DE69616594T2

DE69616594T2 - Produktion von ammonium-acrylat

Info

Publication number: DE69616594T2
Application number: DE69616594T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Hughes; Charles Symes
Original assignee: Ciba Specialty Chemicals Water Treatments Ltd
Current assignee: Ciba Specialty Chemicals Water Treatments Ltd
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: US6162624A; JP2000501611A; CN1075557C; DK0870051T3; ES2166010T3; JP3875722B2; BR9612006A; EP0870051A1; ATE207964T1; EP0870051B1; WO1997021827A1; AU714561B2; RU2182928C2; CN1207776A; US6361981B1; DE69616594D1; CA2239005A1; AU1106597A; CA2239005C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wässrigen Lösungen von Ammoniumacrylat und anderen Acryl-Monomeren.
In der gewerblichen Wirtschaft besteht ein großes Bedürfnis nach einem Verfahren zur Herstellung von wässriger Acrylsäure oder einem wasserlöslichen Salz davon, z. B. von Ammoniumacrylat oder Natriumacrylat, beispielsweise zur Verwendung als polymerisierbares Monomeres. Eine wässrige Lösung soll soweit wie möglich frei von Verunreinigungen sein, die entweder aus Umweltgesichtspunkten unerwünscht sind oder die bei der anschließenden Polymerisation stören können.
Ein üblicher Weg zur industriellen Herstellung von Acrylsäure besteht in der Hydrolyse von Acrylnitril unter Bildung von Acrylamid und in der anschließenden Hydrolyse des Acrylamids unter Bildung von Ammoniumacrylat oder Acrylsäure. Obgleich die meisten gewerblichen Verfahren dieses Typs sich auf eine chemische Hydrolyse stützen, ist für die einzelne Stufe auch eine enzymatische Hydrolyse bekannt (d. h. Nitrilhydratase zur Umwandlung von Nitril in Amid und Amidase zur Umwandlung von Amid in ein Säuresalz). Die Herstellung von Acrylsäure durch diese Technik ist wirtschaftlich unzweckmäßig, da sie beispielsweise eine umfangreiche Ausrüstung der beiden Stufen erforderlich macht. Ferner sind im allgemeinen aufwändige Reinigungsverfahren erforderlich.
Beispielsweise ist es wesentlich, die in Acrylnitril enthaltenen Mengen an Verunreinigungen auf einem sehr geringen Niveau zu halten, was eine aufwändige Destillation erforderlich machen kann. Ein weiteres, üblicherweise angewendetes Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure besteht in der Hydratisierung von Propylenoxid. Dadurch wird die Notwendigkeit zur Durchführung von Reinigungsverfahren mit dem Ziel zur Beseitigung von etwaigen Acrylnitril-Verunreinigungen vermieden, es ergibt sich aber der Nachteil, dass das Verfahren in einer komplizierten, im allgemeinen unter Druck arbeitenden Vorrichtung durchzuführen ist.
In der Literatur gibt es einige Vorschläge zur Verwendung eines Nitrilase-Enzyms zur direkten Umwandlung von wässrigem Acrylnitril in wässriges Ammoniumacrylat. Es gilt als allgemein anerkannte Tatsache, dass die direkte Umwandlung bei aromatischen Nitrilen wirksamer als bei aliphatischen Nitrilen ist; vergl. z. B. Stevenson et al., Biotech. and Appl. Biochem., Bd. 15 (1992), S. 283-302.
Gemäß einem Beispiel von EP-A-444 640 wurde Acrylnitril in einer Konzentration unter 200 mM unter Verwendung eines Nitrilase-Katalysators hydrolysiert, wodurch eine fast quantitative Umwandlung in Acrylsäure unter einer gewissen Verunreinigung mit Acrylamid erreicht wurde.
In JP-B-632596 wird in einem Beispiel eine 2%-ige Acrylnitrillösung verwendet und in einem weiteren Beispiel wird eine 25%-ige Acrylnitrillösung zu einer 32,9%-igen Ammoniumacrylatlösung hydrolysiert. In einem weiteren Beispiel wird eine 15%-ige (Meth)acrylnitrillösung verwendet, wodurch man eine 23%-ige Ammonium(meth)acrylatlösung erhält.
In Biotech. and Appl. Biochem., Bd. 11, (1989), S. 581-601, wird angegeben, dass das in dieser Druckschrift. erörterte, spezielle Enzym einen Km-Wert für Acrylnitril von 17 mM aufweist. Es werden keine Verfahrensbedingungen angegeben, jedoch weist dieser Wert notwendigerweise darauf hin, dass eine erhebliche Menge an Acrylnitril im Produkt verbleibt. In dem Artikel wird angegeben, dass 4-6% Acrylamid gebildet werden. Der gleiche Artikel gibt ferner an, dass das in Frage stehende Enzym für Benzonitril eine wesentlich höhere Aktivität als für Acrylnitril aufweist.
In J. Bacteriol., September 1990, S. 4807-4815, werden die Eigenschaften von R. rhodochrous K22 analysiert. Es wird angegeben, dass dieses Produkt einen Km-Wert für Acrylnitril von 1,14 mM aufweist. Dieser Wert deutet ebenfalls daraufhin, dass notwendigerweise erhebliche Mengen an Acrylnitril im Endprodukt vorhanden sind. Es finden sich keine Informationen über die erzielbaren Konzentrationen an Ammoniumacrylat, jedoch führt der Artikel aus, dass die Enzymaktivität bei Temperaturen über 55ºC rasch verloren geht.
In Appl. Microbiol. Biotech., Bd. 34 (1990), S. 322-324, wird ein halbkontinuierliches (fed batch) Verfahren zur Umwandlung von Acrylnitril in Acrylsäure beschrieben. Die Konzentration an Acrylnitril muss unter 200 mM (auf 1,06%) gehalten werden. Es wird angegeben, dass das Produkt nach 24 Stunden 38% Acrylsäure enthält. Die Produkte wurden durch Lösungsmittelextraktion extrahiert, wonach sich eine Eindampfung und Destillation anschlossen.
Diese enzymatischen Umwandlungsverfahren bieten eine wertvolle Alternative zur zweistufigen enzymatischen Umwandlung (d. h. Acrylnitril in Acrylamid und anschließend Acrylamid in Ammoniumacrylat) und zum chemischen Umwandlungsverfahren, wobei jedoch bei sämtlichen Verfahren das Erfordernis von umfangreichen Reinigungsmaßnahmen zur Verringerung der Acrylnitril-Konzentrationen bestehen bleibt.
Erfindungsgemäß stellen wir eine wässrige Lösung mit einem Gehalt an mindestens 30 Gew.-% (Meth)acrylsäure oder einem Salz davon und einem Gehalt an weniger als 0,2% (Meth)acrylnitril durch ein Verfahren her, das folgendes umfasst: man stellt Wasser und (Meth)acrylnitril in einer ausreichenden Menge bereit, dass sich bei Hydrolyse eine Konzentration von (Meth)acrylsäure oder einem Salz davon von mindestens 30 Gew.-% ergibt, man stellt während des Verfahrens in Kontakt mit dem (Meth)acrylnitril ein Enzym zur Umwandlung von (Meth)acrylnitril in Ammonium(meth)acrylat bereit, das einen Km-Wert für (Meth)acrylnitril unter 500 uM und einen Ki-Wert für Ammonium(meth)acrylat von mehr als 100 000 uM aufweist, man lässt die Hydrolyse von (Meth)acrylnitril ablaufen, so dass, sich eine Reaktionslösung mit einer Konzentration an (Meth)acrylnitril unter 0,2% und einer Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% ergibt und man gewinnt eine Lösung mit Konzentrationen an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% und an Acrylnitril von weniger als 0,2%.
