CN101970675B - 酰胺化合物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用生物催化剂由腈化合物制造酰胺化合物的方法，该方法成本低，节能，且环境负荷低。本发明的酰胺化合物的制造方法是在反应器内使用生物催化剂由腈化合物制造酰胺化合物的方法，该方法在搅拌所需动力在0.08～0.7kw/m3的范围内的搅拌条件下，使腈化合物与生物催化剂反应而生成酰胺化合物。

Description

酰胺化合物的制造方法
技术领域
本发明涉及使用生物催化剂由腈化合物制造酰胺化合物的方法。
背景技术
使用生物催化剂制造目标化合物的方法由于具有反应条件温和、副产物少且反应产物的纯度高、能够简化制造工艺等优点，因而被用于许多化合物的制造中。自从发现了将腈化合物转变成酰胺化合物的酶即腈水合酶以来，在酰胺化合物的制造中开始广泛利用生物催化剂。
在这种生物催化剂的工业应用中，致力于低成本、节能和降低环境负荷是非常重要的。
作为酰胺化合物的制造中的低成本化的研究，例如可列举出以下方法：将可高度表达腈水合酶活性的微生物菌体在不包埋固定的情况下用于反应的方法(专利文献1)；在连续制造的方法中，升高下游侧的反应槽的温度的方法(专利文献2)；利用活塞流方式的反应的方法(专利文献3)；使反应时的水性介质中的丙烯腈浓度为饱和浓度以上的方法(专利文献4)等。
专利文献1：国际公开第02/050297号小册子
专利文献2：国际公开第03/00914号小册子
专利文献3：日本特开2001-340091号公报
专利文献4：日本特开平11-89575号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1～4的方法中，对于低成本、节能和降低环境负荷的效果有时并不充分。
在这种状况下，期待提供一种使用生物催化剂由腈化合物制造酰胺化合物的方法中低成本、节能、且环境负荷低的酰胺化合物的制造方法。
用于解决问题的方案
本发明是考虑到上述状况而进行的，提供以下所示的酰胺化合物的制造方法。
一种酰胺化合物的制造方法，该方法是在反应器内使用生物催化剂由腈化合物制造酰胺化合物的方法，该方法在搅拌所需动力在0.08～0.7kW/m3的范围内的搅拌条件下，使腈化合物与生物催化剂反应而生成酰胺化合物。
作为本发明的制造方法，例如可列举出所述反应为连续反应的方法。
另外，在本发明的制造方法中，所述搅拌例如能够在弗劳德数为0.05～0.20的范围内进行。
本发明的制造方法例如优选用于丙烯酰胺的制造。
发明的效果
根据本发明的制造方法，能够以低成本、节能的方式由腈化合物制造酰胺化合物，且还能够降低对环境的负荷。
具体实施方式
以下，对本发明的酰胺化合物的制造方法进行详细说明。本发明的范围不限于这些说明，关于以下例示以外的方案，也能够在不损害本发明的主旨的范围内进行适当变更而实施。
另外，本说明书包括作为本申请所要求的优先权的基础的日本特愿2008-066102号说明书(2008年3月14日申请)的全部内容。另外，本说明书中所引用的全部出版物、例如现有技术文献和公开公报、专利公报以及其他专利文献，作为参照而并入本说明书中。
本发明的酰胺化合物的制造方法为使用生物催化剂来制造酰胺化合物的方法，该方法在特定的搅拌条件下使腈化合物与生物催化剂反应而生成酰胺化合物。
本发明的制造方法可以是通过连续反应而进行的方法(连续地生成酰胺化合物的方法)，也可以是通过间歇反应而进行的方法(非连续地生成酰胺化合物的方法)，没有限定，优选为通过连续反应而进行的方法。
这里，通过连续反应而进行的方法是指以下方法：一边进行反应原料(包括生物催化剂和腈化合物)的连续或间歇供给、和反应混合物(包括所生成的酰胺化合物)的连续或间歇取出，一边连续地制造酰胺化合物，而不将反应器内的全部量的反应混合物取出。
