DE3017005C2

DE3017005C2 -

Info

Publication number: DE3017005C2
Application number: DE3017005A
Authority: DE
Inventors: Yasumasa Yamguchi; Ichiro Watanabe; Yoshiaki Yokohama Kanagawa Jp Satoh
Original assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1979-05-02
Filing date: 1980-05-02
Publication date: 1988-12-01
Also published as: IT1146912B; US4440858A; FR2455630A1; DE3017005A1; JPS55144889A; GB2048877B; FR2455630B1; IT8048550A0; GB2048877A; SU1609444A3; JPS5835077B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril oder Methacrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen.

Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid (nachfolgend einfach als "(Meth)-Acrylamid" bezeichnet) durch Umsetzung von Acrylnitril oder Methacrylnitril (nachfolgend einfach als "(Meth)-Acrylnitril" bezeichnet) mit Wasser in Gegenwart eines Kupferkatalysators sind bekannt, jedoch haben diese Verfahren den Nachteil, daß die Herstellung des Kupferkatalysators kompliziert ist und die Reproduzierbarkeit des Katalysators sehr schwierig ist, und daß die Abtrennung und Reinigung des gebildeten (Meth)-Acrylamids kompliziert ist. Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren, das wirtschaftlich vorteilhafter arbeitet.

Aus US-PS 40 01 081 ist ein Verfahren zur biologischen Herstellung von (Meth)-Acrylamid aus (Meth)-Acrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen der Genera Bacillus, Bacteridium im Sinne von Preot, Micrococcus und Brevibacterium im Sinne von Bergey bekannt. Weitere Verfahren zur Herstellung von (Meth)-Acrylamid aus (Meth)-Acrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen der Genera Corinebacterium und Nocardia werden in der JP-OS 1 29 190/79 beschrieben.

Die aus US-PS 40 01 081 und der JP-OS 1 29 190/79 bekannten Mikroorganismen weisen eine hohe Anfangs aktivität bei der Hydratisierungsreaktion auf. Da sich unter üblichen Reaktionsbedingungen ihre Aktivität aber schnell vermindert, ist ihre Gebrauchsdauer nur kurz. Deshalb hat man mit solchen Mikroorganismen nicht in ausreichendem Maße die Konzentration an (Meth)-Acrylamid erhöhen können und eine wiederholte Verwendung der Mikroorganismen ist nahezu unmöglich. Da die Mikroorganisman auch sehr klein sind, ist es bei ihrer Verwendung im natürlichen Zustand schwierig, sie aus der gebildeten wäßrigen Lösung von (Meth)-Acrylamid zu entfernen. Ferner ist die wäßrige Lösung von (Meth)-Acrylamid nach Abtrennung des Mikroorganismus verfärbt, wodurch Probleme bei der Herstellung der Polymeren eintreten können.

Die ältere, zum Stand der Technik zählende Patentanmeldung P 29 12 292.7 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid unter Verwendung von Mikro organismen, bei dem man in wäßrigem Medium Acrylnitril oder Methacrylnitril der Einwirkung eines Bakteriums unterwirft, welches in der Lage ist, Acrylnitril oder Methacrylnitril bei einer Temperatur im Bereich vom Gefrierpunkt des Mediums bis 30°C bei einem pH-Wert von 6 bis 10 zu hydrolysieren.

Untersuchungen haben ergeben, daß die Enzymaktivität eines Mikroorganismus in einer Mischung aus (Meth)-Acrylnitril und Wasser mit zunehmender Konzentration des darin befindlichen (Meth)-Acrylnitrils schnell abnimmt, während im Gegensatz hierzu in einer wäßrigen (Meth)-Acrylamidlösung die Enzymaktivität merklich stabilisiert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem kontinuierlichen Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid aus Acrylnitril oder Methacrylnitril eine hohe Ausbeute an (Meth)-Acrylamid bei einer hohen Enzymaktivität zu erhalten. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Bei dem Verfahren der Erfindung ist die Menge an pro Einheit des erzeugten Produktes benötigten Mikroorganismus gering, und der Mikroorganismus selbst und die Verunreinigungen, die daraus eluiert werden, haben keinen wesentlichen Einfluß auf das (Meth)-Acrylamid-Produkt.