Somit verwenden wir erfindungsgemäß ein Enzym, das (Meth)acrylnitril in äußerst niederen Konzentrationen abfangen kann, wodurch Ammonium(meth)acrylat selbst dann gebildet wird, wenn die Menge an Ammonium(meth)acrylat oder einem anderen (Meth)acrylsäuresalz in der Reaktionslösung sehr hoch sein kann. Als Ergebnis erhalten wir erstmals eine hohe Konzentration an Ammonium(meth)acrylat oder einem anderen (Meth)acrylsäure-Monomeren, das nur mit einer sehr geringen Menge an (Meth)acrylnitril verunreinigt ist. Insbesondere sind wir durch Verwendung eines Enzyms mit einem sehr niederen Km-Wert dazu in der Lage, im Endprodukt einen sehr niederen Gehalt an (Meth)acrylnitril zu erreichen. Außerdem sind wir durch Verwendung eines Enzyms, das einen sehr hohen Ki-Wert aufweist, dazu in der Lage, diese niedere Konzentration an (Meth)acrylnitril in Gegenwart einer hohen Konzentration an Ammonium(meth)acrylat zu erreichen.
Es ist sehr überraschend, dass wir ein Verfahren bereitstellen können, das eine hohe Konzentration an Ammonium(meth)acrylat oder einem anderen (Meth)acrylsäuresalz und eine sehr niedere Konzentration an (Meth)acrylnitril liefert. Insbesondere ist es überraschend, dass wir mit diesem Verfahren in bevorzugter Weise eine verdünnte Konzentration an Acrylnitril erreichen können. Durch Anwendung der Erfindung ist es sogar möglich, das gewünschte Produkt in einer einzigen Stufe in guter Ausbeute und hervorragender Reinheit zu erhalten, wobei die Notwendigkeit für eine Reinigung unter Entfernung von (Meth)acrylnitril somit vermieden wird. Insbesondere ist es überraschend, dass dies durch ein Verfahren erreicht werden kann, das in einem Verhältnis der Konzentrationen von Ausgangsmaterial zu Endprodukt von < 0,2 : > 30 durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß stellen wir (Meth)acrylnitril und Wasser für die Umsetzung zu (Meth)acrylsäure oder einem Salz davon durch Hydrolyse bereit. Es ist möglich, den Großteil der Hydrolyse unter Anwendung chemischer Mittel durchzuführen, wodurch eine wässrige Lösung mit einem Gehalt an (Meth)acrylsäure (oder einem Salz davon) und von nicht- umgesetztem (Meth)acrylnitril entsteht. Sodann stellt man das definierte Enzym in Kontakt mit dem (Meth)acrylnitril bereit und lässt die weitere Hydrolyse des nicht-umgesetzten (Meth)acrylnitrils ablaufen, bis die Reaktionslösung eine Konzentration an (Meth)acrylnitril von weniger als 0,2% und eine Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% aufweist.
Die Menge an (Meth)acrylnitril liegt üblicherweise unter 0,1% und kann so gering sein, dass sie durch herkömmliche analytische Techniken nicht nachweisbar ist.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können in zwei Stufen in einem einzigen Reaktor durchgeführt werden. Alternativ kann die chemische Stufe in einem Reaktor stattfinden, und die erhaltenen Lösung mit einem Gehalt an gelöster (Meth)acrylsäure oder einem Salz davon und einem restlichen (Meth)acrylnitril kann in einen Bioreaktor übertragen werden, wo die Verringerung an restlichem (Meth)acrylamid bei Kontakt mit dem definierten Enzym stattfindet.
Vorzugsweise wird jedoch im wesentlichen die gesamte Hydrolyse von (Meth)acrylnitril durch das definierte Enzym katalysiert. In diesem Fall enthält die gebildete Lösung mindestens 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat, Somit legen wir vorzugsweise in einem Reaktor Acrylnitril, Enzym und Wasser vor und gewinnen die fertige Lösung. Wir haben festgestellt, dass das erfindungsgemäß nach vollständig enzymatischen Verfahren erhaltene Ammoniumacrylat-Monomere (Bio-Ammoniumacrylat) hervorragende Eigenschaften zeigt, die gleichwertig oder besser sind als die Eigenschaften von Monomeren, die gemäß alternativen chemischen Wegen, beispielsweise, aus von Propylenoxid abgeleiteter Acrylsäure erzeugt worden sind. Polymere, die unter Verwendung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Monomeren erzeugt worden sind, zeigen ebenfalls hervorragende Eigenschaften. Das erfindungsgemäß hergestellte Bio-Ammoniumacrylat kann in weitere chemische Formen umgewandelt werden, beispielsweise in Acrylsäure, ein Natrium- oder anderes Alkalimetallsalz davon oder ein anderes, verwandtes Acrylsäure- Monomeres, und kann als Ausgangsmonomeres für die Herstellung von Acrylpolymeren verwendet werden. Alternativ kann es ohne Umwandlung in Form von Ammoniumacrylat eingesetzt werden. Es kann zur Bildung von Homopolymeren oder in Kombination mit anderen Monomeren zur Bildung von Copolymeren verwendet werden.
In der vorliegenden Beschreibung wird die Erfindung in Zusammenhang mit dem bevorzugten, im wesentlichen enzymatischen Verfahren zur Herstellung von Ammonium(meth)acrylat erörtert, es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die erörterten Prinzipien auch auf Verfahren anwendbar sind, bei denen ändere (Meth)acrylsäuresalze oder (Meth)acrylsäure selbst gebildet werden und bei denen es sich bei der ersten Stufe um eine chemische Hydrolyse von (Meth)acrylnitril handelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann einstufig durchgeführt werden. Bei einem derartigen Verfahren wird ein Reaktor mit Wasser und (Meth)acrylnitril in einer ausreichenden Menge, dass sich bei Hydrolyse eine Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mindestens 30 Gew.-% ergibt, und ferner mit einem definierten Enzym beschickt. Anschließend lässt man die Hydrolyse ablaufen, bis die Lösung im Reaktor eine Konzentration an (Meth)acrylnitril von weniger als 0,2% (und häufig von weniger als 0,1%) und eine Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% aufweist. Die Lösung wird sodann aus dem Reaktor entnommen.
Ein Verfahren dieses Typs kann als kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden. Bei einem derartigen Verfahren wird (Meth)acrylnitril in den kontinuierlichen Reaktor so eingespeist, dass, sich im Reaktor eine Konzentration von (Meth)acrylnitril unter 0,2%, häufig unter 0,1% und insbesondere unter 0,05% (2, 1 bzw. 0,5 g/l) ergibt. Die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat im Reaktor wird auf 30 Gew.-% oder darüber gehalten. Somit kann Material aus dem Reaktor kontinuierlich abgezogen werden, wodurch man ein Produkt erhält, das mindestens 30% Ammonium(meth)acrylat und weniger als 0,2% (Meth)acrylnitril enthält. Üblicherweise wird das Gemisch mit der gleichen Geschwindigkeit abgezogen, mit der die Reaktanten eingespeist werden, so dass im Reaktor ein feststehendes Arbeitsvolumen aufrecht erhalten wird.
