DE3037009A1

DE3037009A1 - Verfahren zur herstellung von acrylamid aus acrylnitril unter verwendung von mikroorganismen

Info

Publication number: DE3037009A1
Application number: DE19803037009
Authority: DE
Inventors: Ichiro Yokohama Kanagawa Watanabe
Original assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Nitto Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1979-10-04
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1981-04-23
Also published as: FR2466506B1; DE3037009C2; GB2062625A; GB2062625B; FR2466506A1; US4343900A

Description

HOFFMAMT · EITIJS & PARTNER 3 Q 3 7 Q Q

PATENTANWÄLTE ~ . - . ~ >*

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT. IC. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-INC. K. FDCHSLE -Di. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-BOOO MO N CHEN BI · TELEFON (08?) 911087- · TELEX 05-29619 (PATH E)

34 046 o/wa

NITTO CHEMICAL INDUSTRY CO., LTD., TOKYO/JAPAN

Verfahren zur Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Acrylamid unter Verwendung von Mikroorganismen.

Es ist seit langem bekannt, dass Mikroorganismen mit Nitrilaseaktivität für die Hydrolyse von Acrylnitril zu Acrylamid wirksam sind. Geeignete Mikroorganismen sind

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solche der Genera Bacillus, Bacteridium im Sinne von Prevot,, Micrococcus, Brevibacterium im Sinne von Bergey und dergleichen (siehe US-PS 4 001 081). Aus der japanischen Patentveröffentlichung 129 190/1979 ist weiterhin bekannt, dass Mikroorganismen der Genera Corynebacterium und Nocardia zur Hydrolyse von Acrylnitril geeignet sind.

Die Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril unter Verwendung solcher Mikroorganismen wird durchgeführt, indem man den Mikroorganismus,so wie er ist oder nachdem man ihn in einem polymeren Gel fixiert hat, in einem wässrigen Medium (z.B. Wasser., einer physiologischen Kochsalzlösung, einer Phosphatpufferlösung und dergleichen) mit Acrylnitril in Berührung bringt. In neuerer Zeit haben Mikroorganismusreaktionen, die absatzweise oder kontinuierlich durchgeführt werden, unter Verwendung von granulären fixierten Zellen grosse Bedeutung erlangt, um eine Eluierung von Verunreinigungen aus den Zellen zu vermeiden, um die Zellen aus einer Reaktions·- lösung abtrennen zu können und um die Zellen mehrfach wiederverwenden zu können, wie auch zur Erhöhung der Stabilität von Enzymen. Bei der Herstellung von Acrylamid unter Verwendung von Mikroorganismen sind solche Verfahren, bei denen an Granulaten fixierte Zellen verwendet werden, wirtschaftlich von Interes-se und 3S ist deshalb auch schon von den Erfindern in der japanischen Patentveröffentlichung 143 593/1979 vorgeschlagen worden. Acrylamid in kontinuierlichen Säulen herzustellen unter Verwendung von Zellen, die mittels eines Polyacrylamidgels fixiert sind.

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Die Verwendung eines wässrigen Mediums, wie der vorerwähnten physiologischen Kochsalzlösung oder einer Phosphatpufferlösung, wird nicht bevorzugt, weil die gebildete wässrige Acrylamidlösung grosse Mengen an Natriumchlorid oder Phosphorsäuresalzen und dergleichen enthält und dadurch die Qualität von Acrylamid verschlechtert wird. Wenn man Acrylamid aus einer phosphorsäure-Salzhaltigen Lösung unter Bildung von Polymeren auf Basis von Acrylamid mit hohem Polymerisationsgrad polymerisiert, so neigt das gebildete Polymer auf Acrylamidbasis dazu, wasserunlöslich zu werden. Deshalb ist eine Nachbehandlung, wie einen Ionenaustauschbehandlung und dergleichen, erforderlich, um vor der Polymerisation Phosphorsäuresalze zu entfernen. Damit geht der Vorteil verloren, dass man eine hochqualitative wässrige Acrylamidlösung ohne spezielle Reinigungsstufe erhalten kann, denn gerade dies ist ein Merkmal bei der Herstellung von Acrylamid unter Verwendung von fixierten Zellen. Der Vorteil der Verwendung von fixierten Zellen als ein billiges Verfahren zur Herstellung von Acrylamid ist dann nicht mehr vorhanden.

