專利名稱：多級(jí)膜生物反應(yīng)器連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物催化反應(yīng)工藝技術(shù)領(lǐng)域，運(yùn)用產(chǎn)生腈水合酶的菌體為生物催化劑，尤其是一種運(yùn)用三至十級(jí)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液的方法。
背景技術(shù)：
丙烯酰胺(AM)是一種用途廣泛的有機(jī)化工中間體，其主要生產(chǎn)工藝是以丙烯腈 (AN)和水為底物，產(chǎn)生腈水合酶的菌體為生物催化劑，在反應(yīng)罐中進(jìn)行水合反應(yīng)，生成產(chǎn)物丙烯酰胺(AM)。運(yùn)用生物膜技術(shù)將產(chǎn)物丙烯酰胺與反應(yīng)體系(含菌體)分離，得到粗丙烯酰胺溶液，粗丙烯酰胺溶液經(jīng)過一系列過濾膜、離子交換床，最終得到精丙烯酰胺溶液。目前，丙烯酰胺生產(chǎn)工藝主要有游離細(xì)胞間歇式水合反應(yīng)工藝和單級(jí)連續(xù)化水合反應(yīng)工藝。根據(jù)目前生產(chǎn)實(shí)際的需求，這兩種生產(chǎn)工藝存在一些技術(shù)缺陷。1、游離細(xì)胞間歇式水合反應(yīng)工藝的技術(shù)缺陷(1)游離細(xì)胞間歇式水合反應(yīng)工藝，生產(chǎn)丙烯酰胺的過程是間歇式的。產(chǎn)物生成過程與產(chǎn)物分離過程不同步進(jìn)行，生物催化劑在丙烯酰胺分離階段不發(fā)揮生物催化功能。生物催化劑是受底物和產(chǎn)物抑制影響的生物酶，在產(chǎn)物分離階段生物催化劑受到高濃度產(chǎn)物的抑制作用，使用效率和腈水合酶活性下降。(2)游離細(xì)胞間歇式水合反應(yīng)工藝，只能產(chǎn)出250g/L至300g/L范圍的丙烯酰胺溶液，很難生產(chǎn)出高濃度的丙烯酰胺溶液。(3)游離細(xì)胞間歇式水合反應(yīng)工藝，由于受到丙烯腈流加速度、酶活性、溫度控制、 副產(chǎn)物丙烯酸的生成等因素的影響，生成的丙烯酰胺質(zhì)量波動(dòng)較大。2、單級(jí)連續(xù)化水合反應(yīng)生產(chǎn)丙烯酰胺工藝的技術(shù)缺點(diǎn)(1)單級(jí)連續(xù)化水合反應(yīng)工藝，雖然能連續(xù)產(chǎn)出丙烯酰胺，但是生物催化劑在水合反應(yīng)過程中長(zhǎng)期浸泡在反應(yīng)液中，底物抑制作用對(duì)腈水合酶活性影響較大。(2)單級(jí)連續(xù)化水合反應(yīng)工藝，雖然底物加入速度相對(duì)穩(wěn)定，但流加速度不高，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。生物催化劑長(zhǎng)期受到產(chǎn)物丙烯酰胺抑制作用影響，導(dǎo)致副產(chǎn)物丙烯酸的生成增多，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率下降。(3)單級(jí)連續(xù)化水合反應(yīng)工藝，在丙烯酰胺的生產(chǎn)過程，只能連續(xù)產(chǎn)出250g/L至 300g/L范圍的丙烯酰胺，難以滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種多級(jí)膜生物反應(yīng)器連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液的方法。多級(jí)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液的方法，多級(jí)膜生物反應(yīng)器通過串聯(lián)方式連接；所述膜生物反應(yīng)器裝置由膜組件和反應(yīng)釜耦合形成；所述膜組件為中空纖維膜、陶瓷膜、卷式膜之一；各級(jí)膜生物反應(yīng)器中的生物催化劑，只在本級(jí)膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)，不能透過膜組件流入下一級(jí)膜生物反應(yīng)器；各級(jí)膜生物反應(yīng)器在產(chǎn)物濃度達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求后，產(chǎn)物丙烯酰胺、水、丙烯腈和副產(chǎn)物丙烯酸可以透過膜組件進(jìn)入下一級(jí)膜生物反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)與生物催化劑分離。所述的方法，所述多級(jí)膜生物反應(yīng)器，由3至10個(gè)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)而成。所述的方法，所述生物催化劑清洗后，向膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中加入量占反應(yīng)前反應(yīng)液總體積的5% -30%。所述的方法，所述各級(jí)膜生物反應(yīng)器溫度控制范圍在15-25°C。多級(jí)膜生物反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)丙烯酰胺溶液工藝，根據(jù)生產(chǎn)(或市場(chǎng))對(duì)丙烯酰胺濃度需要和實(shí)際生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)、七級(jí)、八級(jí)、九級(jí)、十級(jí)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液8種工藝，分別由3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)、8 個(gè)、9個(gè)、10個(gè)膜生物反應(yīng)器裝置串聯(lián)形成。多級(jí)膜生物反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)丙烯酰胺溶液8種工藝，均可生產(chǎn)出150_500g/L丙烯酰胺濃度梯度溶液。