Jeder Mikroorganismus, der in der Lage ist, die Hydrolysierung von (Meth)-Acrylnitril unter Bildung des entsprechenden (Meth)-Acryl amids zu bewirken, kann erfindungsgemäß verwendet werden, unabhängig von der Klassifizierung der jeweiligen Mikroorganismus- Gruppe. Zum Beispiel kann man Mikroorganismen der Genera Bacillus, Bacteridium in Sinne von Preot, Micrococcus und Brevibacterium in Sinne von Bergey, wie sie in US-PS 40 01 081 beschrieben werden, und der Genera Corynebacterium und Nocardia, wie sie in der JP-OS 1 29 190/79 beschrieben werden, verwenden.

Bevorzugte Mikroorganismen schließen den Stamm N-771 (hinterlegt beim Fermentation Research Institute, the Agency of Industrial Science and Technology unter der Hinterlegungsnummer FERM-P Nr. 4445) dem Stamm N-774 (FERM-P Nr. 4446), beide vom Genus Corynebacterium, und dem Stamm N-775 (FERM-P Nr. 4447), vom Genus Nocardia, wie er in der JP-OS 1 29 190/79 beschrieben wird, ein.

Diese Mikroorganismen werden immobilisiert und dann erfindungs gemäß verwendet. Für die Immobilisierung kann man alle bekannten Techniken anwenden. Zum Beispiel kann man ein Einschließen oder Vernetzen verwenden, aber das Einschließen in ein Polyacrylamid-Gel wird besonders bevorzugt.

Bei den üblichen immobilisierten Mikroorganismen, hergestellt durch Einhüllen von Mikroorganismen mit Polyacrylamid und ähnlichen Polymeren, beträgt in den meisten Fällen die enzymatische Aktivität der immobilisierten Mikroorganismen 30 bis 60% der intakten Mikroorganismen. Dagegen kann man die Mikroorganismen erfindungsgemäß bis zu einer Aktivität von nahezu 100% immobilisieren, weil die Mikroorganismen Acrylamid produzierende Stämme sind, und gegenüber hohen Konzen trationen an Acrylamid beständig sind, und weil man die Immobilisierung bei 15°C oder darunter vornehmen kann.

Die Immobilisierung kann wie folgt vorgenommen werden:
Einer der vorerwähnten Mikroorganismen wird in einem wäßrigen Medium (z. B. Wasser, einer isotonischen Kochsalzlösung oder einer Pufferlösung), enthaltend ein auf Acrylamid aufgebautes Monomer und ein Vernetzungsmittel, dispergiert; dazu gibt man einen Polymerisationsinitiator und einen Polymerisations beschleuniger und die erhaltene Mischung wird dann durch Polymerisation in einem Temperaturbereich zwischen etwa 0° und 30°C, vorzugsweise zwischen 0° und 15°C, und bei einem pH zwischen etwa 5 und 10, vorzugsweise zwischen 6 und 8, geliert.

Der Mikroorganismusgehalt in der Polymerisationslösung liegt im allgemeinen zwischen etwa 0,1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise bei 1 bis 20 Gew.-%, wobei der gewünschte Gehalt von der Art des Mikroorganismus und den Bedingungen, unter denen dieser verwendet wird, abhängt.

Auf Acrylamid basierende Monomere für die Verwendung für die Immobilisierung sind Acrylamid und Methacrylamid. Gewünschtenfalls können sie zusammen mit äthylenisch ungesättigten Monomeren, die mit ihnen copolymerisierbar sind, verwendet werden. Das auf Acrylamid aufgebaute Monomer in der Reaktionslösung wird in einer solchen Konzentration verwendet, daß sich ein Gel bei der Polymerisationsreaktion in der Reaktionslösung bildet. Die Konzentration des auf Acrylamid aufgebauten Monomers in der Polymerisationsreaktions lösung liegt im allgemeinen zwischen 2 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise bei 5 bis 20 Gew.-%.

Beispiele für geeignete Vernetzungsmittel für die Immobilisierung von Mikroorganismen oder Enzymen gemäß der Erfindung sind N,N-Methylenbisacrylamid und 1,3-Di(acrylamidomethyl)-2- imidazolin.