Wasser stellt einen Reaktanten und ein Lösungsmittel für (Meth)acrylnitril und Ammonium(meth)acrylat dar. Wasser kann dem Reaktor zu Beginn der Umsetzung in der vollständigen erforderlichen Menge zugeführt werden. Gebräuchlich ist es jedoch, Wasser während der Umsetzung in den Reaktor einzuspeisen. Es kann zusammen mit dem (Meth)acrylnitril in Form einer wässrigen Lösung von (Meth)acrylnitril eingespeist werden. Die Löslichkeitsgrenze von (Meth)acrylnitril beträgt bei Umgebungstemperatur etwa 7% (Gew./Gew.) und die (Meth)acrylnitrillösung ist üblicherweise gesättigt. Wird (Meth)acrylnitril in Form einer Lösung zugegeben, so ist es häufig wünschenswert, reines (Meth)acrylnitril zusätzlich zu der Lösung zuzugeben. Reines (Meth)acrylnitril kann in flüssiger Form oder als dampfförmiges (Meth)acrylnitril zugegeben werden. Wasser kann dem Reaktor in einer vollständig von reinem (Meth)acrylnitril getrennten Form zugegeben werden.
Für dieses Verfähren eignen sich verschiedene Reaktortypen. Hierzu gehören kontinuierliche, gerührte Tankreaktoren, Abzieh-Füll- und Schlangentyp-Reaktoren sowie Propfenströmungsreaktoren. Geeignete Systeme beinhalten eine Reihe von gepackten Reaktoren, in die jeweils (Meth)acrylnitril und Wasser eingespeist werden. Die Reaktionslösung wird aus dem ersten gepackten Reaktor in den zweiten, sodann in den dritten usw. geleitet. Reaktionslösung mit einem Gehalt an mindestens 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat und weniger als 0,2 Gew.-% (Meth)acrylnitril wird aus dem letzten gepackten Reaktor abgezogen. Wirbelschichtreaktoren können ebenfalls verwendet werden, insbesondere anstelle von gepackten Reaktoren.
Alternativ kann ein Verfahren dieses einstufigen Typs als halbkontinuierliches (fed batch) Verfahren durchgeführt werden. Bei einem derartigen Verfahren speist man (Meth)actylnitril in den Reaktor ein und lässt es unter. Bildung von Ammonium(meth)acrylat reagieren. Dies wird so durchgeführt, dass die Konzentration an (Meth)acrylnitril zwischen einer oberen und einer unteren Konzentrationsgrenze gehalten wird. Das (Meth)acrylnitril kann kontinuierlich in den Reaktor eingespeist werden, um die Konzentration innerhalb dieses Bereichs zu halten. Alternativ kann es in einer solchen Menge eingespeist werden, dass die Konzentration an (Meth)acrylnitril die Obergrenze dieses Bereichs erreicht. Die Zufuhr wird sodann unterbrochen, bis die Konzentration an (Meth)acrylnitril bis auf die Untergrenze des Bereichs abfällt, wonach zu diesem Zeitpunkt die Zufuhr wieder aufgenommen wird, um die Konzentration an (Meth)acrylnitril erneut anzuheben. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat ein vorbestimmtes Niveau, das mindestens 30 Gew.-% beträgt, erreicht hat.
Die Konzentration an (Meth)acrylnitril im halbkontinuierlich arbeitenden Reaktor kann während der gesamten Umsetzung unter 0,2 Gew.-% gehalten werden, wobei die Ober- und Untergrenzen des gewählten Bereichs unter diesem Wert liegen. Alternativ kann man die Konzentration während der Umsetzung auf einen Wert über diesem Niveau ansteigen lassen oder sie kann im wesentlichen während der gesamten Reaktion dieses Niveau überschreiten. Die Obergrenze beträgt üblicherweise 1 oder 2 Gew.-% oder weniger, häufig 0,5 Gew.-% oder weniger und insbesondere 0,2% oder weniger. Es ist jedoch wesentlich, dass man am Ende der halbkontinuierlich ablaufenden Reaktion die Konzentration an (Meth)acrylnitril unter 0,2% und vorzugsweise unter 0,1% oder 0,05% abfallen lässt.
Wenn die Konzentration an (Meth)acrylnitril unter 0,2% und die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat über 30% liegt, wird die Lösung aus dem Reaktor entnommen. Sodann kann ein neuer Ansatz begonnen werden. Wasser kann dem Reaktor vor Beginn der Umsetzung oder während der Umsetzung in gleicher Weise wie für die vorstehenden kontinuierlichen Verfahren zugegeben werden.
Zu geeigneten Reaktoren für eine halbkontinuierliche Umsetzung gehören die gleichen Typen, wie sie sich für kontinuierliche Reaktionen eignen, sowie gerührte, absatzweise halbkontinuierlich arbeitende Tankreaktoren.
Erfindungsgemäß werden kontinuierliche und halbkontinuierlich arbeitende Verfahren bevorzugt. Jedoch umfasst die Erfindung auch die Verwendung von diskontinuierlichen (absatzweisen) Verfahren in Form von einstufigen Verfahren. Bei einem absatzsweisen Verfahren wird das Reaktionsgefäß mit einer ausreichenden Menge an (Meth)acrylnitril beschickt, so dass sich bei der Umsetzung in geeigneter Weise eine hohe Konzentration an Ammonium(meth)acrylat ergibt. Dieses (Meth)acrylnitril lässt man in Gegenwart des Enzyms reagieren. Die Umsetzung wird fortgesetzt, bis die Menge an (Meth)acrylnitril sich auf ein vorbestimmtes Niveau verringert hat, das immer unter 0,2% und häufig unter 0,05% liegt.
Zu geeigneten Reaktoren für eine absatzweise Reaktion gehören ein absatzweise arbeitender, gerührter Tankreaktor.
Andererseits kann das erfindungsgemäße Verfahren auch als zweistufiges, enzymatisches Hydrolyseverfahren durchgeführt werden. Bei einem Verfahren dieses Typs wird eine Anfangsstufe durchgeführt, während der die Hydrolyse von (Meth)acrylnitril in einem, solchen Umfang abläuft, dass entweder der gewichtsprozentuale Anteil an Ammonium(meth)acrylat unter 30% liegt oder einen anderen zu niedrigen Wert ausmacht und/oder dass der gewichtsprozentuale Anteil des restlichen (Meth)acrylnitrils mehr als 0,2% beträgt und/oder eine gewünschte Endkonzentration ausmacht. Normalerweise ist Ammonium(meth)acrylat in einer Menge von mindestens 30 Gew.-% vorhanden, wobei die Menge an restlichem (Meth)acrylamid mehr als 0,2 Gew.-% beträgt. Diese Anfangsstufe wird in einem ersten Reaktor durchgeführt.
Die Reaktionslösung aus diesem ersten Reaktor wird sodann in einen oder mehrere anschließende Reaktoren übertragen. In dem oder den weiteren Reaktoren wird eine zusätzliche Hydrolyse durch zusätzliches Enzym des definierten Typs katalysiert, so dass eine wässrige Lösung mit einem Gehalt an mindestens 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat und nicht mehr als 0,2 Gew.-% (Meth)acrylnitril entsteht. Derartige weitere Stufen werden häufig als "Feinreinigungsstufen" bezeichnet.
