Способ получения водного раствора акриламида с использованием биокатализатора
Изобретение относится к получению органических соединений. Акрилонитрил гидратируют в водном растворе в присутствии биокатализатора. Контроль за протеканием реакции осуществляют проведением измерений параметров технологического процесса в режиме «он-лайн» методом инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием. Реакцию осуществляют в реакторе, оснащенном циркуляционным контуром, в котором по замкнутому циклу перекачивают часть реакционной смеси. Устройство включает инфракрасный спектрометр с фурье-преобразованием, использование которого позволяет быстро проводить измерения в режиме «он-лайн», а также сохранять активность биокатализатора практически на неизменном уровне в ходе реакции и получать большее количество более чистого продукта. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора.
Способ превращения акрилонитрила в акриламид в воде в присутствии пригодного для этой цели биокатализатора известен уже достаточно давно и описан, например, в заявке DE 3017005 С2, согласно которой предусмотрено использование иммобилизованного биокатализатора. В заявках DE 4480132 С2 и ЕР 0188316 В1 описаны особые биокатализаторы, используемые для превращения акрилонитрила в акриламид. В патенте US 5334519 описан способ гидратации акрилонитрила до акриламида в присутствии биокатализаторов и ионов кобальта. Всем этим известным техническим решениям присущ общий недостаток, состоящий в повреждении биокатализатора в ходе реакции, что проявляется в снижении его активности, соответственно в значительном увеличении количества нежелательных побочных продуктов.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ, который позволял бы свести повреждение биокатализатора в ходе реакции до минимально возможного уровня и оптимизировать продолжительность проводимого в периодическом режиме процесса, а также минимизировать количество побочных продуктов.
Указанная задача решается согласно изобретению с помощью способа получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, заключающегося в том, что протекание реакции контролируют проведением измерений в режиме "он-лайн".
До начала реакции в реактор сначала загружают воду и биокатализатор и нагревают их до температуры от 15 до 25°С, предпочтительно от 16 до 20°С. По достижении необходимой температуры в реактор в дозированных количествах подают акрилонитрил, начиная таким путем его превращение в акриламид. При этом предпочтительно обеспечить протекание всего процесса химического превращения в изотермических условиях, для чего реакционную смесь необходимо охлаждать в течение всего этого процесса химического превращения для отвода от нее теплоты реакции. Способ подобного охлаждения реакционной смеси описан в параллельной заявке WO 02/088373 А2 (внутренний номер дела ST0031), которая тем самым включена в настоящее описание в качестве ссылки и в соответствии с этим является его частью. К моменту начала реакции концентрация биомассы составляет в пересчете на сухое вещество предпочтительно от 0,03 до 2,5 г/л, наиболее предпочтительно от 0,05 до 1 г/л, а значение рН составляет предпочтительно от 6,0 до 8,0, наиболее предпочтительно от 6,5 до 7,5.
В соответствии с изобретением процесс превращения акрилонитрила в акриламид контролируют проведением соответствующих измерений в режиме "он-лайн". Под понятием "измерения в режиме "он-лайн" в контексте настоящего изобретения подразумеваются измерения, заключающиеся в анализе параметров реакционной смеси в непрерывном или полунепрерывном режиме непосредственно на установке. Подобные измерения в режиме "он-лайн" можно проводить с помощью любого пригодного для этой цели измерительного прибора, при этом реакционную смесь предпочтительно непрерывно пропускать через работающий в режиме "он-лайн" измерительный прибор в течение всего процесса химического превращения. Однако для проведения измерений в режиме "он-лайн" предпочтительно использовать инфракрасный спектрометр с Фурье-преобразованием (ИКФП-спектрометр). При создании изобретения неожиданно было установлено, что подобный метод измерений является наиболее приемлемым, даже несмотря на исключительно высокую степень мутности реакционной смеси. При проведении измерений в режиме "он-лайн" с помощью ИКФП-спектрометра его разрешающая способность не должна превышать 8 см-1. Наиболее предпочтительно использовать ИКФП-спектрометр с разрешающей способностью, составляющей 4,0 см-1.
Измерения в режиме "он-лайн" предпочтительно проводить в циркуляционном контуре, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается отбираемая им из реактора часть реакционной смеси. В таком циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, предпочтительно предусмотреть по меньшей мере один теплообменник, позволяющий отводить выделяющуюся в процессе превращения акрилонитрила в акриламид теплоту реакции. В качестве подобного теплообменника предпочтительно использовать многотрубный теплообменник, при прохождении через который реакционная смесь, в чем состоит особое преимущество, не изменяет направление своего движения, что позволяет избежать образования отложений на поверхностях такого теплообменника. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения технические характеристики и место установки насоса и теплообменника(-ов) подбирают с таким расчетом, чтобы, во-первых, предотвратить колебание температуры в реакторе, а во-вторых, избежать слишком интенсивной передачи энергии от насоса реакционной смеси. В качестве насоса предпочтительно использовать насос с боковым каналом и электромагнитной муфтой.