Als Polymerisationsinitiatoren und Polymerisationsbeschleuniger werden solche Verbindungen gewählt, welche die Aktivität des Mikroorganismus nicht inhibieren. Kalium persulfat und Ammoniumpersulfat sind besonders geeignet als Polymerisationsinitiatoren, während Dimethylaminopropionitril und Triäthanolamin als Polymerisationsbeschleuniger verwendet werden können. Diese Additive werden in Mengen von jeweils etwa 0,01 bis 10 Gew.-% angewendet.

Bei der Verwendung eines Enzyms nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Enzymlösung, die man beispielsweise durch Extraktion aus dem Mikroorganismus durch Ultraschall, durch ein Gefrier schmelzverfahren oder eine Lysozymmethode erhält, gegebenenfalls gereinigt und immobilisiert.

Man erhält ein teilgereinigtes Enzym beispielsweise folgendermaßen: Man zentrifugiert aus einer fertigen Kulturlösung den Mikroorganismus ab, suspendiert den gewaschenen Mikroorganismus in einer Pufferlösung mit einem für die Stabilität des Enzyms ausreichenden pH, zerstört den suspendierten Mikroorganismus dann mit Ultraschallwellen, worauf man die extrahierte Lösung (ein Rohextrakt des Mikroorganismus) von dem zerstörten Mikroorganismus abtrennt, löst die rohe Extraktlösung mit Ammoniumsulfat in bekannter Weise wieder auf und dialysiert den erhaltenen Niederschlag unter Ausbildung einer rohen Enzymlösung, worauf man eine aktive Fraktion aus der rohen Enzymlösung chromatografisch, z. B. über Diäthylaminoäthylcellulose, sammelt.

Für die Immobilisierung kann jedes bekannte Immobilisierungs verfahren angewendet werden. Zum Beispiel kann man die Einschluß methode, die Vernetzungsmethode oder das Binden an einen Träger anwenden, wobei die Ionen-Bindungsmethode bevorzugt wird, bei der das Enzym auf einem granularem Feststoff aus Ionenaustauschern, wie einem porösen Anionenaus tauschharz und Diäthylaminomethylcellulose, abgeschieden und gebunden wird.

Der immobilisierte Mikroorganismus oder ein Enzym können alle bekannten Formen haben, jedoch liegen sie vorzugsweise in Teilchenform vor.

Ein Festbett-Reaktor oder ein Fließbett-Reaktor kann erfindungsgemäß verwendet werden, wobei der Festbett-Reaktor deshalb bevorzugt wird, weil immobilisierte Mikroorganismen oder Enzyme dabei in einem geringeren Maße dazu neigen zusammenzubrechen. Der Ersatz der immobilisierten Mikroorga nismen oder Enzyme wird im allgemeinen absatzweise vorgenommen. Ein Fließbett-Reaktor gemäß US-PS 32 88 567 kann verwendet werden. Die immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme werden vorzugsweise mit der Reaktionslösung im Gegenstrom oder im Gleichstrom in Berührung gebracht, weil so eine Verminderung der Menge der zur Durchführung des Verfahrens benötigten immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme ermöglicht wird.

Im allgemeinen werden ein oder zwei oder gewünschtenfalls mehr Reaktoren mit den immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen gefüllt und in Serie geschaltet, wobei die Reaktion dann kontinuierlich durchgeführt wird, nachdem man das (Meth)-Acrylnitril und Wasser darin mit einem Teil der Reaktionslösung, die abgezogen und im Kreislauf geführt wird, verdünnt, wobei die restliche Reaktionslösung als Produkt abgezogen wird. Das heißt, daß ein Teil der Reaktions lösung kontinuierlich abgezogen wird, wenn die Konzentration der (Meth)-Acrylamid-Lösung etwa der Konzentration von (Meth)-Acrylnitril in dem eingeführten wäßrigen Medium entspricht.

Verwendet man eine Vorrichtung mit zwei oder mehr in Serie geschalteten Reaktoren, so ist es auch möglich, das im Ausgangsmaterial verwendete (Meth)-Acrylnitril und Wasser dadurch zu verdünnen, daß man einen Teil der abfließenden Reaktionslösung aus jedem Reaktor, in den das (Meth)-Acryl nitril und Wasser eingeführt werden, abzieht. Dem oder den Reaktor(en), abgesehen vom ersten Reaktor, gibt man nur (Meth)-Acrylnitril zu. Weiterhin kann das verdünnende (Meth)-Acryl nitril und Wasser, das nichtumgesetzte (Meth)-Acrylnitril und Wasser einschließen, das aus dem vorhergehenden Reaktor stammt, wie auch frisch eingeführtes (Meth)-Acryl nitril und Wasser.