Verfahren, die eine Anfangsstufe und eine oder mehrere weitere Stufen umfassen, können als kontinuierliche, halbkontinuierliche oder diskontinuierliche Verfahren durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die anfängliche Stufe als ein kontinuierliches Verfahren, ein halbkontinuierliches Verfahren oder ein diskontinuierliches Verfahren gemäß einem der vorstehend beschriebenen Möglichkeiten durchgeführt werden kann. Die erhaltene Lösung wird sodann einer weiteren Feinreinigungsstufe zugeführt. In dieser Feinreinigungsstufe wird eine zusätzliche Hydrolyse durch das definierte Enzym katalysiert, so dass man ein Endprodukt mit dem erforderlichen Gehalt an Ammonium(meth)acrylat und (Meth)acrylnitril erhält. Dieses Produkt wird sodann aus dem letzten Reaktor entnommen.
In einem bevorzugten zweistufigen Verfahren wird das Reaktionsgemisch enzymatisch in einem kontinuierlichen Reaktor oder einem anderen Reaktor hydrolysiert, wodurch ein Produkt mit einem Gehalt an mindestens 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat und (Meth)acrylnitril in einer Menge von etwa 0,5 Gew.-% bis zur Sättigungskonzentration (die etwa 4 bis etwa 7 Gew.-% betragen kann) entsteht. Dieses Produkt wird sodann einer weiteren Stufe für die Feinreinigung zugeführt, wo die Konzentration an Acrylnitril durch eine enzymatische Hydrolyse unter 0,2% und häufig unter 0,1% verringert wird und die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat erhöht wird.
Die weitere Stufe kann aus mindestens zwei Reaktoren, z. B. Tanks, bestehen. Der erste Reaktor wird mit der Reaktionslösung aus der Anfangsstufe gefüllt. Nach dem Füllen des ersten Reaktors wird das (Meth)acrylnitril durch das im Reaktor vorhandene definierte Enzym hydrolysiert. Wenn dieser erste Reaktor gefüllt ist, wird das Endprodukt, das einen Anteil an (Meth)acrylnitril von weniger als 0,2 Gew.-% und häufig einen unter der Nachweisgrenze liegenden Anteil aufweist, aus dem Reaktor entnommen. Zu diesem Zeitpunkt setzt die Füllung eines zweiten, üblicherweise identischen Reaktors ein. Dieser wird auf die gleiche Weise gefüllt. Nachdem er voll ist, wird das Reaktionsgemisch aus dem zweiten Reaktor gepumpt und man beginnt erneut mit der Füllung des ersten Reaktors. Somit arbeiten die einzelnen Reaktoren in einer abwechselnden, halbkontinuierlichen Weise.
Eine alternative Feinreinigungssstufe kann einen gepackten Reaktor oder eine Reihe von gepackten Reaktoren, die das definierte Enzym enthalten, umfassen.
Ein weiteres zweistufiges Verfahren umfasst einen gepackten Reaktor als erste Stufe. Wasser und (Meth)acrylnitril werden einem Zyklus zugeführt, bei dem sie in einem Durchgangsmischer vermischt und sodann in den gepackten Reaktor geleitet werden. Das aus dem gepackten Reaktor austretende Produkt enthält mindestens 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat und (Meth)acrylnitril in einer Menge von üblicherweise 0,5 Gew.-% bis zur Sättigung. Ein Teil dieses Produkts wird einer Feinreinigungsstufe zugeführt, während ein anderer Teil des Produkts dem kontinuierlichen Verfahren der Anfangsstufe zugeführt wird.
Ein weiteres zweistufiges Verfahren beinhaltet in einer ersten Stufe die Herstellung einer Lösung mit einem Gehalt an bis zu 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat und mindestens 1 Gew.-% (Meth)acrylnitril. Diese Lösung wird einer Destillationsstufe zugeführt, wo sie unter Bildung einer Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von 35 bis 40 Gew.-% eingeengt wird. Anschließend wird dieses Produkt einer erfindungsgemäßen enzymatischen Feinreinigungsstufe zugeführt, um den Anteil an (Meth)acrylnitril auf weniger als 0,2 Gew.-% zu verringern.
Eine Feinreinigungsstufe kann mit beliebigen der vorstehend beschriebenen Anfangsstufen, die in einer einzigen Stufe kein Endprodukt mit den definierten Eigenschaften liefern, eingesetzt werden.
In einem zweistufigen Verfahren beträgt die Menge des (Meth)acrylnitrils in der aus der ersten Stufe austretenden Lösung häufig 0,5 bis 7 Gew.-%, beispielsweise mindestens 1 Gew.-% und bis zu etwa 3 oder 4 Gew.-%.
Bei diesen zweistufigen Verfahren besteht ein besonders überraschendes Merkmal der Erfindung in der Tatsache, dass es möglich ist, ein Enzym des gleichen Typs sowohl für die Anfangsstufe als auch für die Feinreinigungsstufe zu verwenden. Somit erweist sich das Enzym insofern als ungewöhnlich, als es dazu in der Lage ist, (Meth)acrylnitril in sehr geringen Konzentrationen abzufangen, und zwar in Gegenwart von sehr hohen Konzentrationen des Produkts (in der Feinreinigungsstufe), wie vorstehend erörtert. Jedoch zeigen die meisten Nitrilase-Enzyme eine Tendenz zur Desaktivierung in Gegenwart von relativ hohen Konzentrationen an (Meth)acrylnitril, z. B. bei Konzentrationen über 0,5 oder 1 Gew.-% und insbesondere bei Konzentrationen bis zur und um die Sättigungsgrenze herum. Das erfindungsgemäß verwendete Enzym ist dazu in der Lage, die Umwandlung in der relativ hochkonzentrierten (Meth)acrylnitril-Umgebung der Anfangsstufe und in der relativ niedrigkonzentrierten (Meth)acrylnitril-Umgebung in der Feinreinigungsstufe zu katalysieren.
Bei besonders bevorzugten Enzymen zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die Halbwertszeit bei Messung in einer wässrigen Lösung mit einem Gehalt an 120 bis 175 mM Acrylnitril und 2475 bis 2525 mM Ammoniumacrylat mindestens 5 Tage. Vorzugsweise beträgt die Halbwertszeit mindestens 7 Tage, insbesondere mindestens 7,5 Tage. Der genaue Gehalt an Acrylnitril und Ammoniumacrylat kann während des Tests variieren, wird aber immer innerhalb der angegebenen Konzentrationsgrenzen gehalten. Acrylnitril wird durch die Nitrilase in Ammoniumacrylat umgewandelt, so dass die Konzentration an Acrylnitril zunehmend verringert wird. Wenn die Konzentration die Untergrenze von 125 mM erreicht, wird weiteres Acrylnitril zugegeben, um die Konzentration auf die Obergrenze von 175 mM anzuheben. Gleichermaßen lässt man die Menge an Ammoniumacrylat zwischen den angegebenen Konzentrationen variieren, wobei eine Einstellung der Konzentration an Ammoniumacrylat vorgenommen wird, um zu verhindern, dass die Konzentration das angegebene Maximum von 2525 mM übersteigt.
