KR900006999B1 - 아크릴아마이드의 생물학적 제조방법 - Google Patents

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Abstract

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Description

아크릴아마이드의 생물학적 제조방법
본 발명은 아크릴로니트릴로부터 생물학적으로 아크릴아마이드를 제조하는 새롭고도 진보된 제조방법에 관한 것이다 아크릴아마이드는 제지공업에서 지력증강제, 배수조제, 응집제, 농후제, 피복제로 사용되며 폐수처리. 오일회수 및 토목공사등 용도가 다양한 폴리아크릴아마이드의 모오머로써 현재 상업적으로 동촉매를 사용하거나 생물촉매를 사용하여 생산되고 있다. 이같은 제조방법은 아래의 문헌 및 특허에 수록되어있는데 그 중 대표적인것 몇 가지만 기재한다.
(1) 동촉매 이용방법.
산화구리(CuO)와 산화크롬(Cr2O3)을 충전한 관형반응기 3개를 연결하여 첫 단계에 7% 아크릴로니트릴용액을 주입시키고 2단계와 3단계에 더 많은 아크릴로니트릴을 첨가하여 3단계 반응에서 나온 유출물을 약4%의 미반응 아크릴로니트릴을 포함하는 19% 아크릴아마이드 용액이다. 미반응 아크릴로니트릴은 재순환하여 사용하고 19% 아클릴아마이드 용액은 진공증류에 의해 50%까지 농축하여 활성탄으로 탈색시키고 동이온은 회수한다.
(2)생물학적 제조방법.
1. 미국특허 4,001,081(77.1.4)
탄소원으로 포도당을 포함하는 배지에서 균을 키운 후 원심분리한다. 반응배지는 아크릴로니트릴 1.2%(무게)수용액이고 pH는 9이다. 미생물 20-40g/1를 넣고 25℃, pH 9에서 20∼30분간 반응시키며 미생물은 원심분리에 의해 제거하고 아크릴아마이드를 포함하는 부유물은 클로로포름 추출에 의해 회수한다. 아크릴로니트릴을 계속 첨가하여 최종 아크릴아마이드 농도는 20%(무게)이다.
2. 영국특허 2,954,563(81.2.13)
pH 6-10, 온도는 반응계의 어는 점부터 50℃ 사이에서 아크릴로니트릴과 효소 포함하는 있는 배지에서 반응시켜 고농도의 아크릴아마이드 수용액을 제조하는 공정으로 최종농도는 5-20%(무게)이다. 효소활성을 높이기 위해서 Mg와 Ca이온올 소량첨가하였다.
3. 미국특허 4,414,321(83.11.8)
아크릴로니트릴을 수화시키는 박테리아(Corynebacterium)을 배양하여 고정화시킨다. 고정화효소를 직렬연결되어 있는 두개의 반응기에 40부씩 채운다. 아크릴로니트릴 수용액을 200부/h로 첫번째 반응기에 주입시키고 160부/hr은 재순환시키고 40부/hr은 두번째 반응기로 주입하면서 pH8에서 반응을 시킨다. 이때 두번째 반응기에서 나오는 아크릴아마이드 농도는 15%이다. 그러나 상기 미국 및 영국 특허는 효소를 담체에 고정화 시켜야 하므로 고정화 작업의 번거로움과 활성이 감소하는 결점이 있었다. 따라서 본 발명에서는 수성이상계를 이용하여 이와 같은 결점을 제거하였다.
본 발명에서는 토양에서 분리된 니트릴하이드라타제를 보유한 브레비박테리움 sp.(Brevibacterium sp.KCTC 8391P)를 이용하여 수성이상계를 통하여 아크릴로니트릴로부터 아크릴아마이드를 직접제조하는 방법이다.
본 발명에서 이용하는 수성이상계는 물에 잘녹은 두가지의 서로다른 고분자물질(예:Po1yethy1eneqIycoI, Dexitran) 또는 고분자물질과 염(예:Po1yethy1ene q1yco1, potassium phosphate) 이 각각 물과 함께 섞이면 그들 사이의 비상용성(inccmpatibi1ity)때문에 생기는 상분리를 말한다.
이 수성이상계는 각각의 상에 85-95%의 많은 수분을 함유하며, 두 상간의 표면장력이 0.1dyne/cm 정도로 매우 낮아 약간의 교반으로도 작은 에멀젼(emu1sion)을 유지할 수 있고, 균체 및 각종 효소등에 무해하며(non-toxic), 생리활성물질, 효소등 단백질 물질의 생성 및 분리에 있어서 이들 물질의 활성저하(deactivation)현상을 방지할 수 있는 좋은 환경조건을 조성시켜준다.
수성이상계에서는 세포(ce11)나 효소같은 거대 분자들은 계면이나 두상중 어느 한쪽에 훨씬 우세하게 분배되며, 분자량이 작고 전하(charge)를 띠지않은 가용성 물질은 계를 통하여 균등하게 분배되거나 어느 한쪽에 약간 우세하게 분배되는 특징도 가져 교반 상태에서는 일종의 고정화 시스템으로 볼 수 있다. 또 분배계수를 각상의 부피비와는 무관하여 한쪽상의 부피를 증가시켜 분리하고자 하는 물질의 양을 그 상에 많이 모이게 할 수 있다.
