Способ получения водного раствора акриламида с использованием биокатализатора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА АКРИЛАМИДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОКАТАЛИЗАТОРА(57) 1. Способ получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, при котором реакционную смесь, содержащую акрилонитрил, биокатализатор и воду, перемешивают в реакторе, имеющем систему охлаждения и циркуляционный контур, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивают часть реакционной смеси и в котором предусмотрен, по меньшей мере,12110 1 2009.08.30 один теплообменник, отличающийся тем, что акрилонитрил непрерывно подают в перекачиваемый по циркуляционному контуру поток в точке, расположенной перед точкой возврата реакционной смеси обратно в реактор, и при этом измеряют концентрацию акрилонитрила и/или акриламида в перекачиваемом по циркуляционному контуру потоке перед точкой добавления к этому потоку акрилонитрила. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют реактор, имеющий систему охлаждения, которая предпочтительно образована размещенными снаружи него змеевиками полукруглого сечения. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве теплообменника используют многотрубный теплообменник, в котором охлаждают реакционную смесь, предпочтительно без изменения при этом направления ее движения. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве насоса используют насос с боковым каналом. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для подачи акрилонитрила предпочтительно используют насос с поршнем мембранного типа и с регулируемой частотой вращения. 6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что содержимое реактора перед подачей акрилонитрила нагревают до температуры реакции. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по завершении подачи акрилонитрила реакционную смесь направляют по байпасной линии для снижения интенсивности охлаждения. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что продолжительность реакции по завершении подачи акрилонитрила составляет еще от 4 до 20 мин, предпочтительно от 5 до 10 мин. 9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что протекание реакции контролируют проведением измерений в режиме он-лайн. 10. Способ по п. 1 или 9, отличающийся тем, что измерения проводят с использованием инфракрасного спектрометра с Фурье-преобразованием. 11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что на основе результатов измерений в режиме он-лайн управляют протеканием реакции. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что регулируют количество подаваемого акрилонитрила, расход перекачиваемого по циркуляционному контуру потока, количество направляемой по байпасной линии реакционной смеси и/или продолжительность завершающей стадии реакции. 13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что в качестве биокатализатора используют. 14. Устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, имеющее реактор с системой охлаждения и циркуляционным контуром, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается часть реакционной смеси и в котором предусмотрен, по меньшей мере,один теплообменник, при этом в циркуляционном контуре на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой возврата реакционной смеси обратно в реактор, предусмотрена точка подачи акрилонитрила и встроено средство измерений в режиме он-лайн, предназначенное для определения концентрации акрилонитрила и/или акриламида в перекачиваемом по этому циркуляционному контуру потоке. 15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что реактор имеет систему охлаждения,которая предпочтительно выполнена в виде размещенных снаружи реактора змеевиков полукруглого сечения. 16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что теплообменник представляет собой многотрубный теплообменник. 17. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что насос представляет собой насос с боковым каналом. 12110 1 2009.08.30 18. Устройство по любому из пп. 14-17, отличающееся тем, что выполнено с возможностью направления реакционной смеси, по меньшей мере, частично в обход теплообменника по байпасной линии. 19. Устройство по п. 14 или 18, отличающееся тем, что в качестве средства измерений в режиме он-лайн содержит инфракрасный спектрометр с Фурье-преобразованием. 