Die Abtrennung der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme aus der Reaktionslösung wird im allgemeinen im Reaktor vorgenommen und die immobilisierten Mikroorganismen, die noch in der Reaktionslösung suspendiert sind, können in einfacher Weise durch Filtrieren oder Sedimentierung entfernt werden.

Die Konzentration an (Meth)-Acrylamid in der Reaktionslösung kann bis zur Grenze der jeweiligen Löslichkeiten erhöht werden. Im Falle von Acrylamid wird sie vorzugsweise bei 5 bis 25 Gew.-% eingestellt.

Die Ausgangsmaterialien, d. h. (Meth)-Acrylnitril und Wasser werden mit der zuvor umgesetzten, im Kreislauf gefahrenen Lösung verdünnt. Die Verdünnungswirkung erhöht sich mit der Erhöhung des Verdünnungsgrades, aber der Bereich des Verdünnungs grades wird durch die Verdünnungswirkung und den Fließwiderstand entschieden. Das bevorzugte Verdünnungs verhältnis liegt im Bereich vom 2-fachen bis zum 100-fachen.

Eine Erhöhung des Verdünnungsverhältnisses auf mehr als das 100-fache hat nicht nur keinen vorteilhaften Einfluß auf die Erhöhung der Lebensdauer der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme, sondern erhöht auch den Fließwiderstand und infolgedessen wird es dann schwierig, die Produktivität durch eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit zu erhöhen.

Wenn andererseits geringe Verdünnungsgrade vorliegen von weniger als dem 2-fachen, so ist der Verdünnungseffekt niedrig und die Erhöhung der Lebensdauer der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme ist zu gering. Obwohl man die Verdünnung im Reaktor durchführen kann, wird das Verdünnen und Vermischen vorzugsweise durchgeführt bevor (Meth)-Acrylnitril und Wasser in den Reaktor eingeführt werden.

Die Umsetzung wird bei einer Temperatur zwischen dem Gefrierpunkt des Reaktionssystems bis zu etwa 30°C und vorzugsweise zwischen dem Gefrierpunkt des Systems bis 15°C vorgenommen, wodurch die Herstellung einer wäßrigen (Meth)-Acrylamid-Lösung hoher Konzentration während eines langen Zeitraumes ermöglicht wird. Der pH-Wert wird zwischen etwa 6 und 10 und insbesondere 7 und 9 gehalten, wodurch die Mikroorganismen oder Enzyme in der Lage sind, ihre Hydratisierungsaktivität beizubehalten.

Die Beibehaltung dieser Bedingungen ermöglicht auch, daß der Einschluß von Verunreinigungen und eine Verminderung der Ausbeuten aufgrund von Nebenprodukten, wie Acrylsäure oder Methacrylsäure verhindert wird.

Der Grad der Umsetzung bzw. Reaktion kann durch die Menge an immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen, der Reaktions temperatur, der Reaktionszeit, der Fließgeschwindigkeit und durch weitere Faktoren beeinflußt werden. Indem man geeignete Bedingungen für die jeweils verwendeten Mikroorganismen oder Enzyme wählt, ist es möglich, die Reaktion so zu beeinflussen, daß die Ausbeute im wesentlichen 100% beträgt. Ein wichtiger Faktor ist die Raumgeschwindigkeit (SV), die durch folgende Gleichung wiedergegeben wird:

Die SV eines jeden Reaktors liegt zwischen etwa 0,1 bis 20 (h^-1) und vorzugsweise bei etwa 0,3 bis 5. · (h) bedeutet die Kontaktzeit zwischen dem Ausgangsmaterial und den immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen.

Ist nicht-umgesetztes (Meth)-Acrylnitril in der umgesetzten Lösung vorhanden, so kann man die umgesetzte Lösung in einen weiteren Reaktor zur Vervollständigung der Umsetzung einleiten, oder man kann das nicht-umgesetzte (Meth)-Acrylnitril durch Abstreifen oder Destillieren entfernen. Das wieder gewonnene (Meth)-Acrylnitril und Wasser können in die Hydratisierungs reaktion wieder eingeleitet werden. Die Anzahl der zusätzlichen Reaktoren, die man für die Umsetzung des in geringen Mengen vorhandenen restlichen (Meth)-Acrylnitrils benötigt, beträgt im allgemeinen nur 1 oder 2. Da in diesen Reaktoren die Konzentration an (Meth)-Acrylnitril niedrig ist, ist es nicht erforderlich, die Lösungen in diesen Reaktoren mit der Lösung des Reaktionsproduktes weiter zu verdünnen.