本发明的制造方法中能够使用的生物催化剂包括，含有催化目标反应的酶的动物细胞、植物细胞、细胞器、菌体(活菌体或死菌体)或者其处理物。作为处理物，可列举出从细胞中提取的粗酶或纯化酶，以及通过包埋法、交联法、载体结合法等将动物细胞、植物细胞、细胞器、菌体(活菌体或死菌体)或酶自身固定而得到的物质。
其中，包埋法是指将菌体或酶包埋到高分子凝胶的微细格子结构中、或通过半透膜性的高分子皮膜进行包覆的方法。另外，交联法是指，利用具有2个或2个以上官能团的试剂(多官能***联剂)将酶交联的方法。另外，载体结合法是指，使酶与水不溶性的载体结合的方法。
作为用于固定的固定化载体，可列举出例如玻璃珠、硅胶、聚氨酯、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、角叉菜胶、海藻酸、琼脂和明胶等。
作为菌体，可列举出例如属于诺卡氏菌(Nocardia)属、棒状杆菌(Corynebacterium)属、芽孢杆菌(Bacillus)属、假单胞菌(Pseudomonas)属、微球菌(Micrococcus)属、红球菌(Rhodococcus)属、不动杆菌(Acinetobacter)属、黄色杆菌(Xanthobacter)属、链霉菌(Streptomyces)属、根瘤菌(Rhizobium)属、克雷伯菌(Klebsiella)属、肠杆菌(Enterobacter)属、欧文氏菌(Erwinia)属、气单胞菌(Aeromonas)属、柠檬酸杆菌(Citrobacter)属、无色杆菌(Achromobacter)属、土壤杆菌(Agrobacterium)属和假诺卡氏菌(Pseudonocardia)属等的微生物等。
作为酶，可列举出例如所述微生物产生的腈水合酶。
生物催化剂的用量根据所使用的生物催化剂的种类、形态、腈化合物而异，但优选调整为导入至反应器中的生物催化剂的活性在反应温度10℃下每1mg干燥菌体中为50～200U左右。其中，所述单位U(unit)是指，1分钟内由腈化合物生成1微摩尔酰胺化合物，是使用制造中所使用的腈化合物而测定的值。
用于本发明的制造方法的腈化合物为通过与所述生物催化剂的反应而转变成酰胺化合物的化合物(换言之，在所述生物催化剂的存在下，被水合而转变成酰胺化合物的化合物)，可列举出例如乙腈、丙腈、丁二腈和己二腈等脂肪族饱和腈，丙烯腈、甲基丙烯腈等脂肪族不饱和腈，苄腈和苯二甲腈等芳香族腈，以及3-氰基吡啶和2-氰基吡啶等杂环式腈等。
腈化合物的用量根据所使用的生物催化剂的种类、形态、腈化合物而异，但导入到反应器中的浓度优选为0.5～5.0质量％左右。
在通过连续反应而进行本发明的制造方法的情况下，从反应器中取出反应混合物时的流体速度根据腈化合物、原料水以及生物催化剂的导入速度决定即可，并使得不取出反应器内的全部量的反应混合物而能够连续制造。
本发明的制造方法是使用所述生物催化剂的酰胺化合物的制造方法，作为所制造的酰胺化合物，可列举出例如丙烯酰胺、烟酰胺、5-氰基戊酰胺和甲基丙烯酰胺等。其中，本发明的方法优选适用于丙烯酰胺的制造。
本发明的制造方法中，将包含所述腈化合物、原料水、生物催化剂、以及其他反应所需要的盐类等的反应原料导入到反应器内，一边搅拌一边进行反应，由腈化合物制造酰胺化合物。该搅拌在每单位体积的反应液流体的搅拌所需动力在0.08～0.7kW/m3的范围内的条件下进行。
这里，搅拌所需动力是指搅拌旋转用的电动机械(发动机)所消耗的电力。另外，搅拌所需动力也能够由搅拌叶片的轴所产生的负荷扭矩计算得到。
另外，反应液流体是指由腈化合物制造酰胺化合物的混合溶液，在反应开始时为反应原料，在反应中为反应原料与所生成的酰胺化合物的反应混合物。