Wenn man andererseits die physiologische Kochsalzlösung oder die Phosphatpufferlösung oder dergleichen nicht als wässriges Medium verwendet, so quellen die fixierten Zellen an und die Enzymaktivität der Zellen geht schnell verloren. Bei einer kontinuierlichen Hydratisierungsreaktion von Acrylnitril unter Verwendung einer ntikroorganismuszellenbeladenen Säule, wobei die Zellen durch die Geleinhüllungsmethode fixiert sind, quellen die. fixierten Zellen in der Säule innerhalb kürzester Zeit nach Beginn der Reaktion an und dann wird die Durchführung

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des Verfahrens erheblich erschwert oder unmöglich.

Obwohl der Grund, warum die fixierten Zellen während der Hydratisierungsreaktion quellen, nicht klar ist, nimmt man an, dass dies auf den Unterschied im osmotischen Druck zwischen der Aussenseite und der Innenseite der fixierten Zellen, der aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen an Acrylnitril und Acrylamid zwischen der Aussenseite und der Innenseite der Zellen verursacht wird, beruht. Dieser Unterschied tritt ein, wenn Acrylnitril in die Innenseite der fixierten Zellen eintritt und zu Acrylamid umgewandelt bzw. hydratisiert wird, und das so gebildete Acrylamid dann aus den fixierten Zellen austritt. Man nimmt weiterhin an, dass aufgrund der Tatsache, dass die Enzyme aus der Zelle wegen des Quellens aussickern und dass man eine stabile Konformation in normalen Zellen, in denen das Enzym nicht gequollen wird, nicht aufrechterhalten kann. Man nimmt daher an, dass bei der Durchführung der Reaktion in einem isotonischen Medium aus einer physiologischen Kochsalzlösung oder einer Phosphatpufferlösung oder dergleichen kein grosser Unterschied im osmotischen Druck zwischen der Aussenseite und der Innenseite der fixierten Zellen eintritt und dass man dadurch das Quellen der Zellen verhindern kann.

Aufgrund von Untersuchungen des vorerwähnten Problems wurde nun gefunden, dass man bei der biologischen Umwandlung von Acrylnitril in Acrylamid in einem wässrigen Medium eine wässrige Acrylamidlosung hoher Qualität als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Polymeren erhalten kann, wenn man dem wässrigen Medium eine geringe Menge

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wenigstens einer Verbindung aus der Gruppe Alkalicarbonate und Alkalibicarbonate, vorzugsweise in Kombination mit einer organischen Carbonsäure _T zuführt und dass man das Quellen von fixierten Zellen inhibieren und die Enzymaktivität über lange Zeiträume aufrechterhalten kann, und dass man weiterhin die Hydratisierungsreaktion nach der kontinuierlichen Säulenmethode unter Verwendung von fixierten Zellen während langer Zeiträume wirksam durchführen kann.

Erfindungsgemäss wird deshalb ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril in einem wässrigen Medium unter Verwendung von Mikroorganismen mit Nitrilaseaktivität beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Alkalicarbonate und Alkalibicarbonate zu dem wässrigen Medium zugibt und zwar alleine oder in Kombination mit einer organischen Carbonsäure.

Erfindungsgemäss kann man jeden Mikroorganismus, der in der Lage ist, Acrylnitril zu Acrylamid zu hydrolysieren, unabhängig von der taxonomischen Klassifizierung, verwenden. Geeignete, vorzugsweise verwendete Stämme sind beispielsweise'Stamm N-771 vom Genus Corynebacterium, beschrieben in der japanischen Patentanmeldung 129 190/ 1979 (beim Fermentation Research Institute, the Agency of Industrial Science and Technology, Chiba, Japan unter der Hinterlegungsnuinmer 4445 hinterlegt) , Stamm N-774 vom Genus Corynebacterium (hinterlegt unter der Hinterlegungsnummer 4446) und der Stamm N-775 vom Genus Nocardia (hinterlegt unter der Hinterlegungsnummer 4447).

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Zum Fixieren dieser Mikroorganismen kann man die Einhüllungsmethode unter Verwendung von Gelen, wie Polymeren auf Acrylamidbasis, Collagen, Gelatine, Carrageenan, Agar und dergleichen verwenden. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Einhüllungsfixierung unter Verwendung von Polymergelen auf Acrylamidbasis besonders bevorzugt hinsichtlich der Bildung von Acrylamid. Unter "Polymeren auf Acrylamidbasis" werden solche Polymere Verstanden, die als Hauptkomponente Acrylamid, Methacrylamid und dergleichen enthalten und die-gewünschtenfalls andere ethylenisch ungesättigte Monomere, die mit der Hauptkomponente copolymerisierbar sind, enthalten.

