CN1393558A - 利用控制反应温度的活体触媒的化合物的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种使用活体触媒的化合物的制造方法。在1个或复数个反应槽内，对使用活体触媒的化合物进行连续制造的方法，包括在反应槽内或反应槽之间的下流侧反应温度高于上流侧反应温度。

Description

利用控制反应温度的活体触媒的化合物的制造方法

技术领域

本发明是关于一种制造使用活体触媒的化合物的方法。

背景技术

菌胞(cell)、固定化菌胞(immobilized cell)或固定化酵素(immobilized enzyme)等的活体触媒(以下统称活体触媒)具有简化反应流程、或减少副产物的产生以提高反应生成物的纯度、或是在稳定的反应条件下稳定地进行富含反应性的物体的制造等优点。因此，近年来常被使用于大多数的化合物的制造中。

然而，活体触媒在反应中，会导致其触媒活性的降低(失去活性)。因此，为了提高每单位触媒量的化合物的生成量，也就是触媒的生产性(以后，统称单位生产性)，因而对如何抑制失去活性的方法进行研究。例如是，在从冰点至摄氏15度的低温下进行反应的方法(日本专利特公昭56-38118号公报)、从多个供应口连续提供低浓度的基质的方法(日本专利特公昭57-1234号公报)、在有机溶剂中对微生物或其处理物进行处理的方法(日本专利特开平5-308980号公报)、在高级不饱和脂肪酸存在之下进行反应的方法(日本专利特开平7-265090号公报)、以及菌胞以戊二醛(glutaraldehyde)等进行架桥处理的方法(日本专利特开平7-265091号公报、日本专利特开平8-154691号公报)等。

然而，使用上述方法仅仅能使触媒的生产性变得充分，仍然无法降低化合物制造时的触媒使用量，因而导致化合物的制造原价仍然居高不下，且其处理方法中也存在有废触媒过多的问题。

发明内容

本发明的目的提供一种在低成本下可以有效率的、低环境负荷型的化合物制造方法，通过有效率地使用活体触媒，已在提高触媒的生产性的同时可以降低化合物制造时的触媒比例的费用，并减少其废弃物。

本发明提出一种使用活体触媒的化合物的制造方法，其方法在使用活体触媒进行化合物的制造之际，为了抑制其失去活性，较佳在低温下进行反应。另外，本发明者发现在此反应槽内的触媒所流经的下流侧的反应槽温度高于上流侧时，会提高触媒的生产性，进而进行深入研究而得到本发明。另外，在反应为发热反应时，可以通过减少反应槽的除热量，而以操作上较为经济且容易的方法达成本发明。

也就是，本发明具有下列特征：

(1)一种化合物的制造方法，适用于在1个或复数个反应槽内，对使用活体触媒的化合物进行连续制造的方法，包括在反应槽内或反应槽之间的下流侧反应温度高于上流侧反应温度。

(2)如(1)所述的化合物的制造方法，其中在反应槽内或反应槽之间的下流侧反应温度至少比上流侧反应温度高摄氏1度以上。

(3)如(1)所述的化合物的制造方法，其中在反应槽内或反应槽之间的下流侧反应温度至少比上流侧反应温度高摄氏5度以上。

(4)如(1)至(3)中任一项所述的化合物的制造方法，其中活体触媒选自于微生物菌胞及其处理物等所组成的族群。

(5)如(4)所述的化合物的制造方法，其中所制造的化合物包括醯胺化合物。

(6)如(5)所述的化合物的制造方法，其中所制造的化合物选自于丙烯醯胺、烟醯胺、5-氰戊醯胺等所组成的族群。

(7)如(1)至(6)中任一项所述的化合物的制造方法，其中在反应槽内的活体触媒的流向与反应液的流向并行流动。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例作详细说明。

具体实施方式

接着，对本发明进行详细的说明。

本发明适用于将使用活体触媒的化合物于反应槽中进行连续制造的方法。此将使用活体触媒的化合物于反应槽中进行连续制造的方法，对使用含有生化学反应器(酵素反应器)及生物反应器(微生物反应器)的生化反应器(bioreactor)的化合物制造方法而言，使用搅拌槽型、固定层型、流动层型、移动层型等种种形式的反应器进行操作。此时，在反应槽内进行制造化合物的反应时，反应槽可以为1个也可以为多个。当反应槽使用2个以上的个数时，可以提高温度控制或易于进行触媒置换等的操作性，并提高反应效率等。

