RU2159817C1

RU2159817C1 - Acryl amide production process

Info

Publication number: RU2159817C1
Application number: RU99125020/13A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Аликин; Г.Э. Кузьмицкий; Н.Н. Федченко; В.Г. Чиж; В.Н. Федченко; В.И. Будников; В.В. Синкин; А.В. Кашкин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова"
Priority date: 1999-11-23
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: biotechnology. SUBSTANCE: method is based on hydration of acrylonitrile in aqueous solution assisted by microorganisms with nitrilehydratase activity in cooled reactor at stirring. Biomass suspension involved is preliminarily prepared in cooled capacitive cylindrical vertical-type apparatus with conical bottom and gate stirrer, into which glass beads are loaded. Beads-to biomass volume ratio ranges from 0.5 to 2, linear stirring speed 1 to 5 m/s, and temperature 12 to 20 C. EFFECT: accelerated acrylonitrile-to-acrylamide biotransformation. 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к промышленной биотехнологии синтеза акриламида - важнейшего мономера для получения полимеров различного назначения. The invention relates to industrial biotechnology for the synthesis of acrylamide - the most important monomer for producing polymers for various purposes.

Известны различные биотехнологические способы получения акриламида. В частности, например, биомассу штамма Rhodococcus rhodochrous М8 суспендируют в воде в концентрации 0,08 до 4 г/л, затем прибавляют нитрил акриловой кислоты при температуре 3-50^oC. После перемешивания от 15 мин до 7 ч получают 7-38%-ный водный раствор акриламида (Пат. SU 1811698).Various biotechnological methods for producing acrylamide are known. In particular, for example, the biomass of the strain Rhodococcus rhodochrous M8 is suspended in water at a concentration of 0.08 to 4 g / L, then nitrile of acrylic acid is added at a temperature of 3-50 ^o C. After stirring from 15 minutes to 7 hours get 7-38% aqueous solution of acrylamide (Pat. SU 1811698).

Другой, близкий по технической сущности способ заключается в использовании штамма Rhodococcus rhodochrous М33 в концентрации 0,64-4,1 г/л, при этом концентрация нитрила акриловой кислоты в реакторе синтеза поддерживается не выше 0,1% во избежание инактивации биокатализатора. Время реакции 4-6 ч, получаемый продукт - 50-60%-ный водный раствор акриламида (Пат. RU 2077588). Оба приведенных способа при внедрении в промышленное производство имеют существенное ограничение, связанное с доведением биокатализатора на основе штаммов М8 и М33 до суспендированного состояния, применяемого в процессе. При этом использование традиционного диспергирующего оборудования неэффективно, так как изменяются некоторые свойства биокатализатора, в частности активность. Согласно технической документации (ТУ 9291-001-04836741-95 "Биокатализатор М8" и ТУ 9291-003-04836741-97 "Биокатализатор М33") указанные разновидности биокатализатора имеют нижнюю границу активности 60 и 100 единиц соответственно. Another method that is close in technical essence is to use a strain of Rhodococcus rhodochrous M33 at a concentration of 0.64-4.1 g / l, while the concentration of acrylic acid nitrile in the synthesis reactor is maintained no higher than 0.1% to avoid inactivation of the biocatalyst. The reaction time is 4-6 hours, the resulting product is a 50-60% aqueous solution of acrylamide (Pat. RU 2077588). Both of the above methods, when introduced into industrial production, have a significant limitation associated with bringing the biocatalyst based on strains M8 and M33 to the suspended state used in the process. At the same time, the use of traditional dispersing equipment is inefficient, since some properties of the biocatalyst, in particular, activity, are changing. According to the technical documentation (TU 9291-001-04836741-95 "Biocatalyst M8" and TU 9291-003-04836741-97 "Biocatalyst M33") these types of biocatalyst have a lower activity limit of 60 and 100 units, respectively.