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 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 минимизировать количество побочных продуктов,а также оптимизировать продолжительность проводимого в периодическом режиме процесса. Указанная задача решается согласно изобретению с помощью способа получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, при котором реакционную смесь, содержащую акрилонитрил,биокатализатор и воду, перемешивают в реакторе, имеющем систему охлаждения и циркуляционный контур, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивают часть реакционной смеси и в котором предусмотрен, по меньшей мере, один теплообменник,причем акрилонитрил непрерывно подают в перекачиваемый по циркуляционному контуру поток в точке, расположенной перед точкой возврата реакционной смеси обратно в реактор, и при этом измеряют концентрацию акрилонитрила и/или акриламида в перекачиваемом по циркуляционному контуру потоке перед точкой добавления к этому потоку акрилонитрила. В предпочтительном варианте используют реактор, имеющий систему охлаждения, которая предпочтительно образована размещенными снаружи него змеевиками полукруглого сечения, и предпочтительно в качестве теплообменника используют многотрубный теплообменник, в котором охлаждают реакционную смесь, предпочтительно без изменения при этом направления ее движения, а в качестве насоса используют насос с боковым каналом. В предпочтительном варианте для подачи акрилонитрила используют насос с поршнем мембранного типа и с регулируемой частотой вращения. Предпочтительно содержимое реактора перед подачей акрилонитрила нагревают до температуры реакции. В предпочтительном варианте по завершении подачи акрилонитрила реакционную смесь направляют по байпасной линии для снижения интенсивности охлаждения. Предпочтительно продолжительность реакции по завершении подачи акрилонитрила составляет еще от 4 до 20 минут, предпочтительно от 5 до 10 минут. В любом предпочтительном варианте контролируют проведение измерений в режиме он-лайн и предпочтительно измерения проводят с использованием инфракрасного спектрометра с Фурье-преобразованием. 3 12110 1 2009.08.30 На основе результатов измерений в режиме он-лайн управляют протеканием реакции, предпочтительно регулируют количество подаваемого акрилонитрила, расход перекачиваемого по циркуляционному контуру потока, количество направляемой по байпасной линии реакционной смеси и/или продолжительность завершающей стадии реакции. В качестве биокатализатора предпочтительно используют. Объектом изобретения является также устройство для получения водного раствора акриламида путем гидратации акрилонитрила в водном растворе в присутствии биокатализатора, имеющее реактор с системой охлаждения и циркуляционным контуром, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается часть реакционной смеси и в котором предусмотрен, по меньшей мере, один теплообменник, при этом в циркуляционном контуре на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой возврата реакционной смеси обратно в реактор, предусмотрена точка подачи акрилонитрила и встроено средство измерений в режиме он-лайн, предназначенное для определения концентрации акрилонитрила и/или акриламида в перекачиваемом по этому циркуляционному контуру потоке. Реактор имеет систему охлаждения, которая предпочтительно выполнена в виде размещенных снаружи реактора змеевиков полукруглого сечения. Предпочтительно теплообменник представляет собой многотрубный теплообменник. Насос представляет собой насос с боковым каналом. В предпочтительном варианте устройство выполнено с возможностью направления реакционной смеси, по меньшей мере, частично в обход теплообменника по байпасной линии. В качестве средства измерений в режиме он-лайн устройство содержит инфракрасный спектрометр с Фурье-преобразованием. До начала реакции в реактор сначала загружают полностью обессоленную 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. 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 реакторе предпочтительно установить мешалку, обеспечивающую интенсивное и гомогенное перемешивание его содержимого. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов реактор оборудован размещенными снаружи него змеевиками полукруглого сечения, позволяющими дополнительно охлаждать реакционную смесь в процессе превращения акрилонитрила в акриламид. В соответствии с изобретением реактор оборудован циркуляционным контуром, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивают часть реакционной смеси. В этом циркуляционном контуре, по которому перекачивают часть реакционной смеси, предусмотрен, 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), а также площадь рабочих поверхностей теплообменника(ов) подбирают с таким расчетом, чтобы, во-первых, предотвратить колебание температуры в реакторе, а во-вторых, избежать 12110 1 2009.08.30 слишком интенсивной передачи энергии от насоса реакционной смеси. В качестве насоса предпочтительно использовать насос с боковым каналом и электромагнитной муфтой. Акрилонитрил предпочтительно подавать в циркуляционный контур, по которому перекачивают часть реакционной смеси, наиболее предпочтительно на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой возврата реакционной смеси обратно в реактор. Акрилонитрил предпочтительно подавать в дозированных количествах в непрерывном режиме. При создании изобретения было установлено, что в качестве насосадозатора для дозированной подачи акрилонитрила наиболее предпочтительно использовать насос с поршнем мембранного типа и с регулируемой частотой вращения. 