Способ получения водного раствора (мет)акриловой кислоты или ее соли - RU2182928C2

Описание

Изобретение относится к способам получения водных растворов аммонийакрилата и других акриловых мономеров.

Существует серьезная промышленная необходимость в получении водной акриловой кислоты или ее водорастворимой соли, такой как аммонийакрилат или натрийакрилат, например, для использования в качестве полимеризуемых мономеров. Необходимо, чтобы водный раствор содержал, насколько это возможно, меньше примесей, которые нежелательны, как с точки зрения охраны окружающей среды, так и потому, что они могут мешать при последующей полимеризации.

Один из обычных промышленных способов получения акриловой кислоты включает гидролиз акрилонитрила до образования акриламида, а затем гидролиз акриламида до получения аммонийакрилата или акриловой кислоты. Хотя большинство промышленных способов такого типа основано на способе химического гидролиза (Caporali, Enciclopedia della Chimica, Vol 1, Scientifiche, 1971), для каждой из стадий известны и ферментативные способы гидролиза (т.е. нитрилгидратаза для превращения нитрила в амид и амидаза для превращения амида в соль кислоты) (Thompson et al., Chem. Br., 1988, 24, 9, 900-02).

Получение акриловой кислоты таким способом экономически не выгодно, например, потому, что требуется много оборудования для двух стадий. Кроме того, обычно необходима интенсивная очистка получаемых продуктов. Так, например, очень важно удалить примесные количества акрилонитрила до очень низких уровней, а это может потребовать экстенсивной перегонки.

Другим обычно используемым способом получения акриловой кислоты является гидратация пропиленоксида. Это позволяет избежать необходимости осуществления процедуры очистки для исключения любых акрилонитрильных примесей, но недостатком такого способа является необходимость вести процесс в сложных, обычно находящихся под давлением, установках.

В литературе имеется несколько предложений использовать фермент нитрилазу для превращения водного акридонитрила непосредственно в водный аммонийакрилат. Обычно принято считать, что непосредственное превращение более эффективно для ароматических, а не алифатических нитрилов, см. Stevenson et al, Biotech. and Appl. Biochem. 15, 283-302 (1992).

В одном из примеров ЕР-А-444640 акрилонитрил в концентрации ниже 200 мМ гидролизовали, используя в качестве катализатора нитрилазу для достижения почти количественного превращения в акриловую кислоту, наряду с некоторым количеством акриламидной примеси.

В JP-B-632596 используют 2% раствор акрилонитрила в одном примере, а в другом примере 25% раствор акрилонитрила гидролизуют до получения раствора 32,9% аммонийакрилата. В следующем примере 15% раствор (мет)акрилионитрила используют для получения 23% раствора аммоний(мет)акрилата.

В статье Biotech. and Appl. Biochem. 11, 581-601 (1989) указывается, что конкретный фермент, обсуждавшийся в этой статье, имеет K_m для акрилонитрила 17 мМ. Условия процесса не приведены, но эта величина с очевидностью показывает, что значительное количество акрилонитрила должно остаться в продукте. В статье указано, что образуется 4-6% акриламида. В той же самой статье указано, что обсуждающийся в этой статье фермент обладает гораздо более высокой активностью для бензонитрила, нежели для акрилонитрила.

В J. Bacteriol. за сентябрь 1990, стр.4807-4815 анализируют свойства R rhodochrous K22 и указывается, что его K_m для акрилонитрила составляет 1,14 мМ. Эта величина указывает также на то, что в конечном продукте обязательно присутствует значительное количество акрилонитрила. Отсутствует информация о концентрации аммонийакрилата, которую можно получить, но в статье отмечается что активность фермента быстро падает при температуре выше 55^oС.

В статье Appl. Microbiol. Biotech. 1990, 34, рр. 322-324 описан способ превращения акрилонитрила в акриловую кислоту с периодической подачей сырья. Концентрацию акрилонитрила поддерживают ниже 200 мМ (1,06%), и продукт содержит 38% акриловой кислоты через 24 часа. Конечные продукты экстрагируют растворителем с последующим выпариванием и дистилляцией.

Эти ферментативные способы превращения обеспечивают хорошую альтернативу двухстадийному ферментативному превращению (т.е. превращению акрилонитрила в акриламид, затем акриламида в аммонийакрилат) и способу химического превращения, но все они сохраняют требование экстенсивной очистки для снижения уровней содержания акрилонитрила.

В соответствии с настоящим изобретением получен водный раствор, содержащий, по крайней мере, 30 мас.% (мет)акриловой кислоты, или ее соли, и ниже 0,2% (мет)акрилонитрила, способом, включающим обеспечение воды и (мет)акрилонитрила в количестве, достаточном для получения, после гидролиза, концентрации (мет)акриловой кислоты или ее соли, по крайней мере, 30 мас.%, и введение во время процесса в контакт с (мет)акрилонитрилом фермента для превращения (мет)акрилонитрила в аммоний(мет)акрилат, причем К_m этого фермента для (мет)акрилонитрила ниже 500 мкМ, a K_i для аммоний(мет)акрилата выше 100000 мкМ, обеспечение осуществления гидролиза (мет)акрилонитрила до получения реакционного раствора с концентрацией (мет)акрилонитрила ниже 0,2%, и концентрацией аммоний(мет)акрилата выше 30%, и выделение раствора с концентрацией аммоний(мет)акрилата выше 30%, а акрилонитрила - ниже 0,2%.