Известен способ получения амидов, технической сущностью которого является повышение активности используемых штаммов микроорганизмов инструментальными методами, а именно обработкой суспензии штаммов световой энергией с длиной волны 200-800 нм. При этом наблюдается увеличение скорости процесса до 62 раз (Пат. SU 1811698). Существенным недостатком этого способа является отсутствие среди ускоряемых реакций гидратации акрилонитрила в акриламид. A known method of producing amides, the technical essence of which is to increase the activity of the used strains of microorganisms by instrumental methods, namely by treating the suspension of strains with light energy with a wavelength of 200-800 nm. Moreover, there is an increase in the speed of the process up to 62 times (Pat. SU 1811698). A significant disadvantage of this method is the absence among the accelerated reactions of hydration of acrylonitrile into acrylamide.

В качестве прототипа выбран биотехнологический способ получения высококонцентрированных водных растворов акриламида, предназначенный для промышленного использования в реакторах объемом 1-5 м³ (Пат. RU 2112804). Описываемый способ заключается в подготовке биомассы путем ее размалывания в лопастно-фрезерном смесителе (так как согласно ТУ биокатализатор хранят при отрицательных температурах) и суспендирования в бисерной мельнице, загрузке суспензии биомассы и воды в реактор синтеза, дозировке акрилонитрила в реактор при перемешивании с соблюдением необходимых параметров по гидродинамике турбулентных потоков в аппарате, теплосъему и режиму дозирования, очистке раствора акриламида от отработанного биокатализатора. Время синтеза составляет около 5 ч. Способ позволяет получать водные растворы акриламида с концентрацией не менее 30%. Недостатком способа является невысокое содержание акриламида в продукте, длительность процесса, а также высокие требования к режимам подготовки биокатализатора к синтезу для избежания его инактивации. Последний недостаток заключается в узком интервале допуска для времени суспендирования биомассы в бисерной мельнице.As a prototype of the selected biotechnological method of producing highly concentrated aqueous solutions of acrylamide, intended for industrial use in reactors with a volume of 1-5 m ³ (Pat. RU 2112804). The described method consists in preparing biomass by grinding it in a blade-milling mixer (since, according to the technical specifications, the biocatalyst is stored at low temperatures) and suspending it in a bead mill, loading a suspension of biomass and water into the synthesis reactor, dosing acrylonitrile into the reactor with stirring, observing the necessary parameters on the hydrodynamics of turbulent flows in the apparatus, heat removal and dosing regimen, cleaning the acrylamide solution from the spent biocatalyst. The synthesis time is about 5 hours. The method allows to obtain aqueous solutions of acrylamide with a concentration of not less than 30%. The disadvantage of this method is the low content of acrylamide in the product, the duration of the process, as well as high requirements for the modes of preparation of the biocatalyst for synthesis to avoid its inactivation. The last disadvantage is the narrow tolerance interval for the suspension time of biomass in a bead mill.

Задачей изобретения является упрощение способа получения акриламида и повышение концентации акриламида в растворе. The objective of the invention is to simplify the method of producing acrylamide and increasing the concentration of acrylamide in solution.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе получения акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе с помощью обладающих нитрилгидратазной активностью микроорганизмов в охлаждаемом реакторе с перемешиванием, включающем приготовление водной суспензии биомассы, дозирование акрилонитрила в реактор с перемешиваемой суспензией, отделение биомассы от раствора акриламида, приготовление суспензии биомассы ведут в емкостном цилиндрическом охлаждаемом аппарате вертикального типа с коническим дном и рамной мешалкой, в который добавлен стеклянный бисер с диаметром от 1 до 5 мм, при соотношении объемов бисера и биомассы от 0,5 до 2, с линейной скоростью вращения мешалки от 1 до 5 м/с при температуре 12-20^oC в течение 10-60 мин.The problem is solved due to the fact that in the known method for the production of acrylamide by hydration of acrylonitrile in an aqueous solution using microorganisms with nitrile hydratase activity in a stirred reactor, including the preparation of an aqueous suspension of biomass, dosing of acrylonitrile in a reactor with a stirred solution of acrylamide, separation of biomide , the preparation of a suspension of biomass is carried out in a vertical cylindrical capacitive cooled apparatus with a conical bottom and I stirrer, which added glass beads with a diameter of 1 to 5 mm, with a volume ratio of beads and biomass from 0.5 to 2, with a linear speed of rotation of the stirrer from 1 to 5 m / s at a temperature of 12-20 ^o C for 10-60 minutes

