DE3132493C2

DE3132493C2 -

Info

Publication number: DE3132493C2
Application number: DE3132493A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Watanabe; Keiichi Yokohama Kanagawa Jp Sakashita; Yasuo Kawasaki Kanagawa Jp Ogawa
Original assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1980-08-19
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1989-06-22
Also published as: FR2488908A1; JPS5739792A; US4421855A; JPS5835078B2; GB2086376B; FR2488908B1; GB2086376A; DE3132493A1

Description

Seit langem ist bekannt, daß Mikroorganismen mit einer nitrilatischen Aktivität wirksam Acrylnitril zu Acrylamid hydrolysieren können. Zu solchen Mikroorganismen gehören die genera Bacillus, Bacteridium im Sinne von Prevot, Mikrococcus und Brevibacterium im Sinne von Bergey (siehe beispielsweise US-PS 40 01 081). Es wurde auch festgestellt, daß Mikroorganismen der genera Corynebacterium und Nocardia wirksam Acrylnitril hydrolysieren (siehe beispielsweise US-PS 42 48 968).

Bei der Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril unter Verwendung solcher Mikroorganismen wird Acrylnitril in Kontakt mit den Mikroorganismen oder mit immobilisierten Zellen davon, die durch Immobilisieren der Zellen mit Polymergelen hergestellt wurden, in einem wäßrigen Medium, wie Wasser, einer physiologischen Kochsalzlösung und einer Phosphatpufferlösung gebracht. In neuerer Zeit sind absatzweise oder kontinuierliche Säulenmethoden unter Verwendung von granulierten immobilisierten Zellen in großem Maße verwendet worden, um das Eluieren von Verunreinigungen aus den Zellen zu vermeiden, um die Abtrennung der Zellen aus der Reaktionslösung zu verbessern, um die Zellen wiederholt verwenden zu können und um die Stabilität der Enzyme zu erhöhen. Solche Verfahren, bei denen man granulierte, immobilisierte Zellen verwendet, sind wirtschaftlich sehr vorteilhaft. So wird beispielsweise in US-PS 42 48 968 ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid beschrieben, mittels einer kontinuierlichen Säulenumsetzung unter Verwendung von immobilisierten Mikroorganismuszellen, die hergestellt worden sind, indem man Zellen in einem Gel aus Polyacrylamid immobilisiert.

Bei diesem Verfahren werden jedoch durch die Verwendung einer physiologischen Kochsalzlösung oder einer Phosphatpufferlösung, als wäßriges Medium große Mengen an Natriumchlorid oder Phosphaten in die gebildete wäßrige Acrylamidlösung eingeschleppt und das ist nicht wünschenswert hinsichtlich der Qualität des erwünschten Produktes. Insbesondere bei der Herstellung von Polymeren auf Acrylamidbasis mit hohem Molekulargewicht führt die Anwesenheit von Phosphaten im Acrylamid zu einem Unlöslichwerden des gebildeten Polymers in Wasser. Um solche Salze zu entfernen, muß man Nachbehandlungen, wie eine Ionenaustauschbehandlung, anwenden. Dies geht auf Kosten des Vorteils, daß man eine hochqualitative wäßrige Acrylamidlösung herstellen kann, ohne besondere Reinigungsstufe, was ja gerade untypisch ist für ein Verfahren, bei dem unter Verwendung von immobilisierten Mikroorganismen gewonnen wird. Dadurch geht der Vorteil, den man bei einem solchen Verfahren erzielen kann, wieder verloren.