Так, в изобретении используется фермент, который может удалять (мет)акрилонитрил до чрезвычайно низких концентраций для получения аммоний (мет)акрилата даже если количество аммоний(мет)акрилата или другой соли (мет)акриловой кислоты, присутствующей в реакционном растворе, может быть очень велико. В результате впервые получены высокие концентрации аммоний(мет)акрилата или другого мономера (мет)акриловой кислоты с примесью лишь очень маленького количества (мет)акрилонитрила. В частности, используя фермент с очень низким значением K_m, авторам удалось достичь очень низкого содержания (мет)акрилонитрила в конечном продукте, а с использованием фермента, у которого также высокое значение K_i, были достигнуты столь низкие концентрации (мет)акрилонитрила в присутствии высоких концентраций аммоний(мет)акрилата.

Совершенно неожиданно удалось обеспечить способ получения высокой концентрации аммоний(мет)акрилата или другой соли (мет)акриловой кислоты и очень низкой концентрации (мет)акрилонитрила. В частности, удивительно, что достичь этого удалось, используя, предпочтительно, разбавленную концентрацию акрилонитрила. По способу настоящего изобретения оказалось даже возможным получать целевой продукт в одну стадию с хорошим выходом и превосходной чистотой, без необходимости очистки для удаления (мет)акрилонитрила. Особенно неожиданно то, что достичь этого можно способом, который осуществляют при отношении концентраций исходного материала:к конечному продукту <0, 2:>30.

В настоящем изобретении предложено использовать (мет)акрилонитрил и воду для реакции в (мет)акриловую кислоту или ее соль за счет гидролиза. Возможно осуществлять большую часть гидролиза, используя химические средства для получения водного раствора, содержащего (мет)акриловую кислоту (или ее соль) и непрореагировавший (мет)акрилонитрил. Затем определенный фермент приводят в контакт с (мет)акрилонитрилом и происходит дальнейший гидролиз непрореагировавшего (мет)акрилонитрила до тех пор, пока концентрация реакционного раствора (мет)акрилонитрила не снижается до величины ниже 0,2%, а концентрация аммоний(мет)акрилата не превышает 30%.

Количество (мет)акрилонитрила обычно бывает ниже 0,1% и может быть столь низким, что уже не детектируется обычными аналитическими средствами.

Способы настоящего изобретения можно вести в две стадии в одном реакторе. В другом варианте химическая стадия может происходить в одном реакторе, и полученный раствор, содержащий растворенную (мет)акриловую кислоту или ее соль и остаточный (мет)акрилонитрил можно перенести в биореактор, где происходит уменьшение количества остаточного (мет)акриламида при контакте с определенным ферментом.

Однако, предпочтительно, все гидролизы (мет)акрилонитрила катализировать определенным ферментом. В этом случае получаемый раствор содержит, по крайней мере, 30 мас.% аммоний(мет)акрилата. Так, предпочтительно, загружать в реактор акрилонитрил, фермент и воду и получать конечный раствор.

Было обнаружено, что мономер аммонийакрилат, получаемый полностью ферментативными способами настоящего изобретения (биоаммонийакрилат), отличается прекрасными характеристиками, эквивалентными или даже превосходящими характеристики мономеров, получаемых альтернативными химическими способами, как, например, из акриловой кислоты, полученной из пропиленоксида. Полимеры, получаемые из мономеров, произведенных по способу настоящего изобретения, также обладают превосходными характеристиками. Биоаммонийакрилат, полученный в соответствии с настоящим изобретением, можно превратить в другую химическую форму, например, в акриловую кислоту, или ее натриевую соль, или в соль другого щелочного металла, или в другой родственный акриловый мономер и использовать в качестве исходного мономера для получения акриловых полимеров.

В другом варианте его можно использовать без превращения, как аммонийакрилат. Его можно использовать для получения гомополимеров в сочетании с другими мономерами для получения сополимеров.

В рассматриваемом описании настоящее изобретение будет обсуждаться в контексте предпочтительно, по существу, ферментативного способа получения аммоний(мет)акрилата, но следует понимать, что обсуждавшиеся принципы применимы к способам, в которых получают другие соли (мет)акриловой кислоты или саму (мет)акриловую кислоту и в которых первую стадию осуществляют за счет химического гидролиза (мет)акрилонитрила.

Способ настоящего изобретения можно вести как одностадийный процесс. В таком способе в реактор загружают воду и (мет)акрилонитрил в количестве, достаточном для получения, после гидролиза, концентрации аммоний(мет)акрилата, по крайней мере, 30 мас.%, а также определенный фермент. Затем осуществляется гидролиз до тех пор, пока раствор в реакторе не приобретает концентрацию (мет)акрилонитрила ниже 0,2% (и часто ниже 0,1%), а концентрацию аммоний(мет)акрилата выше 30%. Затем раствор удаляют из реактора.

Способ такого типа можно вести как непрерывный процесс. В таком процессе (мет)акрилонитрил подают в реактор непрерывного действия до достижения концентрации в реакторе (мет)акрилонитрила ниже 0,2%, часто ниже 0,1%, предпочтительно, ниже 0,05% (2,1 и 0,5 г/л, соответственно). Концентрацию аммоний(мет)акрилата в реакторе поддерживают на уровне 30 мас.% или выше. Поэтому материал из реактора можно непрерывно отводить до получения продукта, который содержит, по крайней мере, 30% аммоний(мет)акрилата и ниже 0,2% (мет)акрилонитрила. Обычно смесь отводят с той же скоростью, что и скорость подачи реагентов, с тем, чтобы поддерживать фиксированный рабочий объем в реакторе.