Die Herstellung der fixierten Zellen kann in üblicher Weise vorgenommen werden. Bei Verwendung von Polyacrylamidgel wird monomeres Acrylamid und monomeres N,N¹-Methylenbisacrylamid mit einer einer Glutaraldehydbehandlung unterworfenen Zellsuspension vermischt, dazu werden Polymerisationskatalysatoren aus Kaliumpersulfat und Dimethylaminopropionitril gegeben und dann wird die Umsetzung während 30 bis 60 Minuten und bei einer Temperatur von O bis 1O°C bei einem pH von 6,5 bis 8,5 durchgeführt. Auf diese Weise erhält man einen festen Gel, welcher die Zellen enthält, d.h. fixierte Zellen, die in einem Acrylamidgel eingehüllt sind.

Geeignete Alkalicarbonate und Alkalibicarbonate, die erfindungsgemäss dem wässrigen Medium zugegeben werden, sind Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Natriumbicarbonat und Kaliumbicarbonat. Die Menge des zugegebenen Alkalicarbonate oder Alkalibicarbonats beträgt 0,01 Gew.% oder mehr, vorzugsweise 0,05 Gew.% oder mehr, bezogen auf das Gewicht des acrylnitrilhaltigen wässrigen

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Mediums, Hinsichtlich der oberen Grenzen an zugegebenem Alkalicarbonat oder -bicarbonat liegen keine Beschränkungen vor, denn selbst wenn diese in der wässrigen Acrylamidlösung vorhanden sind, haben sie keinen wesentlichen nachteiligen Einfluss auf die Polymerisierbarkeit von Acrylamid. Wenn sie jedoch in sehr grossen Mengen vorhanden sind, treten Probleme hinsichtlich der Reinheit des Produktes auf und ausserdem erhöht sich der pH der wässrigen Acrylamidlösung und dadurch wird in einem gewissen Masse die Enzymstabilität der fixierten Zellen verschlechtert. Deshalb wird die Menge an zugegebenem Alkalicarbonat oder -bicarbonat auf etwa 0,5 % öder weniger, bezogen auf das Gewicht des wässrigen Mediums, eingestellt und der pH des wässrigen Mediums wird auf etwa 6,5 bis 9,5, vorzugsweise auf 7,5 bis 8,5, eingestellt.

Gibt man eine organische Carbonsäure in Kombination mit dem Alkalicarbonat oder Alkalibicarbonat hinzu, so soll die Menge an Alkalicarbonat oder -bicarbonat ausreichen, um die organische Carbonsäure zu neutralisieren und den pH in dem vorerwähnten Bereich zu halten. Werden z.B. Natriumcarbonat und Acrylsäure verwendet, so liegt das Gewichtsverhältnis von Natriumcarbonat zu Acrylsäure im Bereich von 1,3:1 bis etwa 1,7:1.

Als organische Carbonsäuren können beliebige Monocarbonsäure, Dicarbonsäuren, Tricarbonsäure, ungesättigte Carbonsäuren oder Oxycarbonsäuren verwendet werden, solange sie nur wasserlöslich sind. Beispiele hierfür sind Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure

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Glutarsäure, Adipinsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, Glucoronsäure, Hydroxypropionsaure, Milchsäure, Apfelsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure und Gluconsäure. Bevorzugte Beispiele sind Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure und Acrylsäure. Die Menge der zugegebenen organischen Carbonsäure beträgt 0,005 % oder mehr, vorzugsweise 0,01 Gew.% oder mehr, bezogen auf das Gewicht des wässrigen, acrylnitrilhaltigen Mediums. Wenn sie in derart niedrigen Mengen vorliegen, so haben sie keinen nachteiligen Einfluss auf die Polymerisierbarkeit von Acrylamid. Sind sie jedoch in grösseren Mengen vorhanden, so verringert sich die Reinheit des Produktes und deshalb gibt man sie vorzugsweise in einer Menge von 1 % oder weniger, bezogen auf das Acrylamid, zu.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung werden die wie oben erhaltenen in ein Polyacrylamidgel eingehüllten Zellen zu Teilchen einer geeigneten Grosse pulverisiert und nach dem Waschen in einen Säulenreaktor gegeben. Dann wird durch die Säule eine Lösung geschickt, die erhalten wurde durch Vermischen des wässrigen Mediums mit einem Gehalt an wenigstens einer Verbindung ausgewählt aus Alkalicarbonat und -bicarbonat, allein oder in Kombination mit einer organischen Carbonsäure, und aus dem Abfluss der Säule kann man dann die wässrige Acrylamidlösung erhalten.