Wendet man andererseits keine physiologische Kochsalzlösung oder Phosphatpufferlösung als wäßriges Medium an, dann quellen die immobilisierten Zellen im Laufe der Hydratisierungsreaktion und die Enzymaktivität der Zellen geht schnell verloren. Bei einer Säulenumsetzung, bei der eine wäßrige Lösung aus Acrylnitril durch eine Säule geschickt werden, die mit in üblicher Weise mit Polyacrylamid immobilisierten Zellen gefüllt ist, quellen die immobilisierten Zellen in der Säule innerhalb kurzer Zeit nach Beginn der Hydratisierungsreaktion und infolgedessen ist ein erfolgreicher Betrieb dieses Verfahrens nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid durch Hydratisierung von Acrylnitril und unter Verwendung von immobilisierten Mikroorganismen zur Verfügung zu stellen, bei dem die wäßrige Substratlösung kein Salz enthält und man eine ausgezeichnete Enzymstabilität erzielt.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Jeder Mikroorganismus, der in der Lage ist, Acrylnitril zu Acrylamid zu hydrolysieren, kann unabhängig von der taxonometrischen Klassifizierung verwendet werden. Beispielsweise kann man vorteilhaft Stamm N-771 vom Genus Corynebacterium gemäß US-PS 42 48 968, der beim Fermentation Research Institute, Agency of Industrial Science and Technology, Japan unter FERM Nr. 4445 hinterlegt ist, Stamm N-774 von Genus Corynebacterium, der unter FERM Nr. 4446 hinterlegt ist und N-775 vom Stamm Norcadia, der unter der FERM Nr. 4447 hinterlegt ist, verwenden. Ebenso können die in US-PS 40 01 081 beschriebenen Mikroorganismen vorteilhaft verwendet werden.

Bei der Herstellung von immobilisierten Zellen unter Verwendung von Mikroorganismen können die Mikroorganismen in jeder Form eines Zellen enthaltenden Kulturmediums, z. B. in Form von gewaschenen Zellen oder von zerstörten Zellen verwendet werden.

Das kationische Polymer auf Acrylamidbasis, welches zum Immobilisieren verwendet wird, ist ein Copolymer aus Acrylamid, einem kationischen ethylenisch ungesättigten Monomer, das mit Acrylamid copolymerisierbar ist, und einem wasserlöslichen Vernetzungsmonomer.

Beispiele für kationische ethylenisch ungesättigte Monomere, die mit Acrylamid copolymerisierbar sind, sind Dialkylaminoalkylacrylat, Dialkylaminoalkylmethacrylat, Dialkylaminoalkylacrylamid, Dialkylaminoalkylmethacrylamid und quaternäre Salze davon, z. B. Dimethylaminoethylmethacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat, Dimethylaminopropylmethacrylamid, Diethylaminopropylmethacrylamid und quaternäre Salze davon, z. B. mit Dimethylsulfat oder Methylchlorid. Diese Monomeren können allein oder im Gemisch miteinander verwendet werden.

Beispiele für wasserlösliche Vernetzungsmonomere sind Methylenbisacrylamid, 1,3-Di-acrylamidomethyl-2-imidazolidon, Diacrylamidomethylethylenharnstoff, Diacrylamidomethylether, Ethylenglykoldiacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat und Hexahydro-1,3,5-triacyl-S-triazin.

Die drei Monomeren werden in solchen Mengen verwendet, daß die Menge an Acrylamid zwischen 50 und 95 Gew.-%, die Menge an kationischem ethylenisch ungesättigten Monomer von 1 bis 49,9 Gew.-% und die Menge an wasserlöslichem Vernetzungsmonomer 0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Monomeren, liegt.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Mikroorganismen können beispielsweise immobilisiert werden, indem man eine Suspension von Mikroorganismuszellen und den drei Monomeren der vorerwähnten Art vermischt und in Gegenwart eines Polymerisationskatalysators, wie er üblicherweise verwendet wird, z. B. von Kaliumpersulfat und Dimethylaminopropiontril, unter pH-Bedingungen von 5 bis 10 und vorzugsweise 6 bis 8 bei einer Temperatur von 0 bis 30°C und vorzugsweise 0 bis 15°C, während 30 bis 60 Minuten, unter Erhalt eines Gels polymerisiert.

Die Menge der in dem Gel enthaltenen Mikroorganismuszellen liegt im allgemeinen zwischen 0,1 und 50 Gew.-% und vorzugsweise 1 bis 20 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des wäßrigen Gels, wobei die Menge jedoch von der Art des Mikroorganismus und dem Verwendungszustand abhängen kann. Der Monomergehalt in der Reaktionslösung beträgt 2 bis 30 Gew.-% und vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung.