Die erfindungsgemäß hergestellten wäßrigen Lösungen von (Meth)-Acrylamid kann man z. B. so wie sie sind oder nach üblicher Konzentrierung als Ausgangsmaterial für eine Reihe von verschiedenen Polymeren verwenden. Alternativ kann man sie auch als Kristalle gewinnen, indem man sie konzentriert und kühlt. Die Kristalle fallen aus, wenn man die Konzentration an (Meth)-Acrylamid auf eine Konzentration oberhalb der Löslichkeitsgrenze erhöht oder indem man die Löslichkeit von (Meth)-Acrylamid durch Kühlen einer (Meth)-Acrylamid- Lösung hoher Konzentration erniedrigt. Ist die Konzentration an (Meth)-Acrylamid in der Reaktionslösung hoch, so ist die Reaktionslösung manchmal etwas gefärbt, aber man kann sie unter Verwendung von porösen Anionenaustauschharzen, die stark oder schwach basisch sind, reinigen.

In den Beispielen wird die Erfindung ausführlich beschrieben. Die Messung des Reaktionsproduktes und der nicht-umgesetzten Ausgangsmaterialien wurde in üblicher Weise gaschromatografisch durchgeführt. Teile bedeuten Gewichtsteile.

Beispiel 1

40 Teile einer gewaschenen Masse (Wassergehalt 75%) des Stammes N-774, der zuvor durch aerobe Inkubierung eines Kultur mediums (pH 7,2), enthaltend 1% Glukose, 0,5% Pepton, 9,3% Hefeextrakt und 0,3% Malzextrakt, hergestellt worden war, 4,5 Teile Acrylamid, 0,5 Teile N,N′-Methylenbisacrylamid und 40 Teile einer physiologischen Kochsalzlösung wurden gleich mäßig dispergiert. Zu dieser Dispersion wurden 5 Teile einer 5gew.-%igen Lösung von Dimethylaminopropionitril und 10 Teile einer 2,5%igen wäßrigen Lösung Kaliumpersulfat gegeben, und die erhaltene Mischung wurde während 30 Minuten bei 10°C polymerisiert. Das so erhaltene Mikroorganismus enthaltende Gel wurde zu kleinen Teilchen pulverisiert und gründlich mit physiologischer Kochsalzlösung gewaschen, wobei man 100 Teile von immobilisierten Mikroorganismus-Gel teilchen erhielt.

In eine Säule mit einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm, die mit einem temperaturüberwachten Mantel versehen war, wurden 40 g des Mikroorganismus eingegeben.

Dann wurde eine Mischung aus 0,75 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer wäßrigen Lösung eines Phosphorsäure puffers (pH 8,0), die zuvor mit 4 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne vermischt worden waren in einer Fließgeschwindigkeit von 50 ml/h (SV=0,5 h^-1) in die Kolonne am Kopf eingeführt, und ein Teil des restlichen Abflusses wurde kontinuierlich in einer Menge von 10 ml/h gewonnen. (Zu Beginn der Umsetzung wurde eine 0,05 M wäßrige Phosphorsäure-Pufferlösung [pH 8,0] verwendet, welches die gleiche ist, wie in dem nachfolgenden Beispiel.)

Die Temperatur in der Kolonne wurde kontinuierlich bei 10°C gehalten, indem man durch den Mantel kaltes Wasser strömen ließ.

Nach 1000-stündiger Durchführung der Reaktion betrug die Acrylamidkonzentration im Abfluß 10% und es wurden praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylamid oder Nebenprodukte festgestellt, so daß die Ausbeute an Acrylamid nahezu 100% betrug.

Beispiel 2

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), die jede einen Innendurchmesser von 3 cm und eine Länge von 25 cm hatten, wurden mit 40 g eines immobilisierten Mikroorganismus gefüllt, der in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt worden war, und die Kolonnen wurden in Serie geschaltet.