Die Umsetzung kann durch Auswahl der Menge an Zellen, der Konzentration an Acrylnitril, der Fliessgeschwindigkeit und dergleichen überwacht werden, um eine Umwandlung von nahezu 100 % zu erreichen. Um in diesem Fall

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die Nitrilaseaktivität der fixierten Zellen über einen langen Zeitraum aufrecht zu erhalten und um die Bildung von Nebenprodukten, wie Acrylsäure und dergleichen zu inhibieren, wird die Konzentration an Acrylnitril vorzugsweise auf 5 % oder weniger eingestellt und die Reaktionstemperatur soll so niedrig wie möglich sein und in einem Bereich liegen, in dem die wässrige Lösung nicht friert, z.B. zwischen dem Gefrie und der pH liegt, zwischen 7,5 und 8,5

nicht friert, z.B. zwischen dem Gefrierpunkt und 10°C .

Man erhält auf diese Weise eine transparente Acrylamidlösung als Abfluss aus der Säule. Da die wässrige Acrylamidlösung nahezu keine Verunreinigungen, welche die Polymerisation von Acrylamid negativ beeinflussen würden, enthält, kann diese so wie sie ist oder nach Konzentrierung als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Acrylamidpolymeren, wie Flockungsmitteln, Papierverstärkungsmitteln und dergleichen verwendet werden.

In den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen wird die Erfindung beschrieben. Dabei sind alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen. Die Konzentrationen an Acrylnitril, Acrylamid und Acrylsäure wurden gaschromatografisch gemessen.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1

Zu 40 Teilen von im Ruhezustand befindlichen Zellen (Wassergehalt 75 %) vom Stamm N-774, die aerob in einem

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Kulturmedium (pH 7.2) enthaltend 1 % Glucose, 0,5 % Pepton, 0,3 % Hefeextrakt und 0,3 % Malzextrakt, kultiviert worden waren, wurden 0_r4 Teile einer 50 %-igen wässrigen Lösung von Glutaraldehyd und 9,6 Teile einer 0,05 M Phosphatpufferlösung (pH 8,-0} gegeben und die Umsetzung wurde 1 Stunde unter Rühren bei 1O°C oder niedriger durchgeführt. Zu dieser Reaktionslösung wurden 9,5 Teile Acrylamid, 0_f5 Teile N,N¹-Methylenbisacrylamid und 25 Teile Wasser gegeben und eine gleichförmige Suspension hergestellt. Ein Gemisch aus 5 Teilen einer 5 %-igen wässrigen Lösung aus Dimethylarninopropionitril und 1O Teilen einer 2,5 %-igen wässrigen Lösung aus Kaliumpersulfat wurde zu der obigen Suspension zugegeben und diese wurde durch Aufrechterhaltung des Gemisches während 1 Stunde bei 10⁰C oder weniger polymerisiert. Der so erhaltene feste zellenhaltige Gel wurde pulverisiert und gründlich mit einer 0,1 %-igen wässrigen Acrylnitrillosung gewaschen und dann mit Natriumcarbonat bis zu einem pH von 8,0 neutralisiert, wobei man 100 Teile der fixierten Zellen erhielt.

Drei ummantelte Glassäulen, wobei jede Säule 40 Teile der wie oben beschrieben hergestellten fixierten Zellen enthielt, wurden in Serie geschaltet. Ein Lösungsgemisch aus 4 Teilen Acrylnitril und 96 Teilen einer 0,1 %-igen wässrigen Lösung von Natriumacrylat (neutralisiert mit Na₃CO₃ auf pH 8,0) wurde auf den Kopf der ersten Säule (nachfolgend als "Säule Nr. 1" bezeichnet) gegeben und durchlief diese bei einer Temperatur von 5°C mit einer SV (Raumgeschwindigkeit) von 0,8 h . 96 Teile der aus Säule Nr. 1 abfliessenden Reaktionslösung wurden mit 4 Teilen Acrylnitril gemischt und auf den Kopf der