Zur Herstellung von zellenenthaltendem Gel kann außer dem Verfahren, bei dem ein kationischer Anteil zu einem Monomer gegeben wird und dann unter Ausbildung eines Gels eine Copolymerisation erfolgt, ein weiteres Verfahren angewendet werden, bei dem die ganze Menge oder ein Teil des kationischen Monomers zuvor unter Erhalt eines wasserlöslichen Polymers polymerisiert wird, das in der Lage ist, zu gelieren und das wasserlösliche Polymer dann mit der Suspension des Mikroorganismus und des Monomeren vermischt und umgesetzt wird, unter Erhalt des gewünschten Gels. Alternativ kann das vor der Herstellung des Gels zuführende wasserlösliche Polymer hergestellt werden durch Copolymerisieren eines kationischen Monomers mit einem Teil des Acrylamids.

Die so erhaltenen immobilisierten Zellen werden in eine gewünschte Form gebracht und gewünschtenfalls einer wasserlöslichen Dialdehydbehandlung, wie Glutaraldehyd, unterworfen.

Bei der Durchführung der Erfindung kann man die kationischen immobilisierten Zellen der vorerwähnten Art zu Teilchen einer geeigneten Größe pulverisieren und in einen Reaktor oder in eine Säule vorlegen. Wenn man dann eine wäßrige Lösung aus Acrylnitril mit einer Salzkonzentration von 0,1 Gew.-% oder weniger und vorzugsweise 0,01 Gew.-% oder weniger, d. h. eine wäßrige Lösung von Acrylnitril, die im wesentlichen kein Salz enthält, in Berührung mit den immobilisierten Zellen bringt, erhält man das gewünschte Acrylamid. Durch geeignete Auswahl der Menge an immobilisierten Zellen, der Konzentration an Acrylnitril und der Fließgeschwindigkeit der wäßrigen Substratlösung, kann man eine Umwandlung von nahezu 100% erzielen. Um die nitrilatische Aktivität der immobilisierten Zellen während eines langen Zeitraums aufrechtzuerhalten, und um die Bildung von Nebenprodukten, wie Acrylsäure, zu inhibieren, wird es bevorzugt, daß die Konzentration an Acrylnitril 5 Gew.-% oder weniger beträgt. Die Reaktionstemperatur soll so niedrig wie möglich sein und liegt innerhalb eines Bereiches bei welchem die wäßrige Substratlösung nicht gefriert, d. h. bei etwa unmittelbar oberhalb des Gefrierpunktes bis 30°C. Der pH-Wert beträgt 5 bis 10. Es wird bevorzugt, die Umsetzung bei einem pH-Wert von 6 bis 8 und einer Temperatur von 0 bis 15°C durchzuführen. Besonders ist eine Temperatur von etwa 10°C und ein Gefrierpunkt von 7,0 bis 8,5.

Als abfließende Reaktionslösung erhält man eine farblose, transparente, wäßrige Lösung von Acrylamid. Da diese wäßrige Lösung des Acrylamids im wesentlichen kein Salz und nahezu keine Verunreinigungen enthält, die bei der Polymerisation von Acrylamid Nachteile ergeben würden, kann man sie so wie sie ist oder nachdem man sie konzentriert hat, als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Acrylamidpolymeren, für Flockungsmittel, als Additive bei der Papierherstellung, usw., einsetzen.

