施例３のアクリルアミドの製造において、直胴部長さ１．３６ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型反応器（容積：１ｍ^３）を用いる代わりに、ジャケット式熱交換器を備えていない直胴部長さ１．３６ｍのＳＵＳ製槽型反応器（容積：１ｍ^３）を用い、第１反応器の外部循環ライン上に渦巻板式熱交換器を設置し、渦巻板式熱交換器に５℃の冷却水を流通したこと以外は実施例３と同様にして反応を行った。反応開始から２００時間後に上記ＨＰＬＣ分析を行ったところ、第１反応器出口でのアクリルアミドへの転化率が９５％、かつ第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）となった。また、第２反応器出口でのアクリルアミド濃度は５３．３重量％であった。

［比較例１］
実施例１のアクリロニトリルの製造において、アクリロニトリル供給管を第１反応器へ直接接続し、アクリロニトリルを第１反応器へ直接供給し、第１反応器にポンプを備えた外部循環ラインを設置する代わりに、第１反応器から直接第２反応器へ直接に接続する配管を設置し、反応液を第１反応器から抜き出した以外は、実施例１と同様にして、アクリルアミドの製造を行った。反応開始から２００時間後に上記ＨＰＬＣ分析を行ったところ、第１反応器出口でのアクリルアミドへの転化率が９２％、かつ第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が８０重量ｐｐｍとなった。また、第２反応器出口でのアクリルアミド濃度は５３．０重量％であった。

［比較例２］
実施例３のアクリロニトリルの製造において、アクリロニトリルと水の混合物を供給する合流配管を第１反応器へ直接接続し、アクリロニトリルと水の混合物を第１反応器へ直接供給し、第１反応器にポンプを備えた外部循環ラインを設置する代わりに、第１反応器から直接第２反応器へ直接に接続する配管を設置し、反応液を第１反応器から抜き出した以外は、実施例３と同様にして、アクリルアミドの製造を行った。反応開始から２００時間後に上記ＨＰＬＣ分析を行ったところ、第１反応器出口でのアクリルアミドへの転化率が９３％、かつ第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が５０重量ｐｐｍとなった。また、第２反応器出口でのアクリルアミド濃度は５３．１重量％であった。

１：反応槽
２：外部循環ライン
３：循環ポンプ
４：ニトリル化合物供給管
５：原料水供給管
６：菌体触媒供給管
７：攪拌機
８：ジャケット式熱交換器
８’：熱交換器
９：冷却水入口
１０:冷却水出口

Claims (4)

1. ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する方法において、反応混合物の一部を反応槽へ戻すためのポンプを備えた外部循環ラインを反応槽に設置し、ニトリル化合物を外部循環ラインへと供給することを特徴とするアミド化合物の製造方法
2. 反応槽に設置された外部循環ラインに温度制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載のアミド化合物の製造方法
3. ニトリル化合物がアクリロニトリルまたはメタクリロニトリルであり、アミド化合物がアクリルアミドまたはメタクリルアミドである請求項１または２に記載の製造方法
4. ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する反応槽と、反応槽に設置された外部循環ラインにニトリル化合物を供給する供給ラインを備えるアミド化合物の製造装置