Вода также является реагентом и растворителем для (мет)акрилонитрила и аммоний(мет)акрилата. Воду можно вводить в реактор в полном количестве, необходимом в начале реакции. Чаще, однако, вода может подаваться в реактор в течение реакции. Ее можно подавать вместе с (мет)акрилонитрилом в форме водного раствора (мет)акрилонитрила. Предел растворимости (мет)акрилонитрила в воде при комнатной температуре составляет около 7% мас./мас., и раствор (мет)акрилонитрила обычно бывает насыщенным. Если (мет)акрилонитрил добавляют в форме раствора, часто оказывается желательным добавлять (мет)акрилонитрил в чистом виде в дополнение к раствору. Чистый (мет)акрилонитрил может подаваться в виде жидкости или в виде паров (мет)акрилонитрила. Воду в реактор можно добавлять совершенно отдельно от чистого (мет)акрилонитрила.

Для этого способа пригодны реакторы различных типов. Они включают корпусные реакторы с непрерывным перемешиванием, реакторы проточного типа, реакторы с циркуляцией или реакторы с поршневым потоком. Подходящие системы включают серии реакторов с уплотненным слоем, в каждый из которых подают (мет)акрилонитрил и воду. Реакционный раствор поступает из первого реактора с уплотненным слоем во второй, а затем в третий и так далее. Реакционный раствор, содержащий, по крайней мере, 30 мас.% аммоний(мет)акрилата и менее 0,2 мас. % (мет)акрилонитрила, отводят из последнего реактора с уплотненным слоем. Можно также использовать реакторы с псевдоожиженным слоем, особенно, вместо реакторов с уплотненным слоем.

В другом варианте способ такого одностадийного типа может быть способом с периодической загрузкой. В таком способе (мет)акрилонитрил подают в реактор и оставляют реагировать до получения аммоний(мет)акрилата. Это осуществляют таким способом, чтобы поддерживать концентрацию (мет)акрилонитрила между верхним и нижним пределами концентраций. (Мет)акрилонитрил можно подавать непрерывно в реактор для поддержания концентрации в этом интервале значений. В другом варианте его можно подавать до тех пор, пока концентрация (мет)акрилонитрила не достигнет верхнего предела этого интервала. Тогда подачу прерывают до тех пор, пока концентрация (мет)акрилонитрила не падает до нижнего предела, и в этот момент вновь возобновляют подачу для повышения концентрации (мет)акрилонитрила снова. Этот процесс продолжают до тех пор, пока концентрация аммоний(мет)акрилата не достигает заранее определенного уровня, который составляет, по крайней мере, 30 мас.%.

Концентрацию (мет)акрилонитрила в реакторе с порционной загрузкой можно поддерживать на уровне ниже 0,2% на протяжении всей реакции, причем оба - верхний и нижний - пределы выбранного интервала будут ниже этого уровня. В другом варианте концентрации можно дать повыситься выше этого уровня во время реакции или она может быть выше этого уровня практически на протяжении всей реакции. Верхний предел обычно составляет 1 или 2 мас.% или менее, часто 0,5 мас.% или менее, предпочтительно, 0,2 мас.% или менее. Однако, существенно, чтобы в конце реакции с порционной загрузкой концентрация (мет)акрилонитрила уменьшилась до величины ниже 0,2 мас.%, предпочтительно, ниже 0,1 или 0,05%.

Когда концентрация (мет)акрилонитрила оказывается ниже 0,2%, а концентрация аммоний(мет)акрилата оказывается выше 30%, раствор удаляют из реактора. Тогда можно начинать новую загрузку сырья.

Воду можно добавлять в реактор до начала реакции или можно добавлять во время реакции тем же способом, что и в случае описанного ранее непрерывного процесса.

Подходящие реакторы для реакций с периодической загрузкой включают те же самые типы, что применяются для непрерывных процессов, а также корпусные реакторы с перемешиванием периодически подаваемого сырья.

Непрерывный процесс и процесс с периодической подачей сырья являются предпочтительными в соответствии с настоящим изобретением. Однако настоящее изобретение включает также использование периодических процессов в виде одностадийных процессов. В периодическом процессе в реактор загружают достаточное количество (мет)акрилонитрила, чтобы обеспечить достаточно высокую концентрацию аммоний(мет)акриллата в реакции, и реакционную смесь оставляют реагировать в присутствии фермента. Реакция продолжается до тех пор, пока концентрация (мет)акрилонитрила не снижается до заранее определенного уровня, который всегда ниже 0,2%, и часто бывает ниже 0,05%.

Подходящие реакторы для периодических реакций включают корпусной реактор с перемешиванием сырья.

С другой стороны, способ настоящего изобретения можно осуществлять как двухстадийный процесс ферментативного гидролиза. В способе такого типа начальную стадию осуществляют пока гидролиз (мет)акрилонитрила происходит до такой степени, что, либо мас.% аммоний(мет)акрилата не снижается до менее 30%, либо по какой-то причине не оказывается слишком низок, либо мас.% остаточного (мет)акрилонитрила не превышает 0,2% или другую нужную концентрацию, либо все это вместе. Обычно аммоний(мет)акрилат присутствует в количестве, по крайней мере, 30 мас.%, но количество оставшегося (мет)акриламида больше, чем 0,2 мас.%. Эту начальную стадию осуществляют в первом реакторе.

Реакционный раствор из первого реактора поступает затем в один или более из следующих реакторов. В следующем реакторе (или реакторах) дополнительный гидролиз катализируется дополнительным ферментом определенного типа с тем, чтобы получить водный раствор, содержащий, по крайней мере, 30 мас.% аммоний(мет)акрилата, и не более чем 0,2 мас.% (мет)акрилонитрила. Такие дополнительные стадии зачастую называют стадиями "доводки".