在本发明中，所使用的活体触媒为可反应得到目的产物的触媒，此触媒包括含有酵素的动物细胞、植物细胞、细胞小器官、菌胞(生菌胞或死菌胞)或其处理物。对处理物而言，包括从细胞所抽出的粗酵素或精制酵素、或利用包括法、架桥法、担体结合法等方法将动物细胞、植物细胞、细胞小器官、菌胞(生菌胞或死菌胞)或酵素本身固定化的物体。对活体触媒所使用的菌胞而言，例如是，如Rhodococcus rhodochrous、Pseudomonas chlororaphis等的微生物的菌胞、或是如由酵素或前述微生物所产生的谤水化携(nitril hydratase)。在此，包括法为将菌胞或酵素包入高分子凝胶的细微的晶格中，并以半透膜性的高分子皮膜覆盖的方法。架桥法为将含有2个或2个以上的官能基的酵素作为测试药品(多官能性架桥剂)的方法。担体结合法为在水不溶性的担体上结合酵素的方法。用以固定化的固定化担体例如是玻璃气泡珠(glass bead)、硅胶(silica gel)、聚氨基甲酸酯(polyurthane)、聚丙烯醯胺(poly acrylamide)、聚乙烯醇(poly vinyl alcohol)、角叉菜(carrageenan)、炔羧酸(alkynecarboxylic acid)、琼脂(agar)、明胶(gelatin)等。

在对菌胞进行固定化的方法中，由于包括固定法所得到的固定化菌胞的菌胞浓度较高，因此在工业上，大多使用此种方法。例如，使用丙烯醯胺(acrylamide)及/或丙烯醯胺的衍生物作为包括固定化用单体(monomer)，如同日本专利特公昭58-35078号公报或日本专利特开平7-203964号公报所公开的内容。本发明所制造的化合物并不限于在活体触媒的作用下所制造的化合物。例如，醇(alcohol)类或醯胺(amide)类等泛用化学品、或氨基酸(amino acid)或抗生物质·生理活性物质等的食品·化妆品·医药品或其原材料或中间体等。较特别的是，对泛用化学品的制造而言，从经济性的观点来看，为减少触媒使用量的重要且不可或缺的因素。因此，本发明较佳于泛用化学品的活体触媒之下进行制造。具体而言，使用目前活体触媒进行大量制造时，较佳为属于泛用化学品的醯胺化合物的制造。对醯胺化合物而言，例如是丙烯醯胺、烟醯胺(nicotinamide)、5-氰戊醯胺(5-cyanovaleramide)。

本发明的连续制造方法，为将原料化合物以连续的或间断的添加入反应槽内，且以连续的或间断的方式抽出反应液，以顺利地将反应槽内的反应液的全量抽出的制造方法。也就是，定期将所制造的反应液的全量抽出。而不是意指所谓的间歇反应或半间歇反应(批次(batch)或半批次(semi-batch)反应)。在使用本发明的活体触媒的化合物进行连续制造的反应样式中，可考虑使用固定层、移动层、流动层、搅拌槽等进行反应的样式。在前述任何一种样式中，本发明所使用的反应槽可通过装备套管(jacket)、冷却或加热旋管(coil)、外部循环冷却装置或外部循环加热装置等的冷却或加热装置，或是将反应器的全体或部分置入恒温槽内等的方法，进行冷却或加热。再者，也可以在反应槽之间插入热交换器。

在上述的样式中，为避免活体触媒在任一情形下所发生的过时的失去活性，因此活体触媒必需在连续的或间断的加入反应槽内的同时，从反应槽内抽出。为此，在连续的制造方法中，活体触媒保持有一定的流动，也就是发生从上流侧至下流侧的流动。本发明的上流侧意指反应槽内添加触媒的一侧，而下流侧则意指与前述相反方向的抽出触媒的一侧。

对反应的样式进行具体的说明，在固定层的情形下，所使用的多槽的固定层以使用疑似移动层(使用旋转(merry-go-round)方式)为前提，而在流动层或搅拌槽的情形下，则以多槽连续的方式为前提。此情形的上流侧的反应槽为多个反应槽中位于添加触媒的一侧的反应槽，而下流侧的反应槽则为位于将触媒从反应系统中抽出的一侧的反应槽。再者，当在1个反应槽内活体触媒随着反应液的流动而移动的移动层的情形时，上流侧在所谓的反应槽输入口附近添加触媒，而下流侧则在所谓的反应槽输出口附近将触媒从反应系统中抽出。而且，此时的移动层也包括使用流通管形反应槽的反应样式。