圖1為實(shí)施例2中五級(jí)膜生物反應(yīng)器連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液工藝流程，3、4兩級(jí)結(jié)構(gòu)同1、2兩級(jí)，略，其中AM 丙烯酰胺，AN 丙烯腈。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1選用能產(chǎn)生腈水合酶的丙酸棒桿菌或其誘變株細(xì)胞。產(chǎn)酶細(xì)胞的制備先進(jìn)行發(fā)酵種子的培養(yǎng)，在三角瓶或種子罐中裝入10-70% (體積比)的種子培養(yǎng)基，滅菌后接入1-10% (體積比)的菌種，在20-40°C下，旋轉(zhuǎn)式搖床中， 100-400rpm，振蕩培養(yǎng)30-120小時(shí)?；蛘哂?0L-2M3的種子罐，實(shí)罐滅菌后接入斜面種子， 空氣通量(單位體積發(fā)酵液?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通入的空氣量)在1 0.2-1 1，V.V.M，攪拌速度為10-400rpm，罐壓保持在0. 03-0. 06mPa，溫度為20_40°C，培養(yǎng)30-200小時(shí)。種子培養(yǎng)基(重量比)0.5-2%葡萄糖，0.2-1%酵母膏，0.05-0. 15% Nacl, 0. 05-0. 3% K2HPO4,0. 01-0. 03% MgSO4,尿素 0. 1-1%, PH7. 0-7. 5 ；然后在50L_20m3的發(fā)酵罐，其發(fā)酵培養(yǎng)基裝入量為40 % -70 % (體積比)，實(shí)罐消毒后接入2-7% (體積比)的種子液，在通氣量1 0.2-1 1，V. V. M ；攪拌轉(zhuǎn)速 50-400rpm ；罐壓 0. 03-0. 06MP ；溫度20-40°C，發(fā)酵 30-200 小時(shí)；發(fā)酵培養(yǎng)基(重量比)1-2.5 %葡萄糖，0.2-1 %酵母膏，0. 1-2 %尿素， 0. 03-0. 1 % K2HPO4,0. 03-0. 1 % KH2PO4,0. 03-0. 1 % MgSO4, 2_20ppmCoCl2 ( 二氯化鈷)，味精 0. 04-0. 2%, PH6. 5-7. 5。實(shí)施例2如圖1所示，膜生物反應(yīng)器裝置由反應(yīng)釜和膜組件耦合在一起，圖1還示意出了多級(jí)(圖1中為5級(jí)，3至10級(jí)均可)膜生物反應(yīng)器連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液工藝流程。本實(shí)施例包括五級(jí)膜生物反應(yīng)器，各級(jí)之間串聯(lián)連接。(1)將培養(yǎng)合格的生物催化劑打入生物催化劑儲(chǔ)罐1-10°C儲(chǔ)存，將經(jīng)過清洗的生物催化劑，按反應(yīng)前反應(yīng)液總體積的5%-30%加入1級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中，開啟攪拌。 水合反應(yīng)控制溫度在15-25°C，開始向1級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中流加底物丙烯腈和水，二者經(jīng)過腈水合酶的催化作用，生成產(chǎn)物丙烯酰胺。在線檢測(cè)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)罐中反應(yīng)液各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導(dǎo)率、PH)，無在線檢測(cè)系統(tǒng)的至少每一小時(shí)取樣檢測(cè)。根據(jù)反應(yīng)液測(cè)樣數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)丙烯腈和水的流加速度。當(dāng)1級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜液中丙烯酰胺溶液濃度達(dá)到150_230g/L，經(jīng)過1級(jí)膜生物反應(yīng)器膜組件系統(tǒng)的分離操作(菌體等大分子顆粒物質(zhì)不能透過，丙烯酰胺和水可以透過)，連續(xù)得到150-230g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)?；亓饕航?jīng)過回流管線返回1級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中，150-230g/L丙烯酰胺透過液進(jìn)入2級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中。