In sämtlichen erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Endkonzentration an (Meth)acrylnitril unter 0,2%, häufig unter 0,15% oder 0,1% und vorzugsweise unter 0,05%. Insbesondere liegt sie unter 0,03% und ganz besonders unter 0,02 oder 0,01%. Die Konzentration kann so gering sein, dass sie im wesentlichen nicht nachweisbar ist.
Die Endkonzentration an Ammonium(meth)acrylat beträgt mindestens 30 Gew.-%, häufig mindestens 35 Gew.-% und insbesondere mindestens 40 oder 45 Gew.-%. Die maximale Konzentration an Ammonium(meth)acrylat beträgt üblicherweise 48 bis 50 Gew.-%, da oberhalb dieser Konzentrationen Ammonium(meth)acrylat zu einer Ausfällung aus der Lösung neigt.
Das Enzym kann im erfindungsgemäßen Verfahren in einer beliebigen geeigneten Form zugegeben werden. Es kann in reiner Form verwendet werden, nachdem es aus einem gezüchteten Mikroorganismus vor dem Einsatz als Katalysator extrahiert worden ist. Das herangezogene Extraktionsverfahren soll gewährleisten, dass die Aktivität und die Stabilität des Enzyms nicht verloren gehen.
Ferner kann es in halbreiner Form verwendet werden, beispielsweise als flüssige Kultur oder als bakterielle Zellfraktion, wie intakte Zellen oder zerkleinerte Zellen. Es kann auch in Form einer rohen, unreinen Enzymlösung eingesetzt werden. Ferner kann es auf einen Träger aufgebracht oder daran immobilisiert werden, z. B. an einer vernetzten polymeren Matrix, beispielsweise an vernetztem Polyvinylalkohol oder vernetztem Polyacrylamid. Es kann in Form von ungequollenen Teilchen mit an der Oberfläche gebundenem Enzym eingesetzt werden. Vorzugsweise wird es in Form von intakten bakteriellen Zellen oder in einer auf eine vernetzte polymere Matrix als Träger aufgebrachten Form verwendet.
Wir haben festgestellt, dass es für halbkontinuierliche Reaktionen besonders vorteilhaft ist, das Enzym in reiner oder halbreiner Form als freie Zellen einzusetzen. Bei einer Verwendung in dieser Form wird die Notwendigkeit zur Immobilisierung der Zellen an einem Träger vermieden, wobei wir festgestellt haben, dass es dadurch nicht zu einer übermäßig verminderten Stabilität bei der Lagerung oder im Reaktionsgemisch kommt.
Für kontinuierliche Verfahren bevorzugen wir die Verwendung des Enzyms in immobilisierter Form, da sich dadurch tendenziell eine höhere Langzeitstabilität im verwendeten Reaktor ergibt. Insbesondere haben wir festgestellt, dass unter bestimmten Umständen ein Enzym in immobilsierter Form im Reaktionsgemisch ebenso stabil wie bei der Lagerung ist. Ferner ist im allgemeinen die Trennung des Katalysators vom Endprodukt einfacher.
Wir haben festgestellt, dass dann, wenn das Enzym in immobilisierter Form und insbesondere in der Form von Polymerkügelchen vorliegt, eine Herstellung von Polymerkügelchen von größeren Abmessungen die Enzymstabilität während der Polymerisation verbessert. Insbesondere werden Polymerkügelchen mit einer Größe von mehr als 850 uM und ganz besonders von mehr als 1 mm bevorzugt.
Die polymere Matrix kann auf beliebige Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Perlpolymerisation oder Suspensionspolymerisation. Auch die Zugabe eines viskos machenden Mittels zum Monomergemisch kann geeignet sein.
Wir haben festgestellt, dass die Stabilität des Enzyms während der Herstellung bei einer niedrigen Zellbelastung, d. h. dem gewichtsprozentualen Anteil der trockenen Zellen, bezogen auf die polymere Matrix, am höchsten ist, insbesondere bei einem Wert unter 5% und ganz besonders unter 1%, z. B. um 0,5 Gew.-%. Jedoch lässt sich eine stabile Beschaffenheit auch unter Anwendung einer niedrigen Polymerisationstemperatur, z. B. unter 30 oder 20ºC und häufig unter 15ºC, erreichen. Dies kann in Kombination mit einer höheren Zellbelastung, zum Beispiel mindestens 4 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 5 Gew.-% und beispielsweise um 6,5 oder 6,8 Gew.-% durchgeführt werden.
Im bevorzugten Verfahren wird das Enzym im Reaktionsgemisch so zugesetzt, dass sich die gewünschte Aktivität im Reaktor ergibt. Üblicherweise weist die Form des dem Reaktor zugesetzten Katalysators eine Aktivität von 50 bis 100 000 Nitrilase-Einheiten pro Gramm und typischerweise von 500 bis 5000 Nitrilase-Einheiten pro Gramm auf, wobei eine Nitrilase-Einheit definiert ist als Umwandlung von Acrylnitril in Ammoniumacrylat in einer Geschwindigkeit von 1 umol/min bei 30ºC, einem pH-Wert von 7 und 50 mM Acrylnitril in 50 mM Phosphatpuffer. Der Katalysator kann in Form von bakteriellen Zellen oder in gebräuchlicherer Weise in an einer polymeren Gelmatrix immobilisierten Form vorliegen. Der Katalysator mit der definierten Aktivität wird dem Reaktor in einer Menge von 1 bis 50 Gew.-% des Reaktionsgemisches zugesetzt.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Enzym dem Reaktionsgemisch in einer solchen Menge zugesetzt wird, dass sich eine Aktivität von 3000 bis 50 000 Nitrilase-Einheiten pro Liter des Reaktionsgemisches ergibt.
Bei den zweistufigen erfindungsgemäßen Verfahren haben wir festgestellt, dass es wünschenswert ist, in der Feinreinigungsstufe größere Mengen an Enzymkatalysator als in der Anfangsstufe zuzusetzen.
Bei bevorzugten Verfahren wird üblicherweise die vollständige Menge des erforderlichen Enzyms dem jeweiligen Reaktor zu Beginn der Umsetzung, d. h. vor Zugabe des (Meth)acrylnitril-Reaktanten oder der Reaktionslösung, zugesetzt. Jedoch ist es auch möglich, das bevorzugte Verfahren unter Zugabe von zusätzlichem Enzym zum jeweiligen Reaktor während der Umsetzung zuzusetzen, und zwar entweder kontinuierlich oder periodisch.
Die Umsetzung wird in wässriger Lösung durchgeführt. Im allgemeinen handelt es sich bei den einzigen Komponenten der wässrigen Lösung um Wasser, Enzym (einschließlich bakterielle Zellen, polymere Matrix und dergl.), (Meth)acrylnitril und Ammonium(meth)acrylat.
Die Umsetzung kann in einer beliebigen geeigneten Zeitspanne durchgeführt werden. Eine kontinuierliche Umsetzung kann 10 Stunden lang, im allgemeinen mindestens 20 oder 30 Stunden und häufig 50 oder 60 Stunden oder mehr vorgenommen werden. Die Dauer einer kontinuierlichen Umsetzung hängt im allgemeinen tendenziell zumindest teilweise von der Stabilität des Enzyms in der Reaktionslösung ab. Ein hochgradig stabiles Enzym ermöglicht die Durchführung von kontinuierlichen Umsetzungen für sehr lange Zeitspannen, ohne dass es erforderlich ist, zusätzliches frisches Enzym in das Reaktionsgemisch zu geben.