В результате проведенных исследований установлено, что использование бисерной мельницы для суспендирования снижает активность биокатализатора. Это вызывается быстрым разогревом биомассы мелющими телами за счет их высокой кинетической энергии (частота вращения 1500-3000 об/мин). Нагрев же биомассы выше 30^oC вызывает потерю нитрилгидратазной активности. В таблице 1 приведены для сравнения различные способы суспендирования биокатализатора Rhodococcus rhodochrous M33, получаемая при этом активность и концентрация акриламида.As a result of the studies, it was found that the use of a bead mill for suspension reduces the activity of the biocatalyst. This is caused by the rapid heating of biomass by grinding media due to their high kinetic energy (rotation speed of 1500-3000 rpm). Heating the biomass above 30 ^o C causes a loss of nitrile hydratase activity. Table 1 shows, for comparison, various methods for suspending the Rhodococcus rhodochrous M33 biocatalyst, the resulting activity and concentration of acrylamide.

Как видно из данных таблицы 1, во время суспендирования с использованием бисерной мельницы происходит падение активности биокатализатора. As can be seen from the data in table 1, during suspension using a bead mill, a decrease in the activity of the biocatalyst occurs.

На чертеже иллюстрируется примерная зависимость активности биокатализатора M33 от времени суспендирования при различных способах его осуществления. The drawing illustrates an exemplary dependence of the activity of the biocatalyst M33 from the time of suspension in various ways of its implementation.

Из общего вида графиков на чертеже видно, что использование бисерной мельницы не увеличивает активность биокатализатора в достаточной степени и требует точного соблюдения времени диспергирования, в то время как способ по изобретению снижает точность соблюдения времени диспергирования (график более пологий) и существенно повышает активность. From the general view of the graphs in the drawing it can be seen that the use of a bead mill does not increase the activity of the biocatalyst sufficiently and requires accurate observance of the dispersion time, while the method according to the invention reduces the accuracy of observing the dispersion time (the graph is more gentle) and significantly increases the activity.

Согласно предлагаемому способу получения акриламида замороженную массу биокатализатора размалывают в лопастно-фрезерном смесителе, затем загружают в емкостной аппарат вертикального типа с рубашкой и мешалкой, добавляют расчетное количество воды и бисера, включают охлаждение, мешалку и диспергируют определенное время. Затем суспензию биокатализатора загружают в реактор синтеза, включают мешалку и охлаждение и дозируют акрилонитрил. После окончания процесса мешалку останавливают, биокатализатор отделяют от раствора акриламида. According to the proposed method for producing acrylamide, the frozen mass of the biocatalyst is ground in a paddle-milling mixer, then loaded into a vertical type tank apparatus with a jacket and mixer, the calculated amount of water and beads are added, cooling, the mixer are dispersed and a certain time is dispersed. Then the suspension of the biocatalyst is loaded into the synthesis reactor, the stirrer and cooling are turned on and acrylonitrile is dosed. After the process is complete, the stirrer is stopped, the biocatalyst is separated from the acrylamide solution.

Таблица 2 иллюстрирует использование способа по изобретению для синтеза водных растворов акриламида. Table 2 illustrates the use of the method according to the invention for the synthesis of aqueous solutions of acrylamide.

Положительный эффект предлагаемого изобретения заключается в увеличении активности биокатализатора синтеза акриламида, что выражается в увеличении скорости процесса биотрансформации, а также упрощении процесса биосинтеза акриламида. The positive effect of the invention is to increase the activity of the biocatalyst for the synthesis of acrylamide, which is expressed in increasing the speed of the biotransformation process, as well as simplifying the process of biosynthesis of acrylamide.

Claims

The method of producing acrylamide by hydration of acrolonitrile in an aqueous solution using microorganisms having nitrile hydratase activity in a cooled stirred reactor, comprising preparing an aqueous suspension of biomass, dosing acrylonitrile into a reactor with a stirred suspension of biomass, separating the biomass from the acrylamide solution, characterized in that in a cylindrical capacitive cooler of a vertical type with a conical bottom and a frame stirrer, into which glass beads with a diameter of 1 - 5 mm are inserted, with a ratio of the volumes of beads and biomass from 0.5 to 2, with a linear speed of rotation of the mixer 1 - 5 m / s, at a temperature of 12 - 20 ^o C for 10 - 60 minutes.