(2)當(dāng)150_230g/L丙烯酰胺溶液進(jìn)入2級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中至一定液位，將經(jīng)過清洗的生物催化劑，按反應(yīng)前反應(yīng)液總體積的5% -30%加入2級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中?？刂茰囟仍?5-25°C，向2級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中流加底物丙烯腈，丙烯腈和1級(jí)膜生物反應(yīng)器丙烯酰胺透過液中的水進(jìn)行水合反應(yīng)生成丙烯酰胺。在線檢測(cè)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)罐中反應(yīng)液各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導(dǎo)率、PH)，無在線檢測(cè)系統(tǒng)的至少每一小時(shí)取樣檢測(cè)。根據(jù)反應(yīng)液測(cè)樣數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)丙烯腈流加速度。2級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中丙烯酰胺溶液濃度達(dá)到230_330g/L時(shí)，經(jīng)過膜組件系統(tǒng)進(jìn)行分離操作，連續(xù)不斷得到230-330g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)。 回流液經(jīng)過回流管線返回2級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中，230-330g/L丙烯酰胺透過液進(jìn)入3 級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中。(3)當(dāng)230_330g/L丙烯酰胺溶液進(jìn)入3級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中至一定液位，將經(jīng)過清洗的生物催化劑，按反應(yīng)前反應(yīng)液總體積的5% -30%加入3級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中?？刂茰囟仍?5-25°C，向3級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中流加底物丙烯腈，丙烯腈和2級(jí)膜生物反應(yīng)器丙烯酰胺透過液中的水進(jìn)行水合反應(yīng)生成丙烯酰胺。在線檢測(cè)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)罐中反應(yīng)液各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導(dǎo)率、PH)，無在線檢測(cè)系統(tǒng)的至少每一小時(shí)取樣檢測(cè)。根據(jù)反應(yīng)液測(cè)樣數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)丙烯腈流加速度。3級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中丙烯酰胺溶液濃度達(dá)到330_420g/L時(shí)，經(jīng)過膜組件系統(tǒng)進(jìn)行分離操作，連續(xù)不斷得到330-420g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)。 回流液經(jīng)過回流管線返回3級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中，330-420g/L丙烯酰胺透過液進(jìn)入4 級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中。(4)當(dāng)330_420g/L丙烯酰胺溶液進(jìn)入4級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中至一定液位，將經(jīng)過清洗的生物催化劑，按反應(yīng)前反應(yīng)液總體積的5% -30%加入4級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中。溫度控制15-25°C，向4級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中流加底物丙烯腈，丙烯腈和3級(jí)膜生物反應(yīng)器丙烯酰胺透過液中的水進(jìn)行水合反應(yīng)生成丙烯酰胺。在線檢測(cè)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)罐中反應(yīng)液各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導(dǎo)率、PH)，無在線檢測(cè)系統(tǒng)的至少每一小時(shí)取樣檢測(cè)。根據(jù)反應(yīng)液測(cè)樣數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)丙烯腈流加速度。