Ein Zugabegemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,5 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) wurde, nachdem sie zuvor mit 4 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 vermischt worden war, in einer Fließgeschwindigkeit von 200 ml/h (SV=2 h^-1) auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 gegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde in einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV=0,4 h^-1) auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde durch Durchfliessen lassen von kaltem Wasser durch die Ummantelung bei 10°C gehalten.

Nach 100-stündiger Reaktion betrugen die Konzentrationen an Acrylamid und nicht-umgesetztem Acrylnitril im Abfluß vom Boden der Kolonne Nr. 1 9,5% bzw. 0,37% und die Konzentration an Acrylamid im Abfluß am Boden der Kolonne Nr. 2 10%, und dabei wurden praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte festgestellt, so daß die Ausbeute an Acrylamid nahezu 100% betrug.

Beispiel 3

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm, die in Serie geschaltet waren, wurden mit 40 g eines immobilisierten Mikroorganismus, der in gleicher Weise wie in Beispiel 1 erhalten worden war, gefüllt.

Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde ein Zugabegemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0), die zuvor mit einem Teil des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 vermischt worden war, in einer Fließgeschwindigkeit von 80 ml/h (SV=0,8 h^-1) eingegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde in einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV=9,4 h^-1) auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde durch Durchströmen von kaltem Wasser durch den Mantel auf 10°C gehalten.

Nach 1000-stündiger Reaktion betrug die Konzentration an Acrylamid in dem Abfluß vom Boden der Kolonne Nr. 2 10% und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte festgestellt werden.

Beispiel 4

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), mit einem Innen durchmesser von 3 cm und einer Länge von jeweils 25 cm wurden mit 40 g eines immobilisierten Mikroorganismus gefüllt, der in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt worden war, und in Serie geschaltet. Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde in Zugabegemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0), die zuvor mit 9 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 vermischt worden war, in einer Fließgeschwindigkeit von 400 ml/h (SV=4 h^-1) gegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde in einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV=0,4 h^-1) auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 gegeben.

Die Temperatur wurde durch Durchlaufen von kaltem Wasser durch den Mantel auf 10°C gehalten.

Nach 1000-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Acrylamid im Abfluß vom Boden der Kolonne Nr. 2 10% und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte nachgewiesen werden.

Beispiel 5

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß man anstelle eines Zugabegemisches von 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen der 0,05 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) ein Zugabegemisch aus 0,79 Teilen Methacrylnitril und 0,921 Teilen einer 0,05 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) verwendete.

Nach 100-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Methacrylamid im Abfluß 10% und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Methacrylnitril oder Nebenprodukte nach gewiesen werden, so daß die Ausbeute an Methacrylamid nahezu 100% betrug.

Beispiel 6

Drei ummantelte Kolonnen (Nr. 1, 2 und 3) mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm wurden mit 40 g eines in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellten immobilisierten Mikroorganismus gefüllt und in Serie geschaltet. In den Boden der Kolonne Nr. 1 wurde nach oben ein Zugabegemisch von 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0), die zuvor mit 4 Teilen des Abflusses vom Kopf der Kolonne Nr. 2 vermischt worden war, in einer Fließ geschwindigkeit von 200 ml/h^-1 (SV=2 h^-1) eingeleitet. Der Abfluß vom Kopf der Kolonne 1 wurde in den Boden der Kolonne 2 eingeführt und dort nach oben fließen gelassen. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Kopf der Kolonne Nr. 2 wurden in den Boden der Kolonne Nr. 3 eingeleitet und dort mit einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV=0,4 h^-1) nach oben geleitet und der Abfluß wurde am Kopf der Kolonne kontinuierlich abgezogen.

Die Temperatur in der Kolonne wurde wie in Beispiel 1 bei 10°C gehalten.

Nach 1000-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Acrylamid in dem Abfluß vom Kopf der Kolonne Nr. 1 10% und es konnten praktisch kein nicht-umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte festgestellt werden.