若所述搅拌所需动力为0.08kW/m3以上，则腈化合物与生物催化剂的接触、分散性变得良好，由腈化合物向酰胺化合物的转变效率升高。另外，能够抑制反应器内的传热性能降低，反应液的温度控制性变得良好，冷却器的能量消耗量降低。另一方面，若所述搅拌所需动力为0.7kW/m3以下，则生物催化剂的劣化被抑制，由腈化合物向酰胺化合物的转变效率升高。
所述搅拌所需动力优选为0.08～0.7kW/m3，更优选为0.1～0.4kW/m3。
另外，本发明的制造方法中的搅拌只要在不使由腈化合物向酰胺化合物的转变效率、反应液的温度控制性等过度恶化的范围内，则可以在反应中在所述范围内改变搅拌所需动力。
但是，若搅拌叶片的前端速度(叶片前端的圆周速度)较大，则会对搅拌叶片周边的反应液流体施加较大的剪切力，使所导入的生物催化剂破损，可能会妨碍有效的反应，因此优选在前端速度4.0m/s以下进行搅拌。
本发明的制造方法中的反应器可以仅使用1个，也可以并用多个。
反应器的型号只要是能够通过搅拌而将反应器内的流体混合即可，可列举出例如槽型反应器、塔型反应器等。
另外，搅拌叶片的形状没有限定，可列举出例如桨、圆盘涡轮、螺旋桨、螺带、锚、法德尔(PFAUDLER)和风扇涡轮等。
本发明的制造方法中的搅拌没有限定，但优选在弗劳德数为0.05～0.20的范围内进行，更优选为0.08～0.16。
这里，弗劳德数(Fr)是指反应液流体的惯性力与重力之比，是影响液面与气相部的界面的紊流情况的无因次数。弗劳德数的值越小，则界面越接近无搅拌的静置状态，若弗劳德数的值越大，则界面的紊流情况越剧烈。弗劳德数能够通过下式表示(例如，参照丸善、化学工学便览改订六版、p.424、表1)。
Fr＝n2d/g
(式中，n表示旋转速度[1/s]，d表示搅拌叶片径[m]，g表示重力加速度[m/s2]。)
在本发明的制造方法中，若所述弗劳德数小于0.05，则界面接近静置状态，腈化合物在反应液流体中的分散变得不充分，而且比重小的腈化合物浮在界面附近，腈化合物容易漏出至气相部。另一方面，若弗劳德数大于0.20，则界面的紊流情况变得剧烈，气液界面的接触面积显著增大，因而促进了腈化合物漏出至气相部。
本发明的制造方法中的反应温度优选为15～40℃，更优选为20～35℃。若反应温度为30℃以上，则容易使生物催化剂的反应活性充分提高。另外，若反应温度为25℃以下，则容易抑制生物催化剂的失活。
在本发明的制造方法中使用多个反应器的情况下，优选的是，这些反应器中的反应温度在所述范围内，并且取出反应混合物的下游侧的反应器的温度比导入腈化合物、生物催化剂的上游侧的反应器的温度更高。由此能够提高生产率。
反应温度的控制方法没有特别限定，可列举出例如使用具备夹套、冷却或加热线圈、外部循环冷却装置或外部循环加热装置等的反应器的方法；将全部或部分反应器放入恒温槽中的方法等。另外，在使用多个反应器的情况下，也可以采用在这些反应器间***热交换器的方法。
另外，在使用多个反应器连续进行反应时，只要在不使反应的效率等过度恶化的范围内，生物催化剂、腈化合物的导入不限于位于最上游的反应器，也可以导入到其下游的反应器中。
根据以上说明的本发明的制造方法，能够以低成本、节能的方式高效地由腈化合物制造酰胺化合物。
其原因被认为是，通过进行搅拌，能够改善连续导入到反应器中的生物催化剂与腈化合物的接触、分散性。另外认为，通过进行搅拌，对反应液的温度控制性的提高也具有影响。
另外发现，在本发明的制造方法中，搅拌时，搅拌所需动力不仅会影响由腈化合物向酰胺化合物的转变效率，还会影响腈化合物向反应气相部的漏出。例如，若搅拌所需动力大于1.3kW/m3，则由腈化合物向酰胺化合物的转变效率降低，而且腈化合物向反应气相部的漏出增多。这种腈化合物向反应气相部的漏出不仅会增大工业制造成本，而且还会产生环境负荷增高等问题。