이상과 같은 이성수상계의 특징을 이용하여 고분자 담체에 고정화하는 방법과 같은 개념으로 생촉매(biocata1yst)를 어느 한쪽상에 모이게 하여 생물전환(bioocnversion)에 용융할 수 있다. 이 방법을 이용하여 고분자 담체에 고정화할 경우의 단점인 입체장애(steric hindrance)현상, 고정화 작업의 번거로움 및 생촉매 주위에 기질저해 생산물이 쌓이는 현상등으로 인한 활성의 감소를 줄이는 효과를 가진다.
그러므로 효소를 폴리아크릴아마이드등의 고분자담체에 고정화하여야 하고 이에 따라 고정화에 의한 활성감소(확산저항)가 필수적으로 따라 고정화작업의 번거로움과 활성감소가 수단되는 제조법인 Nitto의 제조방법(미국특허4,414,821, 영국특허2,954,563:미국특허4,414,321)의 결점을 제거한 것이다.
다음의 실시예는 본 발명을 더욱 상세히 예증하여 줄것이나 본 발명의 범위가 이에 국한된다는 것은 아니다.
[실시예 1]
표 1의 조성으로 100㎖ 배지를 만들어 500㎖ 진탕용 삼각 플라스크에 넣고 멸균하여 냉각시킨 후 아가플레이트(agar p1ate) 위에서 배양된 Brevibacterium KCTC 8391P을 루프(1oop)를 이용하여 접종한 후 28℃,350rpm인 쉐이커(shaker)에서 24시간 정도 배양하였다. 배양 후 원심분리한 다음 상등액을 버리고 증류수로 수세하는 조작을 두번 시행한 후 얻은 균체를 증류수 혹은 0.1M 포타시움 포스페이트 완충용액(potassium phosphate buffer)pH=7.0에 적당한 농도로 녹여 균체효소(who1e ce11 enzyme)원으로 사용한다.
[표 1 배지종성(g/1)]
Figure kpo00001
[실시예 2]
실시예 1의 방법으로 얻어진 니트릴하이드라타제(nitrile hydratase)의 균체효소(whole cell enzyme)를 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)6000 17.5%(w/w) 과 포타시움 포스페이트(potasium phosphate) 8%(w/w)의 수용액으로 이루어진 수성이상계에 넣어 균체의 분리효과를 실험한 결과 브레비 박테리움CH1(Brevibacterium KCTC 8391P) 균체는 포타슘 포스페이트가 많은 아래쪽 상 99.9% 이상이 존재하였고, 이때 위쪽상의 부피와 아래쪽 상의 부피비는 15:1이었다.
또한 아크릴로니트릴(acry1onitri1e)과 아크릴아마이드(acrylamide)의 윗쪽상과 아래쪽상에서의 농도비는 각 2.1:1, 1.4:1 이었다
[실시예 3]
실시예 2의 수성이상계와 0.1M 포타시움 포스페이트 완충용액(potassium phosphate buffer)pH=7.0,각각 40㎖에 실시예 1의 방법으로 얻어진 브레비 박태리움(Brevibacter-ium sp.) 균체를 건조중량으로 300mg을 넣어 생촉매(biocata1yst)로 사용하고 순수 아크릴로 니트릴(acry1onitri1e) 1㎖씩, 반응액의 아크릴로 니트릴 농도가 1%(w/v)이하로 떨어지지 않도록 첨가하며, 4℃에서 교반하며 반응을 실시한 결과 8.5시간 후에 이상수상계와 완충용액에서 생성된 아크릴아마이드(acrylamide)의 농도는 각각 27%(w/v),21%(w/v) 였다.
[실시예 4]
실시예 2의 수성이상계를 이용한 반응계를 이용하여 아크릴아마이드의 농도가 21%(w/v) 가량 되었을 경우 교반을 멈추고 30분간 방치한 후 분리된 위쪽상을 제거하고 새로운 위쪽상을 넣어주고 실시예 3의 반응을 계속 실시하였다. 이와 같은 반연속 조업을 5번 실시한 결과 분리된 위쪽상으로부터의 아크릴아마이드의 수율을 각각 0.736,0.834,0.865,0.848,0.917 mol acry1amide/mol acryIanitri1e 이었다.

Claims (1)

  1. 미생물 브레비박테리움(Brevibacterium KCTC 8391P)을 균체효소(who1e cell enzyme)로 사용하여 아크릴로 니트릴을 아크릴아마이드로 전환(bioconversion)함에 있어서, 본문에서와 같이 폴리에틸렌 글리콜(po1yethene glyco1) 과 포타시움포스페이트(potassium phosphate) 의 수성용액으로 된 수성이상계, 또는 폴리에틸렌 글리콜-덱스트란의 수용액으로 된 수성이상계에 균체효소를 분배시킨 액중에서 회분 혹은 반연속공정으로 아크릴로니트릴을 아크릴아마이드로 전환시키는 아크릴아마이드의 생물학적 제조방법.
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