Beispiel 7

Eine Dispersion einer gewaschenen Masse (Wassergehalt 75%) vom Stamm N-774, der zuvor durch aerobe Inkubierung in einem Kulturmedium (pH 7,2), enthaltend 1% Glukose, 0,5% Pepton, 0,3% Hefeextrakt und 0,3% Malzextrakt, hergestellt worden war, wurde zur Extraktion der Enzyme mit Ultraschallwellen bestrahlt. Die Behandlung mit den Ultraschallwellen erfolgte indem man die 0,05 M Phosphat-Pufferlösung, welche den Mikroorganismus in einer Konzentration von 5% enthielt, 20 Minuten bei einer Temperatur von 4°C mit Ultraschallwellen von 20 KHz bestrahlte. Das so extrahierte Enzym wurde mit einem porösen, stark basischen Anionenaustauschharz (Amberlite® 905) vermischt und damit 6 h bei 10°C verrührt, und auf diese Weise auf dem Anionenaustauschharz abgeschieden und gebunden. Anschließend wurde die Lösung abgetrennt, wobei man das immobilisierte Enzym erhielt.

Zwei ummantelte Kolonnen (Nr. 1 und 2), mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm, wurden mit 100 ml des immobilisierten Enzyms beschickt und in Serie geschaltet. Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von 300 ml/h (SV=3 h^-1) ein Zugabegemisch von 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen reinem Wasser, nach vorhergehender Abmischung mit 4 Teilen des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 (zu Beginn der Reaktion wurde reines Wasser verwendet) gegeben. Ein Teil des Restes des Abflusses vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 mit einer Fließge schwindigkeit von 60 ml/h (SV=0,6 h^-1) gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde bei 10°C gehalten.

Nach ununterbrochener 200-stündiger Umsetzung betrug die Konzentration an Acrylamid in dem Abfluß vom Boden der Kolonne Nr. 2 10% und es konnten praktisch kein nicht- umgesetztes Acrylnitril oder Nebenprodukte nachgewiesen werden.

Vergleichsversuch

Zwei ummantelte Kolonnen, (Nr. 1 und 2), mit jeweils einem Innendurchmesser von 3 cm und einer Länge von 25 cm wurden mit 40 g eines immobilisierten Mikroorganismus, der wie in Beispiel 1 hergestellt worden war, beschickt und in Serie geschaltet. Auf den Kopf der Kolonne Nr. 1 wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/h (SV=0,4 h^-1) ein Zugabe gemisch aus 0,075 Teilen Acrylnitril und 0,925 Teilen einer 0,05 M wäßrigen Phosphorsäure-Pufferlösung (pH 8,0) gegeben. Der Abfluß vom Boden der Kolonne Nr. 1 wurde auf den Kopf der Kolonne Nr. 2 mit der gleichen Fließgeschwindigkeit wie oben (d. h. 40 ml/h) gegeben.

Die Temperatur in der Kolonne wurde bei 10°C gehalten.

Nach einer 50-stündigen Umsetzung nahm die Konzentration an nicht-umgesetztem Acrylnitril in dem Abfluß vom Boden der Kolonne Nr. 2 zu und erreichte 1000 ppm. Zu diesem Zeitpunkt war die Konzentration an Acrylamid 9,9%. Nach mehrstündigem weiteren Durchführen der Reaktion nahm die Konzentration an Acrylnitril am Boden der Kolonne Nr. 2 abrupt zu, und es wurde praktisch unmöglich, die Umsetzung weiter durchzuführen.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid durch Hydratisierung von Acrylnitril oder Methacrylnitril in Gegenwart von die Amid-Bildung beschleunigenden immobilisierten Mikroorganismen bei einer Temperatur zwischen dem Gefrierpunkt bis etwa 30°C, dadurch gekennzeichnet, daß man das Nitril zusammen mit einem im Kreislauf geführten Teilstrom der Reaktionslösung einem Reaktor, der den immobilisierten Mikroorganismus in einem wäßrigen Medium mit einem pH-Wert von 6 bis 10 enthält, zuführt und den restlichen Teil der Reaktionslösung als Produktstrom abzieht, wenn die Konzentration an (Meth)- Acrylamid in der Reaktionslösung etwa der Konzentration von (Meth)-Acrylnitril in dem zugeführten Teilstrom entspricht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung bei einem pH-Wert von 7 bis 9 durchführt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion bei einer Temperatur zwischen dem Gefrierpunkt der Reaktionslösung und 15°C durchführt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren in Gegenwart von Mikroorganismen aus den Stämmen N-771, N-774 und N-775 durchführt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Produktstrom abzieht, wenn die Konzentration an Acrylamid in der Reaktionslösung im Bereich von 5 bis 25 Gew.-% liegt.