Способ и устройство для получения водного раствора акриламида с использованием биокатализатора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА АКРИЛАМИДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОКАТАЛИЗАТОРА(57) 1. Способ получения водного раствора акриламида, заключающийся в том, что проводят гидратацию акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, в качестве которого используют штамм, депонированный под регистрационным номером 14230 в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур ((,11739 1 2009.04.30 после завершения реакции указанный биокатализатор отделяют от водного раствора акриламида в течение промежутка времени, меньшего или равного 2 часам, при помощи работающей, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифуги с автоматической разгрузкой, при этом осветленную жидкую среду, сливаемую из центрифуги, контролируют с помощью фотоэлектрического барьера и результаты контроля используют для управления работой центрифуги. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве центрифуги используют центрифугу с кольцевым зазором. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что биокатализатор перед его отделением подвергают флокуляции. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве флокулянта используют сульфат алюминия. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве флокулянта используют анионный полимер. 6. Способ по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что флокуляцию проводят при значении рН в пределах от 6,8 до 8,0, предпочтительно от 7,0 до 7,5. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что значение рН водного раствора акриламида после его отделения от биокатализатора устанавливают в пределах от 4,5 до 7,0, предпочтительно от 5,5 до 6,5. 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что из отделенного биокатализатора удаляют акриламид путем, по меньшей мере, однократной, предпочтительно многократной, промывки. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что для промывки используют деионизированную воду. 10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что концентрация акриламида в биокатализаторе составляет менее 10 частей на миллион, предпочтительно менее 5 частей на миллион. 11. Способ по любому из пп. 8-10, отличающийся тем, что промывочную воду возвращают обратно в технологический цикл. 12. Способ по любому из пп. 8-11, отличающийся тем, что биокатализатор после его промывки подвергают стерилизации. 13. Устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, характеризующееся тем,что содержит реактор и предназначенную для отделения биокатализатора от водного раствора акриламида центрифугу, выполненную с возможностью работы, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме с автоматической разгрузкой и содержащую фотоэлектрический барьер, с помощью которого контролируют осветленную жидкую среду, сливаемую из центрифуги, причем результаты контроля используют для управления работой центрифуги. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что в качестве центрифуги содержит центрифугу с кольцевым зазором. 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 3017005 С 2, согласно которой предусмотрено использование иммобилизованного биокатализатора. В заявках 4480132 С 2 и ЕР 0188316 В 1 описаны особые биокатализаторы, используемые для превращения акрилонитрила в акриламид. В патенте 5334519 2 11739 1 2009.04.30 описан способ гидратации акрилонитрила до акриламида в присутствии биокатализаторов и ионов кобальта. Всем этим известным техническим решениям присущ общий недостаток, состоящий в образовании нежелательных побочных продуктов. Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ, который обладал бы максимально возможной экологичностью и позволял бы минимизировать количество образующихся при его осуществлении побочных продуктов. Указанная задача решается, согласно изобретению, с помощью способа получения водного раствора акриламида, заключающегося в том, что проводят гидратацию акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, в качестве которого используют штамм, депонированный под регистрационным номером 14230 в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур ((, после завершения реакции указанный биокатализатор отделяют от водного раствора акриламида в течение промежутка времени, меньшего или равного 2 часам, при помощи работающей, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифугис автоматической разгрузкой, при этом осветленную жидкую среду, сливаемую из центрифуги, контролируют с помощью фотоэлектрического барьера и результаты контроля используют для управления работой центрифуги. В предпочтительном варианте выполнения способа по изобретению в качестве центрифуги используют центрифугу с кольцевым зазором. Биокатализатор перед его отделением подвергают флокуляции, в качестве флокулянта используют сульфат алюминия или анионный полимер. Флокуляцию проводят при значении рН в пределах от 6,8 до 8,0, предпочтительно от 7,0 до 7,5. Значение рН водного раствора