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zweiten Säule (nachfolgend als Säule Nr. 2 bezeichnet) gegeben und durchliefen diese mit einer SY von 0,8 h . Der Abfluss am Boden der Säule Nr. 2 in einerMenge von 96,5 Teilen wurde mit 3,5 Teilen Acrylnitril vermischt und auf den Kopf der dritten Säule (nachfolgend als Säule Nr. 3 bezeichnet) gegeben und durchlief diese bei einer Temperatur von 5 C und einer SV von 0,8 h

Die Umsetzung in.jeder Säulen verlief glatt, ohne dass irgendwelche Schwierigkeiten durch das Quellen der fixierten Zellen eintraten. Als Abfluss am Boden der Säule Nr. 3 erhielt man eine 50,4 %-ige wässrige Acrylamidlösung, die kein Acrylnitril enthielt. Die wässrige Lösung wurde bei 45°C mittels eines Entspannungsverdampfers Vakuumkonzentriert und dabei wurde Luft hindurchgeblasen, wobei man eine konzentrierte Lösung mit einer Acrylamidkonzentration von 28 % erhielt.

Ein Gemisch aus 657 Teilen der so erhaltenen wässrigen Acrylamidlösung (Konzentration 28 %) und 135 Teilen entionisiertem Wasser wurde in einen Polymerisationsreaktor gegeben" und dazu wurden 4,8 Teile Borsäure und 3,2 Teile Natriumhydroxid (NaOH) gegeben. Anschliessend gab man 0,032 Teile Dimethylaminopropionitril und O,032 Teile Kaliumpersulfat hinzu und führte die Polymerisation bei 25°C in einer Stickstoffatmosphäre durch. Nach einer Einleitungsperiode von etwa 15 Minuten verlief die Polymerisation g.l att und man erhielt ein Polymerisationsprodukt in Form eines Gels. Dieses Polymerisationsprodukt wurde zu kleinen Teilchen geschnitten und 16 Stunden bei 90 C und 16 Stunden bei 60⁰C getrocknet, wobei man ein granuläres Polymerisat erhielt. Das granuläre Polymerisat

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hatte eine Viskosität in 0,1 %-iger wässriger Lösung von 700 cps und einen Hydrolysegrad von 12,5 % und war ausgezeichnet als Flockungsmittel geeignet.

Zum Vergleich wurde das Verfahren gemäss Beispiel 1 wiederholt mit der Ausnahme, dass man eine wässrige Lösung zum Waschen des Gels mit den fixierten Zellen und zum Lösen von Acrylnitril eine 0,05 M Phosphatpufferlösung (pH 8) verwendete. Die dabei erhaltene 28 %-ige wässrige Acrylamidlösung wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 polymerisiert und die Polymerisation verlief nahezu ebenso glatt wie in Beispiel 1. Wenn jedoch eine 0,1 %-ige wässrige Lösung des durch Trocknen erhaltenen granulären Polymeren hergestellt werden sollte, blieben grosse Mengen an unlöslichem Gel zurück. Die Viskosität betrug 550 cps und der Hydrolysegrad 13 % und bei der Verwendung als Flockungsmittel waren die Aggregierungseigenschaften unzureichend.

Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2

Fixierte Zellen (Stamm N-774) wurden in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und in den gleichen Säulenreaktor wie in Beispiel 1 gegeben und in den Säulenreaktor wurden auf den Kopf der Säule Nr, 1 bei einer Temperatur von 5 C und mit einer SV von 0,8 h eine Lösung aus 3 Teilen Acrylnitril und 97 Teilen einer 0,1 %-igen wässrigen Lösung von Natriumacrylat (neutralisiert mit Na₃CO₃ auf pH 8,0) gegeben. Wie in Beispiel 1 wurden 97 Teile des Abflusses vom Boden der Säule Nr. 1 mit

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3 Teilen Acrylnitril vermischt und das erhaltene Gemisch wurde auf den Kopf der Säule Nr. 2 gegeben und dasselbe Verfahren wurde im Falle der Säule Nr. 3 wiederholt. Man erhielt dabei eine Reaktionslösung mit einem Gehalt von 12 % Acrylamid und 0,03 % Acrylsäure (pH 8,0) am Boden der Säule Nr. 3. Die Umsetzung wurde 10 Tage kontinuierlich durchgeführt und in dieser Zeit wurde in dem Abfluss der Säule Nr. 3 kein unumgesetztes Acrylnitril nachgewiesen.