In den folgenden Beispielen sind alle Teile und Prozente auf das Gewicht bezogen. Die Konzentration an Acrylnitril, Acrylamid und Acrylsäure wurden gaschromatografisch bestimmt.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1

50 Teile von gewaschenen Zellen (Trockengehalt der Zellen 20%) vom Stamm N-774, die aerob in einem Kulturmedium (pH 7,2), enthaltend 1% Glukose, 0,5% Pepton, 0,3% Hefeextrakt und 0,3% Malzextrakt, kultiviert worden waren, wurden mit 4,2 Teilen Acrylamid, 0,4 Teilen eines quaternären Salzes aus Methylchlorid und Dimethylaminoethylmethacrylat, 0,4 Teilen Methylenbisacrylamid und 30 Teilen 0,05 M Phosphatpuffer (pH 7,5, alle nachfolgend beschriebenen Phosphatpuffer haben den gleichen pH-Wert), zur Ausbildung einer gleichmäßigen Suspension vermischt. Zu dieser Suspension wurden 5 Teile einer 5%igen wäßrigen Lösung von Dimethylaminopropionitril und 10 Teilen einer 2,5%igen wäßrigen Lösung aus Kaliumpersulfat zugegeben und die Polymerisation wurde bei einer Temperatur von 10°C oder weniger während 1 Stunde durchgeführt unter Erhalt eines Zellen enthaltenden Gels. Das erhaltene voluminöse Gel wurde zu feinen Teilchen unter Verwendung eines Mischers pulverisiert, mit 300 Teilen eines 0,05 M Phosphatpuffers und 0,5 Teilen einer 5%igen wäßrigen Glutaraldehydlösung vermischt und dann unter Rühren der Glutaraldehydbehandlung bei 10°C oder weniger während 30 Minuten unterworfen. Die so hergestellten immobilisierten Zellen wurden mit Wasser gewaschen und als Probe für die Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet.

10 Teile der Probe und 90 Gew.-Teile Wasser wurden vermischt. Zu dem Gemisch wurde Acrylnitril tropfenweise absatzweise in einer Menge von 2 Teilen/Stunde unter Aufrechterhaltung eines pH von 7,5 und unter Rühren zugegeben und die Umsetzung 6 Stunden bei 10°C fortgesetzt. Die Umsetzung verlief nahezu quantitativ und man erhielt 110 Teile einer 14,6%igen wäßrigen Acrylamidlösung. Nach Wiederholung der Umsetzung wurde die Restaktivität der immobilisierten Zellen bestimmt.

Zum Vergleich wurden immobilisierte Zellen unter Verwendung eines üblichen Polyacrylamids hergestellt, d. h. die für den Vergleich verwendeten immobilisierten Zellen wurden in gleicher Weise wie oben beschrieben hergestellt, wobei jedoch 4,6 Teile Acrylamid und 0,4 Teile Methylenbisacrylamid zur Herstellung der immobilisierten Zellen verwendet wurden. Die so erhaltenen immobilisierten Zellen wurden für die gleiche Umsetzung zur Bildung von Acrylamid wie vorher angegeben, herangezogen. Nach Beendigung der Umsetzung wurde die Restaktivität der immobilisierten Zellen bestimmt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.

Die Restaktivität der immobilisierten Zellen wurde wie folgt bestimmt:

Die Probe aus immobilisierten Zellen wurde gründlich in einem Mörser zerkleinert und mit 0,1 M Phosphatpuffer in eine Suspension mit einem Zellgehalt von 1% überführt. Zu 5 ml der Suspension wurden 5 ml einer 5%igen wäßrigen Lösung aus Acrylnitril gegeben und das Acrylnitril wurde 10 Minuten bei 10°C hydrolysiert. Die Menge an gebildetem Acrylamid wurde gemessen. Die Restaktivität der immobilisierten Zellen wurde ausgedrückt durch das Verhältnis der Menge an Acrylamid nach der Reaktion zu der Menge an Acrylamid vor der Reaktion.

Tabelle 1

Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2

40 Teile immobilisierte Zellen, die wie in Beispiel 1 hergestellt wurden, also Stamm N-774, der mit einem Copolymergel aus Acrylamiddimethylaminoethylmethacrylat methylchlorid-quaternärem Ammoniumsalz immobilisiert war, wurden in eine ummantelte Glassäule gegeben. Eine 4%ige wäßrige Lösung aus Acrylnitril (mit Natriumcarbonat auf pH 7,5 eingestellt) wurde am Kopf der Glassäule eingeleitet und lief bei einer Temperatur von 5°C mit einer Raumgeschwindigkeit (SV) von 0,8 h^-1 hindurch.