Способ, который включает начальную стадию и одну или более последующих стадий, можно осуществлять как в непрерывном процессе, так и в процессе с периодической загрузкой. То есть начальную стадию можно осуществить как непрерывный процесс, а стадию периодической загрузки или периодический процесс - любым из описанных ранее способов. Затем полученный раствор пропускают на следующую "доводочную" стадию. На этой стадии доводки дополнительный гидролиз катализируется определенным ферментом с тем, чтобы получить конечный продукт с нужным содержанием аммоний(мет)акрилата и (мет)акрилонитрила. Затем этот продукт удаляют из конечного реактора.

В предпочтительном двухстадийном процессе реакционную смесь ферментативно гидролизуют в реакторе непрерывного действия или в каком-либо другом реакторе до получения продукта, содержащего, по крайней мере, 30 мас.% аммоний(мет)акрилата и (мет)акрилонитрил в количестве от около 0,5 мас.% до насыщения (которое происходит при примерно 4-7 мас.%). Этот продукт пропускают на следующую стадию для доводки, где концентрацию акрилонитрила снижают ферментативным гидролизом до величины менее 0,2% и часто ниже 0,1%, а при этом повышается концентрация аммоний(мет)акрилата.

Следующая стадия может состоять из, по крайней мере, двух таких реакторов, как корпусной. Первый реактор заполняют реакционным раствором, полученным на начальной стадии. Когда первый реактор заполнен, (мет)акрилонитрил гидролизуют определенным ферментом, присутствующим в реакторе. Когда этот первый реактор заполнен конечным продуктом с содержанием (мет)акрилонитрила ниже 0,2 мас.%, а часто ниже детектируемого уровня, его удаляют из реактора. В это время начинают заполнение второго (обычно идентичного) реактора. Его заполняют тем же способом, и когда он заполняется реакционной смесью, ее откачивают из второго реактора и снова начинают заполнение первого реактора. Таким образом, каждый из реакторов работает поочередно по типу периодической загрузки.

Альтернативная доводочная стадия может включать реактор с уплотненным слоем или серию реакторов с уплотненным слоем, содержащих определенный фермент.

Другой двухстадийный способ включает на первой стадии реактор с уплотненным слоем. Воду и (мет)акрилонитрил подают в цикл, в котором они смешиваются в расположенном на линии смесителе, и подают в реактор с уплотненным слоем. Продукт, поступающий из реактора с уплотненным слоем, содержит, по крайней мере, 30 мас.% аммоний(мет)акрилата и (мет)акрилонитрил в количестве, которое обычно составляет от 0,5 мас.% до насыщения. Часть этого продукта посылают на стадию доводки, а часть возвращают на повторную обработку в начальную стадию непрерывного процесса.

Другой двухстадийный процесс включает получение на первой стадии раствора, содержащего вплоть до 30 мас.% аммоний(мет)акрилата, и, по крайней мере, 1 мас.% (мет)акрилонитрила. Его направляют на стадию дистилляции, где этот раствор концентрируют до получения раствора с концентрацией аммоний(мет)акрилата от 35 до 40 мас.%. Затем этот продукт направляют на стадию ферментативной доводки в соответствии с настоящим изобретением для снижения количества (мет)акрилонитрила до уровня ниже 0,2 мас.%.

Стадию доводки можно использовать с любой из начальных стадий, описанных ранее, в которых не получают на этой начальной стадии конечного продукта, обладающего определенными свойствами.

В двухстадийном процессе количество (мет)акрилонитрила в растворе, получающемся на первой стадии, часто составляет от 0,5 до 7 мас.%, например, по крайней мере, 1 мас.%, и может составлять вплоть до около 3 или 4 мас.%.

В этих двухстадийных процессах наиболее удивительной особенностью настоящего изобретения является тот факт, что можно использовать фермент одного и того же типа как на начальной стадии, так и на стадии доводки. Так, этот фермент необычен тем, что способен удалять очень низкие уровни (мет)акрилонитрила в присутствии очень высоких уровней продукта (на стадии доводки), как было указано ранее. Далее, однако большая часть нитрилазных ферментов имеет тенденцию к дезактивации в присутствии относительно высоких уровней (мет)акрилонитрила, например, уровней выше 0,5 или 1 мас.%, и особенно уровней вплоть до или около насыщения. Фермент, используемый в настоящем изобретении, способен катализировать превращение в относительное высоком (мет)акрилонитрильном окружении начальной стадии и при очень низком содержании (мет)акрилонитрила в среде на стадии доводки.

У наиболее предпочтительных ферментов для использования в способе настоящего изобретения срок полураспада, измеренный в водном растворе, содержащем 120-175 мМ акрилонитрила и 2475-2525 мМ аммонийакрилата, составляет, по крайней мере, 5 дней. Предпочтительно, чтобы срок полураспада составлял, по крайней мере, 7 дней, более предпочтительно по крайней мере, 7,5 дней. Точное содержание акрилонитрила и аммонийакрилата может меняться во время теста, но его всегда поддерживают в заданных пределах концентраций. Акрилонитрил превращается в аммонийакрилат за счет нитрилазы, и концентрация акрилонитрила поэтому постепенно снижается. Когда концентрация достигает нижнего предела 125 мМ, добавляют дополнительно акрилонитрил для того, чтобы повысить концентрацию до верхнего предела 175 мМ. Аналогично, количество аммонийакрилата может меняться в интервале между указанными пределами, причем концентрацию аммонийакрилата устанавливают таким образом, чтобы предотвратить повышение концентрации выше специфического максимума в 200525 мМ.