Теплообменник предпочтительно располагать в циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, перед местом проводимых в режиме "он-лайн" измерений, чтобы по возможности обеспечить проведение таких измерений при максимально однородной температуре во избежание появления ошибок измерения, обусловленных колебаниями температуры.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом измерением в режиме "он-лайн" определяют по меньшей мере концентрацию акрилонитрила и акриламида. Концентрацию каждого из этих веществ предпочтительно определять по меньшей мере каждые четыре минуты, наиболее предпочтительно по меньшей мере каждые две минуты.
В течение этого временного интервала 1 спектр предпочтительно регистрировать выполнением 32-х или 64-х циклов сканирования, более предпочтительно 64-х циклов сканирования, суммируя при этом интерферограммы и деля затем полученный результат на количество циклов измерения, и делить на фоновый спектр. Полученный таким путем спектр используют для определения концентрации акрилонитрила, соответственно акриламида.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения результаты проводимых в режиме "он-лайн" измерений используют для регулирования параметров процесса биокаталитического превращения акрилонитрила в акриламид. При этом предпочтительно регулировать концентрацию биокатализатора, температуру и/или концентрацию акрилонитрила. Помимо этого проведением измерений в режиме "он-лайн" можно определить тот момент времени, в который прекращается процесс превращения акрилонитрила в акриламид.
По завершении дозированной подачи акрилонитрила с целью обеспечить максимально полное его превращение в акриламид продолжительность последующей реакции на ее завершающей стадии должна составлять предпочтительно от 4 до 20 мин, наиболее предпочтительно от 5 до 10 мин. Во время этой завершающей стадии реакции интенсивность охлаждения реакционной смеси предпочтительно постепенно снижать за счет ее направления по байпасной линии. Продолжительность завершающей стадии реакции также можно регулировать на основе результатов, полученных при проведении измерений в режиме "он-лайн".
Предлагаемый в изобретении способ можно проводить с использованием любого биокатализатора, катализирующего превращение акрилонитрила в акриламид. Предпочтительно, однако, использовать в качестве биокатализатора штамм Rhodococcus rhodochrous, депонированный в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zeilkulturen GmbH (DSMZ)), расположенной по адресу Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Deutschland, под регистрационным номером DSM 14230.
Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в сохранении активности биокатализатора практически на неизменном уровне в ходе всего процесса превращения акрилонитрила в акриламид, в образовании меньших количеств побочных продуктов, по меньшей мере в практически полном превращении акрилонитрила в акриламид и в возможности получения раствора акриламида, содержание которого в этом растворе достигает 50 мас.%. Предлагаемый в изобретении способ является простым и рентабельным в осуществлении. Предлагаемый в изобретении способ позволяет далее значительно сократить продолжительность реакции. Помимо этого обеспечивается оптимальное использование биокатализатора.
Предлагаемый в изобретении способ предпочтительно осуществлять в устройстве, предназначенном для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора и оснащенном средством измерений в режиме "он-лайн". В соответствии с этим такое устройство также является объектом настоящего изобретения.
В соответствии с изобретением предлагаемое в нем устройство оснащено средством измерений в режиме "он-лайн". Под понятием "измерения в режиме "он-лайн" в контексте настоящего изобретения подразумеваются измерения, заключающиеся в анализе параметров реакционной смеси в непрерывном или полунепрерывном режиме непосредственно на установке. Подобные измерения в режиме "он-лайн" можно проводить с помощью любого пригодного для этой цели измерительного прибора, при этом реакционную смесь предпочтительно непрерывно пропускать через работающий в режиме "он-лайн" измерительный прибор в течение всего процесса химического превращения. Однако в качестве средства измерений в режиме "он-лайн" предпочтительно использовать инфракрасный спектрометр с фурье-преобразованием (ИКФП-спектрометр), поскольку при создании изобретения неожиданно было установлено, что подобный метод измерений является наиболее приемлемым даже несмотря на исключительно высокую степень мутности реакционной смеси. При проведении измерений в режиме "он-лайн" с помощью ИКФП-спектрометра его разрешающая способность не должна превышать 8 см-1. Наиболее предпочтительно использовать ИКФП-спектрометр с разрешающей способностью, составляющей 4,0 см-1.