Halbkontinuierliche Verfahren und absatzweise Verfahren dauern im allgemeinen 1 bis 24 Stunden und beispielsweise etwa 5 Stunden. Die Dauer eines derartigen Reaktionstyps hängt ab von der Aktivität des Enzyms und von der Geschwindigkeit, mit der das Enzym (Meth)acrylnitril in Ammonium(meth)acrylat umwandelt. Ein Enzym mit einem hohen Ki-Wert für Ammoniumacrylat ermöglicht eine rasche Umwandlung von Acrylnitril selbst dann, wenn die Produktkonzentration 35% oder sogar 40% erreicht, im Gegensatz zu der in Appl. Microbiol. Biotech., Bd 34 (1990), S. 322-324, beschriebenen Nitrilase, wo sich eine ausgeprägte Produkthemmung durch eine geringere Umwandlungsrate, die offensichtlich nur 25 bis 30% Ammoniumacrylat beträgt, zeigt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren werden im allgemeinen bei einer Temperatur von 5 bis 70ºC und vorzugsweise von 20 bis 60ºC durchgeführt. Wir haben festgestellt, dass wir durch Anwendung von niedrigen Reaktionstemperaturen den Verlust an Enzymaktivität verringern können, ohne dass die Ausbeute an Ammonium(meth)acrylat in signifikanter Weise sinkt. Beispielsweise eignen sich Temperaturen unter 30ºC und insbesondere unter 20ºC. Die Reaktionstemperatur kann unter 15ºC und sogar nur 10ºC betragen.
Die pH-Bedingungen entsprechen üblicherweise einem Wert von 3 bis 9,5, vorzugsweise von 5 bis 9, und insbesondere von 6 bis 8.
Die sehr niedrigen Konzentrationen an (Meth)acrylnitril, die im Reaktor vorliegen, erfordern eine sorgfältige Kontrolle der Reaktantenkonzentration, insbesondere für absatzweise Verfahren und ganz besonders für kontinuierliche Verfahren.
Die Messung und die Steuerung der Konzentration an (Meth)acrylnitril kann auf eine beliebige herkömmliche Art und Weise (zum Beispiel spektroskopisch oder chromatographisch) in der flüssigen Phase durchgeführt werden, wobei aber ein besonders zweckmäßiges und rasches Verfahren im Nachweis von (Meth)acrylnitril im Kopfraumgas, das im Gleichgewicht mit dem Reaktionsgemisch steht, besteht. Diese Messung kann durch UV-Analyse durchgeführt werden.
Wenn der Reaktor keinen Kopfraum aufweist, kann die Analyse an einem beliebigen Dampf durchgeführt werden, der im Gleichgewicht mit dem Reaktionsgemisch gehalten wird, beispielsweise mittels einer Anzapfleitung. Eine weitere geeignete Überwachungstechnik bedient sich der Leitfähigkeit. Portionen des Reaktionsgemisches werden entnommen, beispielsweise durch Probennahme oder mittels einer Anzapfleitung. Wir haben festgestellt, dass die Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Konzentration an Ammonium(meth)acrylat sehr empfindlich ist und bei niedrigen Konzentrationen von Ammonium(meth)acrylat zum Beispiel unter etwa 20 Gew.-% im wesentlichen linear verläuft. Da die erfindungsgemäßen Verfahren tendenziell bei über diesem Wert liegenden Konzentrationen durchgeführt werden, wird die Probe der Reaktionslösung soweit verdünnt, dass die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat innerhalb dieses empfindlichen, linearen Bereichs liegt.
Die Leitfähigkeit wird sodann dazu herangezogen, die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat sehr genau zu messen. Der prozentuale Anteil an (Meth)acrylnitril wird sodann unter Durchführung einer Materialbilanzrechnung bestimmt.
Wir haben ferner festgestellt, dass dann, wenn hohe Konzentrationen, z. B. über 30 Gew.-%, an Ammonium(meth)acrylat vorliegen, (Meth)acrylnitril einen feststellbaren Einfluss auf die Leitfähigkeit ausübt. Ferner ist es möglich, diesen Effekt zur Bestimmung der Konzentrationen an (Meth)acrylnitril im Reaktionsgemisch heranzuziehen.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere bei kontinuierlichen Verfahren und häufig bei halbkontinuierlichen Verfahren, ist es in hohem Maße erwünscht, eine niedere Konzentration an (Meth)acrylnitril aufrechtzuerhalten. Im allgemeinen ist es wichtig, lokale Bereiche mit sehr hohen Konzentrationen an (Meth)acrylnitril auf ein Minimum zu beschränken, zum Beispiel dort, wo (Meth)acrylnitril in den Reaktor eingespeist wird. Im allgemeinen ergibt sich eine optimale Lebensdauer des Katalysators bei einer niedrigen Konzentration an (Meth)acrylnitril. Wenn die durchschnittliche Konzentration sehr nieder ist, kann ein vorübergehender Kontakt mit Konzentrationen an (Meth)acrylnitril von mehr als 0,2% oder sogar von 1 oder 2% hingenommen werden. Gleichermaßen können zeitweilige Variationen der Konzentration im zeitlichen Verlauf hingenommen werden, wenn der Durchschnittswert nieder ist und die Variationen nur von sehr kurzer Dauer sind.
Das Auftreten von lokalen hohen Konzentrationen an (Meth)acrylnitril kann durch eine geeignete Wahl der Zugabevorrichtungen und durch Sicherstellung einer angemessenen Rührbewegung im Reaktor vermindert werden.
Die Steuerung von halbkontinuierlichen Umsetzungen kann unter Verwendung von programmierten Steuervorrichtungen, z. B. von computergesteuerten Vorrichtungen, durchgeführt werden. Eine derartige Steuervorrichtung wird so programmiert, dass (Meth)acrylnitril in flüssiger Form oder in Dampfform mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit eingespeist wird.
Halbkontinuierliche und kontinuierliche Umsetzungen, insbesondere solche, die in einem kontinuierlichen, gerührten Tankreaktor durchgeführt werden, lassen sich unter Verwendung eines Rückkopplungssystems steuern. Eine Analyse des Reaktionsgemisches kann beispielsweise im Kopfraum oder auf eine andere, vorstehend beschriebene Art und Weise durchgeführt werden. Die Messergebnisse werden zur Steuerung der Zufuhr an (Meth)acrylnitril in Form einer Flüssigkeit oder eines Dampfes in den Reaktor herangezogen.