Во всех способах настоящего изобретения конечная концентрация (мет)акрилонитрила ниже 0,2%, часто ниже 0,15 или 0,1%, предпочтительно, ниже 0,05%. Предпочтительно, чтобы она была ниже 0,03%, более предпочтительно, ниже чем 0,02 или 0,01% и может оказаться столь низкой, что становится практически недетектируемой.

Конечная концентрация аммоний(мет)акрилата составляет, по крайней мере, 30 мас. %, часто, по крайней мере, 35 мас.%, предпочтительно, по крайней мере, 40 или 45 мас.%. Максимальная концентрация аммоний(мет)акрилата обычно составляет от 48 до 50 мас.%, так как при концентрациях выше этих значений аммоний(мет)акрилат проявляет тенденцию к выпадению раствора.

Фермент может быть включен в процесс в любой подходящей форме. Его можно использовать в чистом виде, экстрагированным из культивированного микроорганизма перед использованием в качестве катализатора. Используемый способ экстрагирования должен обеспечить, чтобы не происходило потери активности и стабильности фермента.

Фермент можно также использовать в полуочищенной форме, например, в виде культуральной жидкости или в виде фракции бактериальных клеток, например, в виде интактных клеток или в виде разрушенных клеток. Его можно использовать в виде сырого, неочищенного ферментного раствора. Его можно нанести или иммобилизовать на носителе, таком как сшитая полимерная матрица, например, матрица сшитого поливинилового спирта или сшитого полиакриламида. Его можно использовать в форме ненабухающих частиц со связанным с поверхностью ферментом. Предпочтительно, использовать его в виде интактных бактериальных клеток или введенным в сшитую полимерную матрицу.

Обнаружено, что для реакций с периодическим типом загрузки, в частности, выгодно использовать фермент в чистом виде или в полуочищенном виде, например, в виде свободных клеток. Использование фермента в таком виде позволяет избежать необходимости иммобилизовать клетки на носителе, но при этом не приводит к значительному уменьшению стабильности при хранении или в реакционной смеси.

Для процессов непрерывного типа предпочтительно использовать фермент в иммобилизованной форме, так как это способствует достижению более длительной стабильности в используемом реакторе. В частности, было обнаружено, что в некоторых обстоятельствах фермент в иммобилизованной форме столь же стабилен в реакционной смеси, как и при хранении. Кроме того, обычно облегчается удаление катализатора из конечного продукта.

Было обнаружено, что когда фермент иммобилизован, в частности в форме полимерных шариков, получение полимерных шариков большего размера повышает стабильность фермента во время процесса полимеризации. В частности, предпочтительны шарики с размерами более 850 мкм, предпочтительно, более чем 1 мм.

Полимерную матрицу можно получать любым способом, например, гранулярной или суспензионной полимеризацией. Может также оказаться полезным добавление к мономерной смеси агента, повышающего вязкость.

Было обнаружено, что стабильность фермента во время получения оказывается наивысшей при меньшей загрузке клеток, т.е. мас.% сухих клеток в расчете на полимерную матрицу, в частности ниже 5%, предпочтительно, ниже 1%, например, около 0,5 мас.%. Однако стабильности можно также достичь, используя низкую температуру полимеризации, например, ниже 30 или 20^oС, очень часто ниже 15^oС. Это можно использовать в сочетании с большей загрузкой клеток, например, по крайней мере, 4 мас.%, предпочтительно, по крайней мере, 5 мас.%, например, около 6,5 или 6,8 мас.%.

В предпочтительном способе фермент включен в реакционную смесь, чтобы обеспечить нужную активность в реакторе. Обычно форма катализатора, добавляемого в реактор, обладает активностью от 50 до 100000 единиц нитрилазы на грамм, обычно от 500 до 5000 единиц нитрилазы на грамм, где одну единицу нитрилазы определяют как превращение акрилонитрила в аммонийакрилат со скоростью 1 мкмоль/мин при 30^oС, рН 7 и содержании 50 мМ акрилонитрила в 50 мМ фосфатном буфере. Катализатор может быть в форме бактериальных клеток или, более обычно, иммобилизован в матрице полимерного геля. Катализатор, обладающий определенной активностью, вводят в реактор в количестве от 1 до 50 мас.% в расчете на массу реакционной смеси.

В частности, предпочтительно, добавлять фермент в реакционную смесь в таком количестве, чтобы обеспечить активность от 3000 до 50000 единиц нитрилазы в расчете на литр реакционной смеси.

В двухстадийных процессах настоящего изобретения обнаружено, что желательно вводить большие количества фермента катализатора на стадии доводки, нежели на начальной стадии.

В предпочтительных способах полное количество необходимого фермента обычно загружают в соответствующий реактор в начале реакции, то есть перед добавлением (мет)акрилонитрильного реагента или реакционного раствора. Однако можно также осуществлять предпочтительный способ, добавляя фермент в соответствующий реактор во время реакции, либо непрерывно, либо периодически.

Реакцию ведут в водном растворе. Обычно единственными компонентами водного раствора являются вода, фермент (включая бактериальные клетки, полимерные матрицы и т.д.), (мет)акрилонитрил и аммоний(мет)акрилат.