这样，本发明的制造方法中将搅拌所需动力设定为0.08～0.7kW/m3，因而还可将环境负荷抑制为较低。
实施例
以下，示出实施例和比较例来详细说明本发明。但是，本发明不受以下记载的限定。
[实施例1]
(生物催化剂的调制)
将具有腈水合酶活性的紫红红球菌RhodococcusrhodochrousJ1菌株(以保藏号FERMBP-1478于1987年9月18日保藏在独立行政法人产业技术综合研究所专利生物保藏中心(日本国茨城县筑波市东1丁目1番地1中央第6))用含有葡萄糖2％、尿素1％、蛋白胨0.5％、酵母提取物0.3％、氯化钴0.05％(均为质量％)的培养基(pH7.0)在30℃下进行有氧培养。使用离心分离机和50mM磷酸缓冲液(pH7.0)对其进行菌体收集和洗涤，得到菌体悬浮液(干燥菌体：15质量％)。
(丙烯酰胺的生成)
将4个带有夹套冷却器的反应槽(槽内径：0.8m，高度：1.4m)串联连接。
向第1槽中，分别以51.1L/小时、27.1L/小时和230g/小时连续添加50mM磷酸缓冲液(pH7.0)、丙烯腈和菌体悬浮液，向第2槽中，以11.6L/小时仅连续添加丙烯腈。将第1槽至第4槽的各槽的反应液量调整至500L，利用夹套的冷却水(10℃)将第1槽至第4槽的反应液温度分别控制在22℃、23℃、24℃和25℃。使用2枚搅拌叶片(叶片径：350mm，叶片宽：100mm)，将第1槽至第4槽的所有反应器中的单位反应液流体的搅拌动力调整至0.08kW/m3(弗劳德数：0.057)。其中，单位反应液流体的搅拌所需动力用各反应器中的搅拌所需动力除以液量(500L＝0.5m3)而算出。
反应开始4天后，通过气相色谱法(柱：Waters公司制，PoraPak-PS、1m、180℃；载气：氦气；检测器：FID)对从第4槽流出的反应液进行测定。
其结果是，没有检测到未反应的丙烯腈，而检测到50.5％的丙烯酰胺。
[实施例2]
使用4枚搅拌叶片(叶片径：300mm，叶片宽：100mm)，使搅拌所需动力为0.7kW/m3(弗劳德数：0.200)，除此之外与实施例1同样地进行反应。
反应开始4天后，通过气相色谱法(柱：Waters公司制，PoraPak-PS、1m、180℃；载气：氦气；检测器：FID)对从第4槽流出的反应液进行测定，结果没有检测到未反应的丙烯腈，而检测到50.5％的丙烯酰胺。
[比较例1]
使用2枚搅拌叶片(叶片径：230mm，叶片宽：100mm)，将搅拌所需动力调整为0.02kW/m3(弗劳德数：0.053)，除此之外与实施例1同样地进行反应。
反应开始1天后，第1槽和第2槽的温度上升至24℃和25℃，因此将夹套冷却水的温度降低至3℃。
反应开始5天后，通过气相色谱法对从第4槽流出的反应液进行测定，结果检测到1.1％的未反应的丙烯腈，检测到48.0％的丙烯酰胺。由此可知，相对于丙烯腈的添加量，相当于约2％的量的丙烯腈漏出到反应液气相部。
[比较例2]
使用4枚搅拌叶片(叶片径：450mm，叶片宽：100mm)，使搅拌所需动力为1.32kW/m3(弗劳德数：0.154)，除此之外与实施例1同样地进行反应。
反应开始4天后，通过气相色谱法对从第4槽流出的反应液进行测定，结果检测到0.5％的未反应的丙烯腈，检测到46.5％的丙烯酰胺。由此可知，相对于丙烯腈的添加量，相当于约6％以上的量的丙烯腈漏出到反应液气相部。
[比较例3]
使用6枚搅拌叶片(叶片径：450mm，叶片宽：150mm)，使弗劳德数为0.014，除此之外与实施例1同样地进行反应。