因此，在反应槽内的触媒的流动的下流侧反应温度比上流侧反应温度的一方高，此意指上述的触媒在下流侧的反应温度会比上流侧的温度高。具体而言，在使用多槽的连续样式中，多槽中的位于较下流侧的位置的反应槽的温度高于位于较上流侧的位置的反应槽的温度。例如当使用4槽的反应槽时，第4槽的反应槽温度高于第1槽的反应槽温度。再者，当使用移动槽等的单槽的连续样式时，靠近反应槽出口的部分的温度高于靠近反应槽入口的部分的温度。在此，较高的反应温度指在量测范围内确认至少高出摄氏0.1度以上。为使本发明可更有效果地进行，因此较佳为至少高出摄氏1度以上，更佳至少高出摄氏5度以上。再者，反应温度较佳依据反应中所使用的触媒的安定性等进行适当地选择。

在本发明中，触媒的流动方向较佳与反应液的流动方向并行，触媒的流动方向与反应液的流动方向并行意指反应液与触媒的流动方向在同一方向上。其中，触媒与反应液在同一方向上流动，且反应为发热反应的情形时，则可以通过对除热量的调节而进行反应温度的调节，因此可以轻易地使触媒在反应槽内流动的下流侧反应温度高于上流侧反应温度。

以下通过实例对本发明进行具体的说明。但，本发明所提及的实例并不限定本发明的技术范围。

实例1

(1)活体触媒的调制

具有谤水化携活性的Rhodococcus rhodochrous J1株(受托号码FERM BP-1478，于1987年9月18日寄托于独立行政法人产业技术总合研究所特许生物寄托中心(日本国茨城县市东1丁目1番地1中央第6))在含有葡萄糖(glucose)2％、尿素1％、胴(peptone)0.5％、酵母萃取物(extract)0.3％、氯化钴0.05％(全质量％)的培养环境(pH7.0)中，于摄氏30度之下细心培养而得。再将前述产物利用离心分离机及50mM磷酸缓冲液(pH7.0)，以得到已集菌洗净的菌胞悬浮混浊液(干燥菌胞15质量％)。

(2)从3-氰戊醯胺至烟醯胺的反应

内容积为1L且附有套管的分离式烧瓶(separable flask)以4槽直线排列的方式相连结。在第1号槽内，以200ml/hr的流速连续添加溶解有15％的3-氰戊醯胺的50mM的磷酸缓冲液(pH8)，及以0.3ml/hr的流速连续添加菌胞悬浮混浊液，并于添加的同时进行搅拌。此时，第1号槽至第4号槽的反应槽的温度分别利用套管的冷却水(摄氏20度)将反应温度控制在摄氏30度、摄氏30度、摄氏32度、摄氏35度，以进行反应。

3日之后，将从第4号槽所流出的反应液，利用液体色层分析法(chromatography)(试管(column)：ODS-80A(GL科学公司制)，溶解分离液：5％乙谤(acetonitrile)，10mM磷酸缓冲液(pH7)，检测：200nm)进行分析，没有检测出3-氰戊醯胺，而可检测出17％左右的烟醯胺。

比较例1

使用由实例1所作成的菌胞悬浮混浊液，除了将4槽的全部反应温度变更成摄氏30度之外，其余皆与实例1相同。

3日之后，同样将从第4号槽所流出的反应液，利用液体色层分析法进行分析，检测出所生成的烟醯胺为16％左右，以及检测出为反应的3-氰戊醯胺为1％左右。

比较例2

使用由实例1所作成的菌胞悬浮混浊液，除了将4槽的全部反应温度变更成摄氏35度之外，其余皆与实例1相同。

3日之后，同样将从第4号槽所流出的反应液，利用液体色层分析法进行分析，检测出所生成的烟醯胺为15％左右，以及检测出为反应的3-氰戊醯胺为2％左右。

实例2

(1)活体触媒的调制

具有谤水化携活性的Pseudomonas chlororaphis B23(受托号码FERM BP-187，于1981年11月16日寄托于独立行政法人产业技术总合研究所特许生物寄托中心(日本国茨城县市东1丁目1番地1中央第6))在含有蔗糖(sucrose)1.0％、甲基丙烯谤(methacrylonitrile)0.5％、胴0.3％、磷酸2氢1钾0.1％、磷酸1氢2钾0.1％、硫酸镁0.1％、酵母萃取物0.3％、硫酸第一铁0.001％(全质量％)的培养环境(pH7.5)中，于摄氏25度之下细心培养而得。再将前述产物利用50mM磷酸缓冲液(pH7.0)洗净，以得到菌胞悬浮混浊液(干燥菌胞12质量％)。