Die Steuerung kann durch Kreislaufführung eines Gases oder einer nicht-mischbaren Flüssigkeit durch den Reaktor vorgenommen werden. Beim Gas kann es sich beispielsweise um (Meth)acrylnitril-Dampf oder (Meth)acrylnitril-Dampf im Gemisch mit einem anderen Gas handeln. Bei der nicht-mischbaren Flüssigkeit kann es sich um beliebige Flüssigkeiten, die mit dem Reaktionsgemisch nicht mischbar sind, handeln. Auch hier kann (Meth)acrylnitril in dieser nicht-mischbaren Flüssigkeit gelöst oder mit dieser vermischt werden. Das Gas oder die nicht-mischbare Flüssigkeit wird durch das Reaktionsgemisch geleitet, wobei (Meth)acrylnitril in das Gemisch gelangt. Die Gasbläschen oder die nicht-mischbare Flüssigkeit durchlaufen das Reaktionsgemisch üblicherweise in Richtung nach oben, da das Gas oder die nicht-mischbare Flüssigkeit häufig so gewählt werden, dass ihre Dichte geringer als die des Reaktionsgemisches ist. Das Gas oder die Flüssigkeit können sodann entnommen und analysiert werden. Die Ergebnisse dieser Analyse können zur Steuerung der Zufuhrmenge des Gases oder der nicht-mischbaren Flüssigkeit in das Reaktionsgemisch herangezogen werden. Das Gas oder die nicht-mischbare Flüssigkeit können auch Wasser in das Reaktionsgemisch transportieren. Ein derartiges System kann insbesondere für kontinuierliche Reaktionen, insbesondere in kontinuierlichen, gerührten Tankreaktoren und für halbkontinuierliche Reaktionen herangezogen werden.
Das Reaktionsgemisch selbst kann im Kreislauf geführt werden, indem es mittels einer Schleife entnommen und in das Reaktionsgemisch zurückgeführt wird. Die Schleife kann mit einer Quelle für (Meth)acrylnitril und häufig mit einer Wasserquelle verbunden werden. Eine Analyse kann innerhalb der Schleife oder im Kopfraum durchgeführt werden, um eine Steuerung der Zugabe des Reaktanten in die Schleife zu ermöglichen. Wenn es sich um eine kontinuierliche Umsetzung handelt, kann eine Anzapfleitung vorgesehen werden, durch die das Reaktionsgemisch aus der Schleife entnommen werden kann.
In sämtlichen Fällen kann der Reaktor mit einem Rührer versehen sein, obgleich dies nicht immer erforderlich ist.
Für kontinuierliche Umsetzungen könne beliebige geeignete Verfahren zur Entnahme des Reaktionsgemisches herangezogen werden. Geeignete Verfahren umfassen eine Anzapfleitung gemäß den vorstehenden Angaben und ein Wehr, über das das Reaktionsgemisch fließen und aus dem Reaktor gelangen kann.
Das Enzym muss einen Km-Wert für (Meth)acrylnitril, d. h. das umzuwandelnde Acrylnitril oder Methacrylnitril, unter 500 um und einen Ki-Wert für Ammoniumacrylat oder Ammoniummethacrylat (je nach dem, wäs gebildet wird) von über 100 000 um aufweisen. Gemäß der vorliegenden Beschreibung werden die Km- und Ki-Werte unter Bedingungen gemessen, bei denen die Enzyme der Michaelis-Menten-Kinetik folgen, insbesondere beim pH-Wert 7. Eine bevorzugte Messtechnik bedient sich eines Enzyms in Form von vollständigen Zellen in 50 mM Natriumphosphatpuffer beim pH-Wert 7 und 30ºC, wobei Konzentrationen an Acrylnitril von 0,01 bis 0,5 mM (für den Km-Wert) und von 1,2 M Ammoniumacrylat und 0,079 bis 0,554 mM Acrylnitril (für den Ki-Wert) herangezogen werden.
Vorzugsweise liegt der Km-Wert unter 300 um, insbesondere unter 100 um und ganz besonders unter 60 um. Ein bevorzugtes Enzym, mit dem wir anfängliche Versuche durchgeführt haben, weist in Form der vollständigen Zellen einen Km-Wert von 30,6 um auf. Wir nehmen an, dass die Anwendung standardmäßiger Techniken und Auswahlverfahren, wie sie beispielsweise für Amidase von Silman et al., J. Gen. Microbiol., Bd 135 (1989), S. 3153-3164, und für Lactat-Dehydrogenase von Wagner, Tibtech., Bd 8 (1990), S. 263-270, beschrieben wurden, Enzyme mit Km-Werten bis herunter auf 9,4 und sogar auf 3,8 um ergeben.
Der Ki-Wert beträgt vorzugsweise mindestens 150 000 oder 200 000 und insbesondere mindestens 250 000 um. Ein bevorzugtes Enzym, an dem wir anfangs Untersuchungen durchgeführt haben, weist einen Ki-Wert auf, den wir zu 309 000 um geschätzt haben. Es ist anzunehmen, dass standardmäßige Techniken und Auswahlverfahren, wie sie vorstehend für den Km-Wert aufgeführt wurden, Enzyme mit Ki-Werten bis zu 300 000 um oder sogar bis 800 000 um oder darüber ergeben.
Das Verhältnis Ki/Km beträgt im allgemeinen mindestens 200, vorzugsweise mindestens 300, insbesondere mindestens 500 und ganz besonders mindestens 1000. Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Enzyme können ein Verhältnis Ki/Km von mindestens 5000 und von sogar 9000 oder mehr aufweisen. Ein Enzym, mit dem wir anfangs Untersuchungen durchgeführt haben, weist für dieses Verhältnis einen Wert von mehr als 10 000 auf.
Bei einem besonders bevorzugten Enzym zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um einen neuen Mikroorganismus, den wir isoliert haben. Es handelt sich um einen Stamm von Rhodococcus rhodochrous, der am 8. August 1995 beim NCIMB-Institut unter der Hinterlegungsnummer NCIMB 40757 hinterlegt worden ist. Ein weiteres bevorzugtes Enzym ist ein Stamm von Rhodococcus rhodochrous, den wir beim NCIMB-Institut am 11. Dezember 1996 unter der Hinterlegungsnummer NCIMB 40833 hinterlegt haben. Demgemäss besteht ein bevorzugter Aspekt der Erfindung in einem Verfahren, bei dem es sich beim Enzym um ein Produkt handelt, das aus einem Mikroorganismus mit den Eigenschaften von Rhodococcus rhodochrous NCIMB 40757 oder NCIMB 40833 oder einer Mutante oder Variante von einem dieser beiden Stämme erhältlich ist.
Diese Mikroorganismen und die von ihnen gebildeten Nitrilase-Enzyme werden in der gleichzeitig anhängigen internationalen Anmeldung WO-A- 9721805, die die Priorität der britischen Patentanmeldung Nr. 9525372.0 beansprucht, erörtert.

Beispiel 1

Das ursprüngliche Isolat des Stammes von Rhodococcus rhodochrous, der beim NCIMB-Institut (National Collection of Industrial and Marine Bacterial) unter der Hinterlegungsnummer NCIMB 40757 hinterlegt worden ist und der Nitrilase-Enzym enthält oder in dem Nitrilase-Enzym induziert werden kann, wird in einen Erlenmyer-Kolben, der das flüssige Kulturmedium der in der nachstehenden Tabelle angegebenen Zusammensetzung enthält, übertragen.