Средство измерений в режиме "он-лайн" предпочтительно располагать в циркуляционном контуре, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается часть реакционной смеси. Подобный циркуляционный контур предпочтительно соединить с реактором, в котором происходит превращение акрилонитрила в акриламид. В этом циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, предпочтительно предусмотреть по меньшей мере один теплообменник, позволяющий отводить выделяющуюся в процессе превращения акрилонитрила в акриламид теплоту реакции. В качестве такого теплообменника предпочтительно использовать многотрубный теплообменник, при прохождении через который реакционная смесь, в чем состоит особое преимущество, не изменяет направление своего движения, что позволяет избежать образования отложений на поверхностях этого теплообменника. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения технические характеристики и место установки насоса и теплообменника(-ов) подбирают с таким расчетом, чтобы, во-первых, предотвратить колебание температуры в реакторе, а во-вторых, избежать слишком интенсивной передачи энергии от насоса реакционной смеси. В качестве насоса предпочтительно использовать насос с боковым каналом.
Теплообменник предпочтительно располагать в циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, перед средством измерений в режиме "он-лайн", чтобы по возможности обеспечить проведение таких измерений при максимально однородной температуре во избежание появления ошибок измерения, обусловленных колебаниями температуры.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом с помощью средства измерений в режиме "он-лайн" определяют по меньшей мере концентрацию акрилонитрила и акриламида. Концентрацию каждого из этих веществ предпочтительно определять по меньшей мере каждые четыре минуты, наиболее предпочтительно по меньшей мере каждые две минуты.
В течение этого временного интервала 1 спектр предпочтительно регистрировать выполнением 32-х или 64-х циклов сканирования, более предпочтительно 64-х циклов сканирования, суммируя при этом интерферограммы и деля затем полученный результат на количество циклов измерения, и делить на фоновый спектр. Полученный таким путем спектр используется для определения концентрации акрилонитрила, соответственно акриламида.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения результаты, полученные средством измерений в режиме "он-лайн", используются для регулирования параметров процесса биокаталитического превращения акрилонитрила в акриламид. При этом предпочтительно регулировать концентрацию биокатализатора, температуру и/или концентрацию акрилонитрила. Помимо этого с помощью средств измерений в режиме "он-лайн" можно определить тот момент времени, в который прекращается процесс превращения акрилонитрила в акриламид.
По завершении дозированной подачи акрилонитрила с целью обеспечить максимально полное его превращение в акриламид продолжительность последующей реакции на ее завершающей стадии должна составлять предпочтительно от 4 до 20 мин, наиболее предпочтительно от 5 до 10 мин. Во время этой завершающей стадии реакции интенсивность охлаждения реакционной смеси предпочтительно постепенно снижать за счет ее направления по байпасной линии. Продолжительность завершающей стадии реакции также можно регулировать на основе результатов, полученных с помощью средства измерений в режиме "он-лайн".
Преимущество предлагаемого в изобретении устройства состоит в сохранении активности биокатализатора практически на неизменном уровне в ходе всего процесса превращения акрилонитрила в акриламид, в образовании меньших количеств побочных продуктов, по меньшей мере в практически полном превращении акрилонитрила в акриламид и в возможности получения раствора акриламида, содержание которого в этом растворе достигает 50 мас.%. Предлагаемое в изобретении устройство является простым и не дорогим в реализации. Предлагаемое в изобретении устройство позволяет далее значительно сократить продолжительность реакции. Помимо этого обеспечивается оптимальное использование биокатализатора.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый чертеж. Приведенные в последующем описании пояснения носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают объем изобретения.
На прилагаемом к описанию чертеже показана технологическая схема, иллюстрирующая предлагаемый в изобретении способ, соответственно показаны элементы предлагаемого в изобретении устройства. Перед началом собственно процесса превращения акрилонитрила в акриламид в реактор 3 предварительно заливают полностью обессоленную воду 1 и суспензию 2, содержащую биокатализатор. Содержимое реактора 3 перемешивают до гомогенного состояния с помощью мешалки 16 с приводом от электродвигателя. Снаружи реактора 3 на нем расположены охлаждающие змеевики 17, соединенные с линией 5 подачи охлаждающей воды и линией 4 отвода охлаждающей воды. Для специалиста в данной области очевидно, что подобные охлаждающие змеевики позволяют также предварительно нагревать содержимое реактора до определенной температуры перед началом собственно проводимой в нем реакции.