4級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中丙烯酰胺溶液濃度達(dá)到420_500g/L時(shí)，經(jīng)過膜組件系統(tǒng)進(jìn)行分離操作，連續(xù)不斷得到420-500g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)。 回流液經(jīng)過回流管線返回4級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中，420-500g/L丙烯酰胺透過液進(jìn)入5級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中。(5)當(dāng)420_500g/L丙烯酰胺溶液進(jìn)入5級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中至一定液位，將經(jīng)過清洗的生物催化劑，按反應(yīng)前總反應(yīng)液體積的5% -30%加入5級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中。溫度控制在15-25°C，反應(yīng)體系殘余的丙烯腈進(jìn)行水合反應(yīng)。在線檢測(cè)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)罐中反應(yīng)液各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導(dǎo)率、PH)，無在線檢測(cè)系統(tǒng)的至少每一小時(shí)取樣檢測(cè)。丙烯腈濃度低于lg/L時(shí)，經(jīng)過膜組件系統(tǒng)進(jìn)行分離操作，連續(xù)不斷得到丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)?；亓饕航?jīng)過回流管線返回5級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中， 丙烯酰胺透過液進(jìn)入丙烯酰胺溶液儲(chǔ)罐。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.多級(jí)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液的方法，其特征在于，多級(jí)膜生物反應(yīng)器通過串聯(lián)方式連接；所述膜生物反應(yīng)器裝置由膜組件和反應(yīng)釜耦合形成；所述膜組件為中空纖維膜、陶瓷膜、卷式膜之一；各級(jí)膜生物反應(yīng)器中的生物催化劑，只在本級(jí)膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)，不能透過膜組件流入下一級(jí)膜生物反應(yīng)器；各級(jí)膜生物反應(yīng)器在產(chǎn)物濃度達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求后，產(chǎn)物丙烯酰胺、水、丙烯腈和副產(chǎn)物丙烯酸可以透過膜組件進(jìn)入下一級(jí)膜生物反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)與生物催化劑分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多級(jí)膜生物反應(yīng)器，由3至10個(gè)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物催化劑清洗后，向各級(jí)膜生物反應(yīng)器反應(yīng)釜中加入量占反應(yīng)前反應(yīng)液總體積的5% -30%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述各級(jí)膜生物反應(yīng)器溫度控制范圍在 15-25 "C。
全文摘要
本發(fā)明公開了多級(jí)膜生物反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)化生產(chǎn)丙烯酰胺溶液的方法，多級(jí)膜生物反應(yīng)器通過串聯(lián)方式連接；所述膜生物反應(yīng)器裝置由膜組件和反應(yīng)釜耦合形成；所述膜組件為中空纖維膜、陶瓷膜、卷式膜之一；各級(jí)膜生物反應(yīng)器中的生物催化劑，只在本級(jí)膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)，不能透過膜組件流入下一級(jí)膜生物反應(yīng)器；各級(jí)膜生物反應(yīng)器在產(chǎn)物濃度達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求后，產(chǎn)物丙烯酰胺、水、丙烯腈和副產(chǎn)物丙烯酸可以透過膜組件進(jìn)入下一級(jí)膜生物反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)與生物催化劑分離。
文檔編號(hào)C12P7/40GK102286560SQ201110165460
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者劉皓, 周衛(wèi)東, 梁歡, 端木勉, 陳宗令, 魏新峰 申請(qǐng)人:山東寶莫生物化工股份有限公司