Zum Vergleich wurde das Verfahren gemäss Beispiel 2 wiederholt mit der Ausnahme, dass als wässrige Lösung zum Auflösen des Acrylnitrils eine 0,8 %-ige physiologische Kochsalzlösung, neutralisiert mit NaOH auf pH 8,0, verwendet wurde. Die am Boden der Säule Nr. 3 erhaltene Reaktionslösung enthielt 11,5 % Acrylamid und 0,5 % Acrylsäure und hatte einen pH von 6,9. Es ist somit ersichtlich, dass Acrylsäure in grossen Mengen als Nebenprodukt gewonnen wurde. Nach 10-tägigem kontinuierlichen Durchführen der Umsetzung wurde der Abfluss am Boden der Säule Nr. 3 untersucht und es wurde festgestellt, dass grosse Mengen an Acrylnitril (etwa 3 % in der Reaktionslösung) vorhanden waren. Obwohl man sehr glatt und ohne Quellen der fixierten Zellen arbeiten konnte, stellte man doch eine merkliche Verminderung der Aktivität, fest.

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Beispiele 3 bis 7 und Vergleichsbeispiele 3 bis 5

Wie in Beispiel 1 wurden fixierte Zellen (Stamm N-774) hergestellt und in den gleichen Säulenreaktor wie in Beispiel 1 eingefüllt und auf den Kopf der Säule Nr. 1 wurde

■ ο — 1

bei einer Temperatur von 5 C und einer SV von 0,5 h

eine Lösung gegeben, die erhalten worden war durch Vermischen von 3 Teilen Acrylnitril und 97 Teilen einer wässrigen Lösung, enthaltend das Salz, das man beim Neutralisieren der in Tabelle 1 angegebenen organischen Carbonsäure mit Na-CO-, oder NaHCO- erhielt. Das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei man eine wässrige Acrylamidlösung erhielt. Die so erhaltene wässrige Acrylamidlösung wurde konzentriert und die konzentrierte Lösung wurde dann polymerisiert. Die physikalischen Eigenschaften und die Aggregationseigensohaften des Polymers wurden untersucht. Die Umsetzung wurde 10 Tage kontinuierlich durchgeführt und dann wurde die Konzentration an Acrylnitril der Reaktionslösung gemessen.

Zum Vergleich wurde das gleiche Verfahren wie oben wiederholt mit der Ausnahme, dass man als wässriges Medium zum Auflösen von Acrylnitril eine Lösung verwendete, die hergestellt worden war durch Neutralisieren von reinem Wasser mit NaOH auf pH 8,0 (Vergleichsbeispiel 3), eine Lösung, die man durch Neutralisieren von 0,85 % einer physiologischen Kochsalzlösung mit NaOH auf pH 8,0 erhielt (Vergleichsbeispiei 4) oder eine 0,05 M Phosphatpufferlösung (Vergleichsbeispiel 5.

Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Diese Ergebnisse

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Io

zeigen, dass das erfindungsgemässe Verfahren geeignet ist, um während langer Zeiträume die Enzymaktivität aufrecht zu erhalten und dass man Acrylamid herstellen kann, welches ausgezeichnete Eigenschaften aufv/eist.

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Tabelle 1

to O

Beispiel

Zusammensetzung 0,1 % Acrylder wässrigen Lö- säure, neusung zum Auflösen¹ tralisiert des Substrats mit Na2CO3