Реактор 3 оборудован далее циркуляционным контуром 18, по которому насосом 7 с боковым каналом и с электромагнитной муфтой по замкнутому циклу перекачивается часть содержимого реактора. В этом циркуляционном контуре 18 предусмотрено три соединенных между собой по параллельной схеме многотрубных теплообменника 6, позволяющих нагревать, соответственно охлаждать, содержимое реактора. Эти теплообменники 6 также соединены по последовательной схеме с линией подачи охлаждающей воды, соответственно с линией отвода охлаждающей воды. В циркуляционном контуре предусмотрена далее байпасная линия 15, позволяющая направлять содержимое реактора в обход теплообменников 6. Соответствующие клапаны на чертеже не показаны. В циркуляционный контур, кроме того, встроен инфракрасный спектрометр 9 с Фурье-преобразованием (ИКФП-спектрометр), предназначенный для измерения в режиме "он-лайн" концентрации акрилонитрила и акриламида в перекачиваемом по этому циркуляционному контуру 18 потоке и тем самым в содержимом реактора 3. Направляемый на анализ поток отбирается из циркуляционного контура 18 и насосом 8 с поршнем мембранного типа непрерывно подается в ИКФП-спектрометр 9, где он подвергается соответствующему анализу. В рассматриваемом примере ИКФП-спектрометр представляет собой прибор Avatar System 360 фирмы Nicolet (немецкий филиал которой расположен в г.Оффенбах, Германия). Этот спектрометр за 1,5 мин регистрирует один спектр, выполняя 64 цикла сканирования. Полученный таким путем спектр используется для определения конкретной концентрации акрилонитрила, соответственно акриламида. Разрешающая способность спектрометра составляет 4 см-1. По истечении 2 мин регистрируется следующий спектр, что позволяет каждые две минуты получать результаты измерений концентрации акриламида и акрилонитрила. Эти результаты измерений используются для управления технологическим процессом. К потоку материала, перекачиваемого по циркуляционному контуру 18, на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой его входа обратно в реактор 3, с помощью мембранного насоса-дозатора 11 добавляется подвергаемый превращению в акриламид акрилонитрил, забираемый из содержащей его запас расходной емкости 10. Верхние, содержащие газовую фазу части расходной емкости 10 с акрилонитрилом и реактора 3 соединены между собой уравнительной линией 19. Эту линию 19 открывают перед началом дозированной подачи акрилонитрила и вновь перекрывают по завершении дозированной подачи акрилонитрила. По завершении реакции водный акриламид отделяют от биомассы в центрифуге 12 с кольцевым зазором, после чего водный акриламид 20 поступает в сборник 13, а биомасса - в сборник 14.
1. Способ получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, отличающийся тем, что протекание реакции контролируют проведением измерений в режиме «он-лайн» методом инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидратацию проводят в реакторе, оснащенном циркуляционным контуром, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивают часть реакционной смеси и в котором проводят измерения в режиме «он-лайн»,
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в циркуляционном контуре, по которому перекачивают часть реакционной смеси, перед местом проводимых в режиме «он-лайн» измерений предусмотрен по меньшей мере один теплообменник.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве теплообменника используют многотрубный теплообменник, в котором охлаждают реакционную смесь предпочтительно без изменения при этом направления ее движения.
5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что технические характеристики насоса и место его установки, а также площадь рабочих поверхностей теплообменника(-ов) подбирают с таким расчетом, чтобы избежать значительных колебаний температуры при проведении измерений в режиме «он-лайн» и слишком интенсивной передачи энергии от насоса реакционной смеси.
6. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что измерением в режиме «он-лайн» определяют концентрацию акрилонитрила и/или акриламида.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что концентрацию акрилонитрила и/или акриламида определяют по меньшей мере каждые 4 мин, предпочтительно каждые 2 мин.
8. Способ по одному из пп.1-4, 7, отличающийся тем, что на основе результатов проводимых в режиме «он-лайн» измерений регулируют параметры технологического процесса, предпочтительно концентрацию акрилонитрила, концентрацию биокатализатора и/или температуру.
9. Способ по одному из пп.1-4, 7, отличающийся тем, что в качестве биокатализатора используют штамм Rhodococcus rhodochrous, депонированный в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zeilkulturen GmbH (DSMZ)), расположенной по адресу Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Deutschland, под регистрационным номером DSM 14230.
10. Устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, отличающееся тем, что оно оснащено инфракрасным спектрометром с фурье-преобразованием в качестве средства для измерений в режиме «он-лайн».
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в его состав входит реактор с циркуляционным контуром, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается часть реакционной смеси и в котором расположено средство измерений в режиме «он-лайн».
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, перед средством измерений в режиме «он-лайн» предусмотрен по меньшей мере один теплообменник.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что теплообменник представляет собой многотрубный теплообменник.
14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что насос представляет собой насос с боковым каналом.
15. Устройство по одному из пп.10-14, отличающееся тем, что средство измерений в режиме «он-лайн» позволяет определять концентрацию акрилонитрила и/или акриламида.
16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что предусмотрена возможность определения концентрации акрилонитрила и/или акриламида по меньшей мере каждые 4 мин, предпочтительно каждые 2 мин.