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. Протекание реакции в реакторе для оптимизации условий ее проведения предпочтительно контролировать проведением измерений в режиме он-лайн. Подобные измерения позволяют исключительно быстро согласовывать условия проведения реакции с возможными изменениями. Измерения в режиме он-лайн предпочтительно проводить в циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, перед точкой добавления к перекачиваемому по нему потоку акрилонитрила, при этом предпочтительно контролировать в непрерывном режиме концентрацию акрилонитрила и/или акриламида. При создании изобретения было установлено, что для проведения измерений в режиме он-лайн предпочтительно использовать инфракрасный спектрометр с Фурьепреобразованием (ИКФП-спектрометр). Результаты таких проводимых в режиме он-лайн измерений можно использовать для управления процессом превращения акрилонитрила в акриламид. При этом предпочтительно регулировать количество подаваемого акрилонитрила расход перекачиваемого по циркуляционному контуру потока, количество направляемой по байпасной линии реакционной смеси и продолжительность завершающей стадии реакции. 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 возможности снизить до минимального уровня повреждение биокатализатора в процессе превращения акрилонитрила в акриламид и тем самым минимизировать количество используемого для превращения акрилонитрила в акриламид биокатализатора, 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 имеющем реактор, циркуляционный контур, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается часть 5 12110 1 2009.08.30 реакционной смеси, и, по меньшей мере, один теплообменник, который расположен в этом циркуляционном контуре. В соответствии с этим такое устройство также является объектом настоящего изобретения. В реакторе предпочтительно установить мешалку, обеспечивающую интенсивное и гомогенное перемешивание его содержимого. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов реактор оборудован размещенными снаружи него змеевиками полукруглого сечения, позволяющими дополнительно охлаждать реакционную смесь в процессе превращения акрилонитрила в акриламид. В соответствии с изобретением реактор оборудован циркуляционным контуром, по которому по замкнутому циклу насосом перекачивается часть реакционной смеси. В этом циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, предусмотрен, 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 со следующим предпочтительным вариантом 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. Акрилонитрил предпочтительно подавать в циркуляционный контур, по которому перекачивают часть реакционной смеси, наиболее предпочтительно на том его участке, который расположен непосредственно перед точкой возврата реакционной смеси обратно в реактор. Акрилонитрил предпочтительно подавать в дозированных количествах в непрерывном режиме. При создании изобретения было установлено, что в качестве насосадозатора для дозированной подачи акрилонитрила наиболее предпочтительно использовать насос с поршнем мембранного типа и с регулируемой частотой вращения. 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. Протекание реакции в реакторе для оптимизации условий ее проведения предпочтительно контролировать проведением измерений в режиме он-лайн с помощью соответствующего средства измерений. Подобные измерения позволяют исключительно быстро согласовывать условия проведения реакции с возможными изменениями. Измерения в режиме он-лайн предпочтительно проводить в циркуляционном контуре, по которому перекачивается часть реакционной смеси, перед точкой добавления к перекачиваемому по нему потоку акрилонитрила, при этом предпочтительно контролировать в непрерывном режиме концентрацию акрилонитрила и/или акриламида. При создании изобретения было установлено, что для проведения измерений в режиме он-лайн в качестве соответствующего средства измерений предпочтительно использовать инфракрасный спектрометр с Фурье-преобразованием (ИКФП-спектрометр). Результаты таких проводимых в режиме он-лайн измерений можно использовать для управления процессом превращения акрилонитрила в акриламид. При этом предпочтительно регулировать количество подаваемого акрилонитрила, расход перекачиваемого по циркуляционному контуру потока, количество направляемой по байпасной линии реакционной смеси и продолжительность завершающей стадии реакции. 6 12110 1 2009.08.30 Преимущество предлагаемого в изобретении устройства состоит в возможности снизить до минимального уровня повреждение биокатализатора в процессе превращения акрилонитрила в акриламид и тем самым минимизировать количество используемого для превращения акрилонитрила в акриламид биокатализатора, 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. 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. Результаты этого анализа 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 поступает в сборник 13, а биомасса - в сборник 14. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7