auf pH 8,0

pH der 3 %-igen Substratlösung

Quelling der fixierten Zellen während der Reaktion

Acrylnitril in dem Abfluss nach 10-tägigem kontinuierlichen Betrieb

gebildetes Acrylamid

Polymerisierbarkeit

Löslichkeit

Aggregationseigenschaften

8,0

trat nicht ein

keines

A A

Beispiel 4

0,1 % Acryl'
säure, neutralisiert
mit Na2CO3
plus NaHC03
auf pH 8,0

8,0

trat nicht
ein

keines

A
A

Beispiel 5

0,1 % Essige säure, neu-tralisiert mit Na2CO3 auf pH 8,0

8,0

trat nicht ein

keines

A A

Beispiel 6

0,1 % Propion
säure, neutralisiert
mit Na2CO3
auf pH 8,0

8,0

trat nicht
ein

keines

Beispiel 7

0,1 % Apfelsäure, neutralisiert mit Na2CO3 auf pH' 8,0

8,0

trat nicht ein

keines

A
A

Fortsetzung Tabelle

	Vergleichs beispiel 3	Vergleichs beispiel 4	Vergleichs beispiel 5	B
Zusammensetzung der, wässrigen Lösung zum Auflösen des Sub strats	reines Wasser	O_f85 %-ige phy siologische Kochsalzlösung	0,05 H Phos phatpufferlö sung	X
pH der 3 %-igen Substratlösung	8,0 (eingestellt mit NaOH)	8,0 (eingestellt mit NaOH)	8,0	X
Quellung der fixier ten Zellen während der Reaktion	trat ein	trat nicht ein	trat nicht ein
Acrylnitril in dem Abfluss nach 10-tägi- gem kontinuierlichen Betrieb	etwa 8 % in der Reaktionslösung	etwa 3 % in der Reaktionslösung	keines
gebildetes Acrylamid
Polymerisierbarkeit	A	A
Löslichkeit	A	B
Aggregationseigen- schaften	A	B

A: gut

B: befriedigend X: schlecht

Cd

O (CD

3Q370Q9

Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 6

Das Verfahren gemäss Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme,-dass man anstelle der 0,1 %-igen wässrigen Lösung von Natriumacrylat (neutralisiert mit Na₂CO., auf pH 8,0) eine 0,1 %-ige wässrige Lösung von NaHCO., verwendete. Die Reaktion verlief in jeder Säule glatt,

•,ohne dass ein Quellen der fixierten Zellen eintrat.

'Am Boden der Säule Nr. 3 erhielt man eine 15,4 %-ige wässrige Acrylamidlösung, die im wesentlichen kein nichtumgesetztes Acrylnitril und keine als Nebenprodukt gebildete Acrylsäure enthielt. Diese wässrige Lösung wurde unter Durchleiten von Luft bei 45°C in einem Entspannungsverdampfer im Vakuum konzentriert, wobei man eine 30 %-ige wässrige Acrylamidlösung erhielt. Die so erhaltene wässrige Acrylamidlösung konnte als Ausgangsmaterial für die Herstellung von verschiedenen Polymeren auf Acrylamidbasis verwendet werden.

Zum Vergleich wurde die Umsetzung und die Kondensation wie in Beispiel 8 durchgeführt mit der Ausnahme, dass man als wässrige Lösung zum Auflösen von Acrylnitril eine O,05 M Phosphorsäurepufferlösung (pH 8,2) verwendet, wobei man 30,0 % einer wässrigen Acrylamidlösung erhielt. Diese wässrige Acrylamidlösung wurde zur Herstellung von Polyacrylamid verwendet* Das dabei erhaltene Polyacrylamid war ausserordentlich schlecht in Wasser löslich und zeigte mindere Eigenschaften als Flockungsmittel,

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Beispiel 9 und Vergleichsbeispiel 7

Die fixierten Zellen (Stamm N-774) hergestellt in gleicher Weise wie in Beispiel 1, wurden in den gleichen Säulenreaktor wie in Beispiel 1 gefüllt und auf den Kopf der Säule Nr. 1 wurde bei einer Temperatur von 5°C mit einer SV von 0,5 h eine Lösung aus 3 Teilen Acrylnitril und 97 Teilen einer 0,2 %-igen wässrigen NaHCO-.-Lösung gegeben. Wie in Beispiel 1 wurden 97 Teile des Abflusses vom Boden der Säule Nr. mit 3 Teilen Acrylnitril vermischt und das Gemisch wurde dann auf den Kopf der Säule Nr. 2 gegeben und das gleiche Verfahren wurde wiederholt im Falle der Säule Nr. 3. Man erhielt dabei eine Lösung (pH 8,2) mit einem Gehalt an 12,0 % Acrylamid und 0_f02 % Acrylsäure am Boden der Säule Nr. 3. Die Umsetzung wurde 10 Tage fortgesetzt, wobei kein Acrylnitril im Abfluss der Säule Nr. 3 gefunden wurde.