Während der Umsetzung wurde keine Quellung der immobilisierten Zellteilchen in der Glassäule festgestellt und das scheinbare Packungsvolumen veränderte sich nicht. Der Betrieb konnte während einer langen Zeit aufrechterhalten werden.

Am Boden der Glaskolonne floß eine farblose transparente wäßrige Lösung von Acrylamid ab. Eine Analyse des Bodenabflusses 5 Tage nach Beginn der Umsetzung zeigte, daß sie 5,4% Acrylamid und kein Acrylnitril enthielt.

Zum Vergleich wurden die gleichen immobilisierten Zellen wie in Beispiel 1 für die gleiche Säulenreaktion wie vorher angegeben, verwendet. Kurz nach Beginn der Umsetzung begannen die immobilisierten Zellen zu quellen und der Betrieb konnte nicht mehr ohne Schwierigkeiten aufrechterhalten werden. 5 Tage nach Beginn der Umsetzung wurde die Aktivität der gequollenen immobilisierten Zellen gemessen und es wurde festgestellt, daß sie nur noch etwa ein Zehntel der Ursprungsaktivität betrug.

Beispiel 3 bis 8 und Vergleichsbeispiel 3

Gewaschene Zellen des Stammes N-774, hergestellt wie in Beispiel 1, wurden in gleicher Weise wie in Beispiel 1 immobilisiert, wobei jedoch anstelle von Acrylamid Dimethylaminoethylmethacrylat und Methylenbisacrylamid als Monomere für die Polymerisation verwendet wurden und die Anteile an Acrylamid und Dimethylaminoethylmethacrylat in der unten angegebenen Weise verändert wurden und man die Polymerisation unter Stickstoff durchführte.

Unter Verwendung der so hergestellten immobilisierten Zellen wurde die Umsetzung zur Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril in der gleichen absatzweisen Weise und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Umsetzung wurde wiederholt und die Restaktivität wurde bestimmt.

Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt. Aus Tabelle 2 wird ersichtlich, daß durch die Copolymerisation mit Dimethylaminoethylmethacrylat die Enzymstabilität erhöht wird.

Tabelle 2

Beispiele 9 bis 14

Unter Verwendung von gewaschenen Zellen vom Stamm N-774, die wie in Beispiel 1 hergestellt worden waren, wurden immobilisierte Zellen der Polymerzusammensetzungen gemäß Tabelle 3 hergestellt. In den Beispiele 11 bis 14 wurde die Polymerisation in Gegenwart von kationischen wasserlöslichen Polymeren der nachfolgend angegebenen Art, die zuvor zur Herstellung der immobilisierten Zellen hergestellt worden waren, durchgeführt. Unter Verwendung der so hergestellten immobilisierten Zellen wurde die absatzweise Umsetzung von Acrylnitril in gleicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Nach Beendigung der Umsetzung wurde die Restaktivität der jeweiligen immobilisierten Zellgele bestimmt.

Die Ergebnisse werden in Tabelle 3 gezeigt und aus Tabelle 3 geht hervor, daß die immobilisierten Zellen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, eine stabile Enzymaktivität während langer Zeiten ermöglichen und zwar mit Substratlösungen, die im wesentlichen keine Salze enthalten.

Tabelle 3

Claims

Verfahren zur Herstellung von Acrylamid durch Hydratisierung von Acrylnitril in einem salzfreien wäßrigen Medium in Gegenwart eines Mikroorganismus mit nitrilverseifender Aktivität, der in einem Acrylamid-Polymergel immobilisiert ist, bei einem pH von 5 bis 10 und einer Temperatur von 0 bis 30°C, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Mikroorganismus einsetzt, der durch Polymerisieren eines Gemisches aus Acrylamid, einem kationischen, ethylenisch ungesättigten Acrylamid- copolymerisierbaren Monomeren und einem wasserlöslichen Vernetzungsmonomeren in einer wäßrigen, gegebenenfalls ein wasserlösliches kationisches Polymer enthaltenden Suspension des Mikroorganismus immobilisiert worden ist.