Реакцию можно осуществлять в течение любого подходящего промежутка времени. Непрерывную реакцию можно осуществлять в течение столь длительного времени, как 10 часов, обычно, по крайней мере, 20 или 30 часов, часто 50 или 60 часов или более. Обычно длительность непрерывной реакции зависит, по крайней мере, частично, от стабильности фермента в реакционном растворе. Высоко стабильный фермент обеспечивает непрерывные реакции, осуществляемые в течение длительного промежутка времени без необходимости добавлять в реакционную смесь свежий фермент.

Процессы с порционной загрузкой и периодические процессы обычно занимают от 1 до 24 часов, например, около 5 часов. Длительность такого типа реакции зависит от активности фермента и скорости, с которой он превращает (мет)акрилонитрил в аммоний(мет)акрилат. Фермент с высоким значением K_i для аммонийакрилата обеспечит быстрое превращение акрилонитрила, даже если концентрация продукта достигает 35% или даже 40%, в отличие от нитрилазы, описанной в Appl. Microbiol. Biotech. 1990, 34, рр. 322-324, где заметное ингибирование продуктом подтверждается низкой степенью превращения, столь низкой, как 25-30% аммонийакрилата.

Способ настоящего изобретения обычно осуществляют при температуре от 5 до 70^oС, предпочтительно, от 20 до 60^oС. Обнаружено, что можно, используя низкие температуры реакции, снизить потери активности фермента без заметного снижения выхода аммоний(мет)акрилата. Так, например, температуры ниже 30^oС, особенно ниже 20^oС, могут быть использованы. Температура реакции может быть ниже 15^oС и даже ниже 10^oС.

Условия для величины рН обычно составляют: от 3 до 9,5, предпочтительно, от 5 до 9, более предпочтительно, от 6 до 8.

Очень низкие концентрации (мет)акрилонитрила, присутствующего в реакторе, требуют тщательного контроля за концентрацией реагентов, в частности, для процесса с порционной загрузкой, и, особенно, для непрерывного процесса.

Измерения и контроль за концентрацией (мет)акрилонитрила можно осуществлять любым удобным способом (например, спектральными методами или хроматографически) в жидкой фазе, но особенно удобным и быстрым способом является определение (мет)акрилонитрила в верхней части (головном пространстве) газа, находящегося в равновесии с реакционной смесью. Это можно осуществлять, используя УФ-анализ.

Если в реакторе нет головного пространства, анализ можно осуществлять на любых парах, которые могут находиться в равновесии с реакционной смесью, например, с помощью продувки.

Другой подходящей техникой мониторинга является использование проводимости. Отбирают часть реакционной смеси, например, путем взятия пробы или посредством продувки. Обнаружено, что связь между проводимостью и концентрацией аммоний(мет)акрилата весьма чувствительна и зависимость практически линейна при низких концентрациях аммоний(мет)акрилата, например, ниже чем около 20 мас. %. Поскольку способ настоящего изобретения обычно осуществляют при концентрациях выше, чем эта, пробу реакционного раствора разбавляют так, чтобы концентрация аммоний(мет)акрилата находилась в этом чувствительном линейном участке.

Затем проводимость используют для измерения уровня аммоний(мет)акрилата очень точно. Затем определяют процент (мет)акрилонитрила, используя расчет материального баланса.

Обнаружено также, что при высоких концентрациях, например выше 30 мас.%, аммоний(мет)акрилата, присутствующий (мет)акрилонитрил оказывает заметное влияние на проводимость. Можно также использовать этот эффект для определения уровней (мет)акрилонитрила в реакционной смеси.

В способах настоящего изобретения, в частности в непрерывном процессе и часто в процессах порционной загрузки, весьма желательно поддерживать концентрацию (мет)акрилонитрила, которая низка. Вообще важно свести к минимуму локализацию участков с очень высокой концентрацией (мет)акрилонитрила, например, где (мет)акрилонитрил подают в реактор. Вообще срок службы катализатора максимизируется при низких концентрациях (мет)акрилонитрила. Если средняя концентрация очень низка, кратковременный контакт с концентрациями (мет)акрилонитрила выше чем 0,2% или даже 1 или 2% можно выдержать. Аналогично, временные изменения концентрации во времени можно выдержать, если средняя концентрация низка, и изменения длятся только очень короткий промежуток времени.

Случайные локальные высокие концентрации (мет)акрилонитрила можно уменьшить за счет соответствующего выбора дополнительных устройств и обеспечения соответствующего перемещения в реакторе.

Контроль за реакциями при порционных загрузках можно осуществлять, используя программируемое контрольное устройство, например, компьютерное регулирующее устройство. Такое регулирующее устройство программируют таким образом, чтобы подавать (мет)акрилонитрил в жидкой или газообразной форме с заранее определенной скоростью.

Реакции с непрерывной или периодической подачей сырья, особенно те, которые ведут в корпусном реакторе с непрерывным перемешиванием, можно регулировать с помощью системы обратной связи. Анализ реакционной смеси можно осуществлять, например, в верхней части (головном пространстве) реактора, или любым другим способом из описанных ранее, а полученные результаты измерений использовать для регулировки подачи (мет)акрилонитрила в виде жидкости или паров в реактор.