Zum Vergleich wurde die Umsetzung in gleicher Weise wie in Beispiel 9 durchgeführt mit der Ausnahme, dass als wässrige Lösung zum Auflösen von Acrylnitril eine Lösung verwendet wurde _t die erhalten worden war durch Neutralisieren einer physiologischen Kochsalzlösung (NaCl-Konzentration: 0,85 %) mit NaOH auf pH 8,2. Die Reaktionslösung, die man am Boden der Säule Nr. 3 erhielt, enthielt 11,5 % Acrylamid und 0,5 % Acrylsäure und hatte einen pH von 6,9. Es ist ersichtlich, dass Acrylsäure in grossen Mengen als Nebenprodukt anfiel. Wurde die Umsetzung IO Tage fortgesetzt und der Abfluss am Boden der Säule Nr. 3 untersucht _r so stellte man grosse Mengen an nichtunigesetztem Acrylnitril fest und

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die Aktivität der fixierten Zellen war erheblich vermindert .

Beispiel 10

Fixierte Zellen (Stamm N-774), die in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt worden waren, wurden in den gleichen Säulenreaktor wie in Beispiel 1 gegeben und auf den Kopf der Säule Nr. 1 wurde bei einer Temperatur von O⁰C und mit einer SV von 0,5 h eine Lösung aus 3 Teilen Acrylnitril und" 97 Teilen einer wässrigen Lösung (pH 8,4) mit einem Gehalt von 0,2 % NaHCO₃ und 0,005 % Na₂CO- gegeben. Das Verfahren gemäss Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei man eine 12,1 %-ige wässrige Acrylamidlösung am Boden der Säule Nr. 3 erhielt.

Diese wässrige Lösung erhielt kein Acrylnitril und es wurde fast keine Acrylsäure festgestellt. Nach 10-tägiger Reaktion wurde die Reaktionslösung untersucht und es wurde festgestellt, dass die Konzentration an Acrylamid 12,1 % betrug und dass kein Acrylnitril und keine Acrylsäure nachweisbar waren. Der so erhaltene Abfluss wurde in einem Entspannungsverdampfer unter Durchleiten von Luft, bei einer Temperatur von 45°C im Vakuum konzentriert, wobei man eine 30 %-ige wässrige Lösung von Acrylamid erhielt. Diese wässrige Acrylamidlösung konnte als Ausgangsmaterial zur Herstellung von verschiedenen Polymeren auf Basis von Acrylamid verwendet werden.

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Claims

Verfahren zur Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril unter Verwendung von Mikroorganismen

PATENTANSPRÜCHE

^ 1 .J Ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid aus Acrylnitril in einem wässrigen Medium durch Einwirkung von Mikroorganismen mit Nitrilaseaktivität, dadurch gekennzeichnet , dass man wenigstens 0,01 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des acrylnitrilhaltigen wässrigen Mediums, v/enigstens einer Verbindung aus der Gruppe Alkalicarbonate und -bicarbonate zu dem wässrigen Medium zugibt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung in Kombination

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ORIGINAL INSPECTED

mit einer organischen Carbonsäure zugegeben wird.
3. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet , dass das Alkalicarbonat oder Alkalibicarbonat Natriumbicarbonat, Kaliumbicarbonat, Natriumcarbonat oder Kaliumbicarbonat ist. .
4» Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die organische Carbonsäure ausgewählt ist aus der Gruppe "Ameisensäure,. Eissigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, Gluconsäure, Hydroxypropionsäure, Milchsäure, Apfelsäure, Weinsäure, Zitronensäure und Gluconsäure.
5. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die organische Carbonsäure ausgewählt ist aus Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure und Acrylsäure.
6. Verfahren gemäss« Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus mit Nitrilaseaktivität ausgewählt ist aus Mikroorganismen der Genera Corynebacterium und Nocardia.
7. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch g e k e n η zeichnet, dass der Mikroorganismus ausgewählt ist aus den Stämmen N-771, N-774 und N-775.

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8. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Mikroorganismus an einem Gel auf Basis von Polyacrylamid fixiert ist.
9. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , · dass die Temperatur

j im wässrigen Medium zwischen dem Gefrierpunkt des ' Mediums und 1O°C liegt.
10. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der pH des wässrigen Mediums zwischen 6,5 und 9,5 liegt.
11. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die zugegebene Menge an Alkalicarbonat und/oder Alkalibicarbonat 0,01 bis 0,5 Gew.% beträgt.
12. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die organische Carbonsäure in einer Menge von 0,005 bis 1 Gew.% zugegeben wird.
13. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,. dass wenigstens 0,05 Gew.% von Alkalicarbonaten und/oder Alkalibicarbonaten zu dem wässrigen Medium zugegeben werden.

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