反应开始4天后，通过气相色谱法对从第4槽流出的反应液进行测定，结果检测到0.04％的未反应的丙烯腈，检测到49.4％的丙烯酰胺。由此可知，相对于丙烯腈的添加量，相当于约2％的量的丙烯腈漏出到反应液气相部。
[比较例4]
使用2枚搅拌叶片(叶片径：230mm，叶片宽：50mm)，使弗劳德数为0.235，除此之外与实施例1同样地进行反应。
反应开始4天后，通过气相色谱法对从第4槽流出的反应液进行测定，结果检测到0.02％的未反应的丙烯腈，检测到48.2％的丙烯酰胺。由此可知，相对于丙烯腈的添加量，相当于约4.5％的量的丙烯腈漏出到反应液气相部。
[比较例5]
安装2级6枚搅拌叶片(叶片径：450mm，叶片宽：150mm)，使弗劳德数为0.044，除此之外与实施例2同样地进行反应。
反应开始4天后，通过气相色谱法对从第4槽流出的反应液进行测定，结果检测到0.03％的未反应的丙烯腈，检测到49.5％的丙烯酰胺。由此可知，相对于丙烯腈的添加量，相当于约1.5％的量的丙烯腈漏出到反应液气相部。
[比较例6]
安装2级6枚搅拌叶片(叶片径：230mm，叶片宽：50mm)，使弗劳德数为0.261，除此之外与实施例2同样地进行反应。
反应开始4天后，通过气相色谱法对从第4槽流出的反应液进行测定，结果检测到0.02％的未反应的丙烯腈，检测到48.4％的丙烯酰胺。由此可知，相对于丙烯腈的添加量，相当于约4.1％的量的丙烯腈漏出到反应液气相部。
将以上实施例和比较例中的搅拌所需动力(每单位体积的反应液流体)、弗劳德数、从反应器中取出的反应液的分析、温度控制性、和腈化合物向反应气相部的漏出的结果示于下述表1中。
[表1]
如表1所示，在作为本发明的制造方法的实施例1和2中，使每单位体积的反应液流体的搅拌所需动力为0.08～0.7kW/m3，一边搅拌一边进行反应，由此没有检测到未反应的腈化合物，能够高效地制造酰胺化合物。另外，反应温度的控制性也良好。
另一方面，比较例1由于每单位体积的反应液流体的搅拌所需动力为0.02kW/m3，因此检测到未反应的腈化合物，酰胺化合物的制造效率与实施例相比也较差。另外，反应液的温度控制性也困难。
另外，比较例2由于每单位体积的反应液流体的搅拌所需动力为1.3kW/m3，因此检测到未反应的腈化合物，酰胺化合物的制造效率与实施例相比也较差。此外，腈化合物漏出到反应液气相部，环境负荷的降低效果较差。
比较例3～6由于弗劳德数在0.05～0.2的范围以外，因此腈化合物漏出到反应液气相部，环境负荷的降低效果较差。
如上所述，本发明的酰胺化合物的制造方法由于由腈化合物向酰胺化合物的转变效率、反应液的温度控制性良好，因此能够以低成本、节能的方式制造酰胺化合物。另外，确认腈化合物向反应气相部的漏出得到抑制，环境负荷也低。
产业上的可利用性
本发明的制造方法在利用生物催化剂制造酰胺化合物时，能够容易地提高由腈化合物向酰胺化合物的转变率，而且还能够容易地控制反应时的温度，此外还能够防止腈化合物漏出到反应体系外，因此能够适合作为低成本、节能、且环境负荷低的酰胺化合物的制造方法使用。

Claims (3)

1.一种在反应器内使用生物催化剂由腈化合物制造酰胺化合物的方法，该方法在搅拌所需动力在0.08～0.7kW/m3的范围内、弗劳德数为0.05～0.20的范围内和搅拌叶片的前端速度为4.0m/s以下的搅拌条件下，使腈化合物与生物催化剂反应而生成酰胺化合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应为连续反应。
3.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其中，所述酰胺化合物为丙烯酰胺。
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