акриламида после его отделения от биокатализатора устанавливают в пределах от 4,5 до 7,0, предпочтительно от 5,5 до 6,5. Из отделенного биокатализатора удаляют акриламид путем, по меньшей мере, однократной, предпочтительно многократной, промывки, для которой используют деионизированную воду. Предпочтительно концентрация акриламида в биокатализаторе составляет менее 10 частей на миллион, предпочтительно менее 5 частей на миллион. Промывочную воду возвращают обратно в технологический цикл, а биокатализатор после его промывки подвергают стерилизации. Еще одним объектом изобретения является устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, содержащее реактор и предназначенную для отделения биокатализатора от водного раствора акриламида центрифугу, выполненную с возможностью работы, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме с автоматической разгрузкой и содержащую фотоэлектрический барьер, с помощью которого контролируют осветленную жидкую среду, сливаемую из центрифуги, причем результаты контроля используют для управления работой центрифуги. Предпочтительно устройство в качестве центрифуги содержит центрифугу с кольцевым зазором. 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 02/088373 А 2 (внутренний номер дела 3 11739 1 2009.04.30 0031), 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 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 6,8 до 7,5. 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. В контексте настоящего изобретения реакция завершается в тот момент, когда остаточное содержание акрилонитрила в растворе акриламида составляет менее 10 част./млн,предпочтительно менее 5 част./млн. В соответствии с изобретением биокатализатор отделяют от водного раствора акриламида по истечении не более 2 часов, предпочтительно не более 1 часа, после завершения реакции. Для отделения биокатализатора предпочтительно использовать трубчатую центрифугу типа той, которая описана, например, у .-.в публикации ,- . Эта публикация, которая распространяется фирмой, расположенной по адресу 1,-59302 , тем самым включена в настоящее описание в качестве ссылки и в соответствии с этим является его частью. Для отделения биокатализатора равным образом предпочтительно использовать работающую, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифугу с автоматической разгрузкой. В качестве такой центрифуги наиболее предпочтительно использовать центрифугу с кольцевым зазором типа той, которая описана, например, у .-.в публикации , - . В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается контролировать с помощью оптического средства параметры осветленной жидкой среды, сливаемой из центрифуги. В качестве такого оптического средства предпочтительно использовать фотоэлектрический барьер (оптопару), который настроен на требуемую степень мутности акриламида в осветленной жидкой среде. Подобный фотоэлектрический барьер встроен в сливную арматуру центрифуги и просвечивает сливаемый из центрифуги водный раствор акриламида. Этот фотоэлектрический барьер состоит из источника света и приемника. Интенсивность излучаемого источником света предпочтительно настраивать на такую величину, чтобы световой луч даже в результате его ослабления из-за поглощения света в просвечиваемом им водном растворе акриламида все еще мог достигать приемника с остаточной интенсивностью, которой достаточно для того, чтобы сигнализировать приемнику о достаточной степени отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. По мере увеличения степени поглощения света, что обусловлено начинающимся помутнением раствора из-за увеличения в нем концентрации биокатализатора, интенсивность света снижается, и в результате приемник выдает сигнал, свидетельствующий об уже недостаточной степени отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. Этот сигнал предпочтительно использовать для управления работой центрифуг. По этому сигналу предпочтительно регулировать периодичность разгрузки или очистки центрифуг. Биокатализатор перед его отделением от водного раствора акриламида предпочтительно подвергать флокуляции. Подобную флокуляцию можно проводить непосредственно в реакторе, в котором также происходит превращение акрилонитрила в акриламид. Предпочтительно, однако, проводить флокуляцию в отдельном коагуляторе. Для флокуляции можно использовать любой пригодный для этой цели флокулянт. Предпочтительно,однако, использовать для флокуляции сульфат алюминия и/или анионный полимер. В ка 4 11739 1 2009.04.30 честве примера пригодных для этой цели анионных полимеров можно назвать продукты 2510 или 2530 фирмы. . Флокуляцию предпочтительно проводить при значении рН в пределах от 6,8 до 8,0,наиболее предпочтительно в пределах от 7,0 до 7,5. Значение рН водного раствора акриламида после его отделения от биокатализатора,представляющего собой биомассу, предпочтительно устанавливать на величину в пределах от 4,5 до 7,0, наиболее предпочтительно в пределах от 5,5 до 6,5. В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения биокатализатор, по меньшей