Регулировку можно осуществлять посредством циклической подачи газа или несмешивающейся жидкости через реактор. Таким газом могут быть, например, пары (мет)акрилонитрила или пары (мет)акрилонитрила в смеси с другим газом. Несмешивающейся жидкостью может быть любая жидкость, которая не смешивается с реакционной смесью. И снова, (мет)акрилонитрил можно растворить или смешать с этой несмешивающейся жидкостью. Газ или несмешивающуюся жидкость барботируют через реакционную смесь, обеспечивая поступление (мет)акрилонитрила в смесь. Пузырьки газа или несмешивающаяся жидкость проходят через реакционную смесь обычно снизу вверх, так как газ или несмешивающуюся жидкость часто выбирают таким образом, чтобы их плотность была ниже плотности реакционной смеси. После этого их можно удалить и проанализировать. Результаты такого анализа можно использовать для регулировки подачи газа или несмешивающейся жидкости в реакционную смесь. Газ или несмешивающаяся жидкость могут также подавать воду в реакционную смесь. Такую систему можно использовать, в частности для непрерывных реакций, особенно в корпусных реакторах с непрерывным перемешиванием, и в реакциях с порционной загрузкой.

Саму реакционную смесь можно использовать в циклическом режиме, отводя через петлю и снова возвращая в реакционную смесь. Эту петлю можно соединить с источником (мет)акрилонитрила и, часто, воды. Анализ можно вести на линии в петле или в головном пространстве реактора, чтобы обеспечить регулируемую подачу дополнительных реагентов в петлю. Если реакция идет непрерывно, можно предусмотреть сток, через который реакционную смесь можно удалять из петли.

Во всех случаях реактор можно снабдить мешалкой, хотя это не всегда необходимо.

Для непрерывных реакций можно использовать любой приемлемый способ отвода реакционной смеси. Подходящие способы включают сток (как было описано ранее) и затвор, который реакционная смесь может перетекать и выходить из реактора.

Фермент должен иметь К_m для (мет)акрилонитрила таким, чтобы какой бы из акрилонитрила и (мет)акрилонитрила не претерпевал превращения, был ниже 500 мкм, и K_i для аммонийакрилата или аммоний(мет)акрилата не был бы получен выше 100000 мкМ. В этом описании К_m и K_i измеряют в условиях, в которых фермент подчиняется кинетике Michaelis-Menten, в частности, при рН 7. В предпочтительном способе измерения используют фермент в форме целых клеток в 50 мМ натрийфосфатном буфере при рН 7 и 30^oС, используя концентрации акрилонитрила от 0,01 до 0,5 мМ (для K_m) и используя 1,2 М аммонийакрилат и 0,079-0,554 мМ акрилонитрил (для K_i).

Предпочтительно, чтобы К_m было ниже 300 мкМ, более предпочтительно ниже 100 мкМ и наиболее предпочтительно ниже 60 мкМ. Предпочтительный фермент, на котором проводили начальные эксперименты, имел K_m 30,6 мкМ в форме целых клеток, и предполагалось, что использование стандартных методик и процедур отбора, как, например, тех, которые описаны для амидазы Silman et al (1988) J. Gen. Microbiol 135, 3153-3164, и тех, которые описаны для лактатдегидрогеназы Wagner (1990) Tibtech 8, 263-270, приведут к получению фермента со значениями K_m ниже 9,4 и даже 3,8 мкМ.

K_i составляет, предпочтительно, по крайней мере, 150000 или 200000, более предпочтительно, по крайней мере, 250000 мкМ. Предпочтительный фермент, на котором проводились начальные эксперименты, имел K_i, которое оценивалось как 309000 мкМ. Предполагается, что стандартные методики и процедуры отбора, такие как упомянутые ранее для К_m, приведут к получению фермента с K_i вплоть до 300000 мкМ, или даже 800000 мкМ, или больше.

Отношение K_i/K_m обычно составляет, по крайней мере, 200, предпочтительно, по крайней мере, 300, более предпочтительно, по крайней мере, 500 и особенно, по крайней мере, 1000. Ферменты, используемые в способе настоящего изобретения, могут иметь отношение K_i/K_m, по крайней мере, 5000, даже 9000 или выше, а фермент, на котором проводились начальные эксперименты, имел величину этого отношения более чем 10000.

Наиболее предпочтительным ферментом для использования в способе настоящего изобретения является новый выделенный авторами микроорганизм. Он представляет собой штамм Rhodococcus rhodochrous, который был депонирован в NCIMB 8 августа 1995 под регистрационным номером NCIMB 40757. Другим предпочтительным ферментом является штамм Rhodococcus rhodochrous, депонированный авторами в NCIMB 11 декабря 1996 г. под регистрационным номером NCIMB 40833. Соответственно, предпочтительным аспектом настоящего изобретения является способ, в котором ферментом является фермент, полученный из микроорганизма с характеристиками Rhodococcus rhodochrous NCIMB 40757 или NCIMB 40833, или мутант, или вариант любого из них.

Эти микроорганизмы и ферменты нитрилазы, которые они продуцируют, обсуждаются в находящейся на одновременном рассмотрении международной заявке ... (ссылка 60/3574/03), поданной сегодня, с заявленным приоритетом на основании патентной заявки Великобритании 9525372.0.

Пример 1. Оригинальный изолят штамма Rhodococcus rhodochrous, депонированный в National Collection of Industrial and Marine Bacteria под регистрационным номером NCIMB 40757, содержащий фермент - нитрилазу, или в котором эту нитрилазу можно индуцировать, переносят в склянку Эрленмейера, содержащую жидкую культуральную среду следующего состава, г/л:
К₂НРO₄ - 7
КН₂РO₄ - 3
Ацетат натрия - 5
Ацетонитрил - 2
MgSO₄•Н₂О - 1
CaCl₂•6H₂O - 0,2
Витамины, мл - 0,1
Следы металлов, мл - 1
Склянку Эрленмейера инкубируют при перемешивании в течение 24 часов. Затем клетки выделяют из жидкости, снова суспендируют в 50 мМ рН 7 натрийфосфатного буфера, а затем выделяют из буфера. Часть клеток хранят замороженными при -20^oС, а остальные снова суспендируют в 50 мМ рН 7 натрийфосфатного буфера, содержащего 50 мМ акрилонитрила. Специфическую нитрилазную активность клеток определяют как 1060 мкмолей/минуту/г сухой массы клеток.