另一方面将丙烯醯胺、亚甲基-N，N′-双丙烯醯胺(N，N′-methylene-bis-acrylamide)及2-二甲胺基丙基甲基丙烯醯胺(2-dimethylamino propyl methacrylamide)分别以30质量％、1质量％、4质量％的比例调制成单体混合水溶液。

接着，将菌胞悬浮混浊液、单体水溶液、10质量％的N，N，N′，N′-四甲基乙二胺(N，N，N′，N′-tetramethylethylene diamine)水溶液、及10质量％的过硫酸铵水溶液分别以5L/hr、2L/hr、0.1L/hr、0.1L/hr的流速进行线性混合(line mixing)的聚合之后，得到截断成1mm见方的粒子的固定化菌胞粒子。此固定化菌胞粒子通过流动化的50mM磷酸缓冲液(pH7.0)洗净，而形成固定化菌胞触媒(本触媒中，干燥菌胞质量为8％左右)。

(2)通过固定化触媒进行从丙烯谤(acrylonitrile)至丙烯醯胺的反应

在与实例1相同的装置中，于来自各反应槽的反应液出口处安装金属网，以防止来自各反应层的固定化菌胞触媒流出。在各反应层中，添加50g的固定化菌胞触媒。在第1号槽中，以155ml/hr的流速连续添加50mM磷酸缓冲液(pH7)及以25g/hr的流速连续添加丙烯谤。在第2号槽中，仅以20g/hr的流速连续添加丙烯谤。同时，于各槽中进行搅拌。此时，第1号槽至第4号槽的反应槽的温度分别利用套管的冷却水(摄氏5度)将反应温度控制在摄氏10度、摄氏10度、摄氏12度、摄氏15度，以进行反应。接着，一日一次，为达到置换反应槽内的触媒的目的，因此从第4号槽的金属网上抽出触媒6g。再者，借着分别从第3号槽抽出6g触媒至第4号槽、从第2号槽抽出6g触媒至第3号槽、从第1号槽抽出6g触媒至第2号槽，以及在第1号槽中追加6g触媒等的动作，以连续进行丙烯醯胺制造反应。

将从第4号槽所流出的反应液，一日一次地利用气体色层分析法(试管：PraPak-PS(Waters公司制)，1m，摄氏180度，负载气体(carriergas)：氮气，检测器：FID)进行分析。在大约3个月的运转中，仅检测出30％的丙烯醯胺，而未检测出未反应的丙烯谤。

比较例3

使用由实例2所作成的固定化菌胞触媒，除了将4槽的全部反应温度变更成摄氏10度之外，其余皆与实例2相同。

从第1.5个月开始，从第4号槽所流出的反应液开始残留未反应的丙烯谤，丙烯醯胺制品的品质开始降低。然，当触媒的添加抽取量变更为一日8g时，则不会检测出未反应的丙烯谤。

产业上的利用性

通过本发明，可以轻易地减少化合物制造时的活体触媒的使用量。此结果显示，可以降低化合物制造时的触媒比例费用，并减少废弃物。也就是，可于低成本的情形下，提供有效率的、低环境负担型的化合物制造方法。

在本说明书中所引用的全部刊物，其内容的全部引用于本说明书中。再者，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书为准。

Claims (7)

1、一种化合物的制造方法，适用于在1个或复数个反应槽内，对使用一活体触媒的一化合物进行连续制造的方法，其特征在于：包括：

在反应槽内或反应槽之间的一下流侧反应温度高于一上流侧反应温度。

2、如权利要求1所述的化合物的制造方法，其特征在于：其中在反应槽内或反应槽之间的该下流侧反应温度至少比该上流侧反应温度高摄氏1度以上。

3、如权利要求1所述的化合物的制造方法，其特征在于：其中在反应槽内或反应槽之间的该下流侧反应温度至少比该上流侧反应温度高摄氏5度以上。

4、如权利要求1所述的化合物的制造方法，其特征在于：其中该活体触媒选自于微生物菌胞及其处理物等所组成的族群。

5、如权利要求4所述的化合物的制造方法，其特征在于：其中所制造的该化合物包括醯胺化合物。

6、如权利要求5所述的化合物的制造方法，其特征在于：其中所制造的该化合物选自于丙烯醯胺、烟醯胺、5-氰戊醯胺等所组成的族群。

7、如权利要求1至6中任一所述的化合物的制造方法，其特征在于：在反应槽内的该活体触媒的流向与一反应液的流向并行流动。