мере, практически полностью отделяют от акриламида путем, по меньшей мере, однократной, наиболее предпочтительно многократной,промывки и отделения промывочной воды от акриламида. Для подобной промывки предпочтительно использовать полностью обессоленную воду. Равным образом биокатализатор предпочтительно промывать до тех пор, пока концентрация акриламида в биокатализаторе не станет менее 10 част./млн, наиболее предпочтительно менее 5 част./млн. Содержащую акриламид промывочную воду возвращают в технологический цикл и,например, подают в реактор перед началом реакции. В этой воде затем до начала собственно превращения акрилонитрила в акриламид суспендируют биокатализатор. После промывки биокатализатор предпочтительно подвергать стерилизации и после этого направлять на утилизацию в виде обычных биологических (органических) отходов. Стерилизацию предпочтительно проводить путем кратковременного нагрева биокатализатора до температуры более 80 С. Предлагаемый в изобретении способ можно проводить с использованием любого биокатализатора, катализирующего превращение акрилонитрила в акриламид. Предпочтительно, однако, использовать в качестве биокатализатора штамм,депонированный в Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур ((, расположенной по адресу, -38124 , , под регистрационным номером 14230. Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит 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. Помимо этого обеспечивается оптимальное использование биокатализатора, который допускает возможность его утилизации аналогично обычным биологическим (органическим) отходам. Еще одно преимущество состоит в наличии возможности возвращать используемую для промывки биокатализатора воду обратно в технологический цикл. Предлагаемый в изобретении способ предпочтительно осуществлять в устройстве,предназначенном для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора и имеющем реактор и трубчатую центрифугу для отделения биокатализатора от водного раствора акриламида. Трубчатые центрифуги, которые могут использоваться в предлагаемом в изобретении устройстве, описаны у .-.в публикации ,. В качестве работающей, по меньшей мере, в полунепрерывном режиме центрифуги также предпочтительно использовать центрифугу с кольцевым зазором и с автоматической разгрузкой или тарельчатую центрифугу с кольцевым зазором и с автоматической разгрузкой типа тех, которые описаны, например, у .-.в публикации, - . Регулирование работы центрифуг рассмотрено в приведенном выше описании. 11739 1 2009.04.30 Преимущество предлагаемого в изобретении устройства состоит 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 недорогим в реализации. Помимо этого обеспечивается оптимальное использование биокатализатора, который допускает возможность его утилизации аналогично обычным биологическим (органическим) отходам. 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 фурьепреобразованием (ИКФП-спектрометр), предназначенный для измерения в режиме онлайн концентрации акрилонитрила и акриламида в перекачиваемом по этому циркуляционному контуру потоке и тем самым в содержимом реактора. 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. Результаты этого анализа используются для управления технологическим процессом. К потоку материала, перекачиваемого по циркуляционному контуру, на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой его входа обратно в реактор, 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 дозированной подачи акрилонитрила с целью обеспечить максимально полное его превращение в акриламид продолжительность последующей реакции на ее завершающей стадии должна составлять от 5 до 20 мин. Эта реакция рассматривается как завершенная в тот момент, когда концентрация акрилонитрила в биокатализаторе составляет менее 10 част./млн. По завершении реакции суспензию перекачивают в отдельную емкость (на чертеже не показана) и биокатализатор при значении рН в пределах от 7,0 до 7,5 подвергают флоку 6 11739 1 2009.04.30 ляции с использованием сульфата алюминия. Далее биокатализатор самое позднее по истечении 1 часа после окончания реакции отделяют от акриламида в работающей в полунепрерывном режиме центрифуге 12 с кольцевым зазором и с автоматической разгрузкой фирмы, расположенной по адресу 1,-59302, . Работу центрифуги с кольцевым зазором регулируют по сигналу фотоэлектрического барьера (на чертеже не показан), который расположен в линии 20. По сигналу этого фотоэлектрического барьера управляют прежде всего полунепрерывной разгрузкой центрифуги. Полученный водный акриламид подают в сборник 13, где его значение рН устанавливают на величину в пределах от 5,5 до 6,5. Биокатализатор подают в сборник 14, после чего его для удаления из него акриламида многократно промывают полностью обессоленной водой, а затем обезвоживают. Промывочную воду возвращают по линии 1 обратно в технологический цикл. Промытый биокатализатор стерилизуют паром и направляют на утилизацию в виде биологических (органических) отходов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7