Затем клетки суспендируют в чистой воде при 30^oС. Периодически добавляют акрилонитрил к клеточной суспензии для того, чтобы повысить концентрацию акрилонитрила до 190 мМ. Перед каждым добавлением отбирают пробы для определения концентраций акрилонитрила, акриламида и амонийакрилата в клеточной суспензии. Исходная, максимальная и конечная специфические нитрилазные активности, конечная концентрация аммонийакрилата, а также время, необходимое для достижения этой концентрации, следующие:
Исходная специфическая активность фермента, мкмоль/мин/г - 518
Конечная концентрация аммонийакрилата, М - 5,68
Время, необходимое для достижения этой концентрации, час - 6,7
Максимальная специфическая ферментативная активность, мкмоль/мин/г - 901
Специфическая ферментативная активность после завершения загрузки, мкмоль/мин/г - 122
Клеточный материал удаляют из раствора аммонийакрилата с помощью центрифугирования и фильтрования и определяют следующие концентрации акрилонитрила, акриламида и аммонийакрилата: акрилонитрил - ниже пределов детектирования; акриламид - 0,023 М; аммонийакрилат - 50,5 мас.%.

Дальнейшую реакцию ведут тем же способом, достигая концентрации акриламида 0,15 мас.%, а аммонийакрилата 46 мас.%, при этом концентрация акрилонитрила ниже пределов детектирования.

Пример 2. Непрерывный способ настоящего изобретения осуществляют, используя фермент, как указано в примере 1. Этот фермент заключают (инкапсулируют) в шарики полимера, чтобы получить иммобилизованные клетки. Эти шарики иммобилизованных клеток подают в реактор и суспендируют в растворе 33 мас. % аммонийакрилата и 3,6 мас.% акрилонитрила при 20^oС. Во время действия иммобилизованного катализатора концентрации аммонийакрилата в реакторе позволяют повыситься до 35 мас.%. Затем отдельные порции акрилонитрила и воды автоматически подают в реактор для поддержания концентрации аммонийакрилата между 33 и 35 мас.%, а концентрации акрилонитрила - между 2,4 и 3,6 мас.%. Во время работы поток раствора акрилонитрил/аммонийакрилата и материал шариков непрерывно отводят из реактора для поддержания постоянного рабочего объема реактора. Затем содержимое реактора поступает в циклон, где шарики отделяют и возвращают в реактор. Поток продукта подают затем в один из пары доводочных резервуаров. Эти резервуары также содержат шарики иммобилизованного ферментного материала, и на любой из стадий один резервуар заполняют раствором аммонийакрилата, содержащим примесь акрилонитрила, тогда как в другом поддерживают условия ферментативного гидролиза. После того как ферментативный гидролиз проводят до уровня, который снижает содержание акрилонитрила до практически недетектируемых уровней, этот резервуар опустошают через фильтр, с помощью которого шарики, содержащие фермент, и другие твердые компоненты выделяют из раствора 39% аммонийакрилата, который практически не содержит акрилнитрила.

Пример 3. Повторный процесс настоящего изобретения с порционной загрузкой проводят, используя фермент, как указано в примере 1. Этот фермент инкапсулируют в полимерные шарики для получения иммобилизованных клеток. Шарики с иммобилизованными клетками переносят в реактор, суспендируют в воде при 20^oС и добавляют акрилонитрил до достижения концентрации 1,2 мас.%. Нитрил иммобилизованных клеток катализирует гидролиз акрилонитрила до получения аммонийакрилата. Когда концентрация акрилонитрила в реакторе снижается до 0,9 мас. %, дополнительное количество акрилонитрила автоматически добавляется в реактор, чтобы повысить концентрацию акрилонитрила снова до 1,2 мас.%. Такая автоматическая процедура подачи сырья продолжается до тех пор, пока концентрация аммонийакрилата в реакторе не повышается до 43,5 мас.%. После завершения загрузки подача акрилонитрильного сырья прекращается, а оставшемуся в реакторе акрилонитрилу дают возможность превращаться в аммонийакрилат до тех пор, пока концентрация аммонийакрилата не достигнет 45 мас.%, а концентрация акрилонитрила практически не достигнет нуля.

Полученный раствор аммонийакрилата отводят из реактора и фильтруют для удаления клеточного материала и иммобилизованного биокатализатора. Затем этот материал возвращают в реактор, в который затем снова загружают воду при 20^oС, и процесс повторяют.

Реферат

Способ заключается в том, что раствор с высокой концентрацией аммоний(мет)акрилата и практически не содержащий (мет)акрилонитрила получают с помощью ферментативного гидролиза (мет)акрилонитрила в присутствии воды, используя фермент, у которого K_m для (мет)акрилонитрила ниже 500 мкМ, a K_i для аммоний(мет)акрилата выше 100 000 мкМ. Предпочтительно используют фермент, полученный культивированием Rhodococeus rhodochrous NCIMB 40757 или NCIMB 40833. Получаемый данным способом продукт практически не содержит примесей. Способ является более эффективным и экономически более выгодным, чем существующие химические способы. 18 з.п. ф-лы.

Формула