Komponente Vorhandene Menge/Liter

K&sub2;HPO&sub4; 7 g
KH&sub2;PO&sub4; 3 g
Natriumacetat 5 g
Acetonitril 2 g
MgSO&sub4;·7H&sub2;O 1 g
CaCl&sub2;·6H&sub2;O 0,2 g
Vitamine 0,1 ml
Spurenmetalle 1 ml
Der Erlenmeyer-Kolben wird unter Rühren 24 Stunden inkubiert. Die Zellen werden sodann von der Flüssigkeit abgetrennt, in 50 mM Natriumphosphatpuffer vom pH-Wert 7 resuspendiert und sodann vom Puffer getrennt. Ein Teil der Zellen wird in gefrorenem Zustand bei -20ºC aufbewahrt, während der Rest in 50 mM Natriumphosphatpuffer vom pH-Wert 7 mit einem Gehalt an 50 mM Acrylnitril resuspendiert wird. Die spezifische Nitrilase-Aktivität der Zellen wurde zu 1060 umol/Minute/Gramm Trockengewicht der Zellen bestimmt.
Anschließend wurden die Zellen bei 30ºC in reinem Wasser suspendiert. Acrylnitril wurde in periodischen Abständen zu der Zellsuspension gegeben, um die Konzentration an Acrylnitril auf 190 mM zu erhöhen. Vor jeder Zunahme wurden Proben entnommen, um die Konzentrationen an Acrylnitril, Acrylamid und Ammoniumacrylat in der Zellsuspension zu ermitteln. In der nachstehenden Tabelle sind die anfänglichen, maximalen und endgültigen Werte der spezifischen Nitrilase- Aktivität, die endgültige Konzentration an Ammoniumacrylat und die Zeitspanne bis zum Erreichen dieser Konzentration angegeben.
Anfängliche spezifische Enzym-Akitvität (umol/min/g) 518
Endgültige Ammoniumacrylat-Konzentration (M) 5,68
Zeitspanne bis zum Erreichen der vorstehenden Konzentration (Stunden) 6,7
Maximale spezifische Enzym-Aktivität (umol/min/g) 901
Spezifische Enzym-Aktivität bei Beendigung des Ansatzes (mol/min/g) 122
Zellmaterial wurde aus der Ammoniumacrylatlösung durch Zentrifugation und Filtration entnommen. Die ermittelten Konzentrationen an Acrylnitril, Acrylamid und Ammoniumacrylat sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Monomeres Konzentration

Acrylnitril Unterhalb der Nachweisgrenze
Acrylamid 0,023 M
Ammoniumacrylat (Gew.-%) 50,5 Gew.-%
Eine weitere, auf die gleiche Weise durchgeführte Umsetzung ergab eine Konzentration an Acrylamid von 0,15 Gew.-% und an Ammoniumacrylat von 46 Gew.-% -, wobei die Konzentration an Acrylnitril unter der Nachweisgrenze lag.

Beispiel 2

Ein erfindungsgemäßes kontinuierliches Verfahren wird unter Verwendung eines Enzyms gemäß den Angaben in Beispiel 1 durchgeführt. Das Enzym wird zur Bereitstellung von immobilisierten Zellen in Polymerkügelchen eingekapselt. Diese Kügelchen mit immobilisierten Zellen werden in einen Reaktor gegeben und bei 20ºC in einer Lösung mit 33 Gew.- % Ammoniumacrylat und 3,6 Gew.-% Acrylnitril suspendiert. Durch Einwirkung des immobilisierten Katalysators wird ein Anstieg der Konzentration an Ammoniumacrylat im Reaktor auf 35 Gew.-% ermöglicht. Sodann werden Acrylnitril und Wasser getrennt, automatisch in den Reaktor eingespeist, um die Konzentration an Ammoniumacrylat zwischen 33 und 35 Gew.-% und die Konzentration an Acrylnitril zwischen 2,4 und 3,6 Gew.-% zu halten. Während des Vorgangs werden durch eine Anzapfleitung die Acrylnitril/Ammoniumacrylat-Lösung und das kugelförmige Material kontinuierlich aus dem Reaktor entnommen, um das Arbeitsvolumen im Reaktor konstant zu halten. Der Reaktorinhalt gelangt sodann in einen Zyklon, wo die Kügelchen abgetrennt und in den Reaktor zurückgeführt werden. Der Produktstrom wird sodann in ein Paar von Feinreinigungstanks eingespeist. Diese Tanks enthalten ebenfalls Kügelchen von immobilisiertem, enzymatischem Material. In jedem Stadium wird ein Tank mit der Ammoniumacrylat-Lösung, die mit Acrylnitril verunreinigt ist, gefüllt, während der andere Tank unter den Bedingungen der enzymatischen Hydrolyse gehalten wird. Nach Durchführung der enzymatischen Hydrolyse bis zum Erreichen einer Konzentration, bei der der Gehalt an Acrylnitril auf im wesentlichen nicht-nachweisbare Konzentrationen verringert worden ist, wird dieser Tank durch einen Filter entleert. Mit dem Filter werden das Enzym und andere feste Bestandteile aus der Lösung mit einem Gehalt an 39% Ammoniumacrylat, die im wesentlichen frei von Acrylnitril ist, abgetrennt.

Beispiel 3

Ein erfindungsgemäßes wiederholtes, halbkontinuierliches Verfahren wird unter Verwendung eines Enzyms gemäß den Angaben in Beispiel 1 durchgeführt. Das Enzym wird zur Bereitstellung von immobilisierten Zellen in Polymerkügelchen eingekapselt. Die Kügelchen mit den immobilisierten Zellen werden in einen Reaktor gegeben und in Wasser von 20ºC suspendiert. Acrylnitril wird bis zum Erreichen einer Konzentration von. 1,2 Gew.-% zugegeben. Die Nitrilase der immobilisierten Zellen katalysiert die Hydrolyse des Acrylnitrils unter Bildung von Ammoniumacrylat. Nachdem die Konzentration des Acrylnitrils im Reaktor sich auf 0,9 Gew.-% verringert hat, wird der Reaktor automatisch mit Acrylnitril versetzt, um die Konzentration an Acrylnitril im Reaktor erneut auf 1,2 Gew.-% zu bringen. Diese automatische Einspeisung wird fortgesetzt, bis die Konzentration an Ammoniumacrylat im Reaktor auf 43,5 Gew.-% angestiegen ist. Nach Beendigung des Ansatzes wird die Zufuhr von Acrylnitril eingestellt und das im Reaktor verbleibende Acrylnitril wird in Ammoniumacrylat umgewandelt, bis die Konzentration an Ammoniumacrylat 45 Gew.-% beträgt und die Konzentration an Acrylnitril praktisch 0 ist.
Die auf diese Weise erzeugte Ammoniumacrylat-Lösung wird aus dem Reaktor entnommen und zur Entfernung von Zellmaterial und immobilisiertem Biokatalysator filtriert. Dieses Material wird sodann in den Reaktor zurückgeleitet, der erneut mit Wasser von 20ºC gefüllt wird, wonach das Verfahren wiederholt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Lösung mit einem Gehalt an mindestens 30 Gew.-% (Meth)acrylsäure oder einem Salz davon und einem Gehalt an weniger als 0,2% (Meth)acrylnitril, das folgendes umfasst: man stellt Wasser und (Meth)acrylnitril in einer ausreichenden Menge bereit, dass sich bei Hydrolyse eine Konzentration von (Meth)acrylsäure oder einem Salz davon von mindestens 30 Gew.-% ergibt, man stellt während des Verfahrens in Kontakt mit dem (Meth)acrylnitril ein Enzym zur Umwandlung von (Meth)acrylnitril in Ammonium(meth)acrylat bereit, das einen Km-Wert für (Meth)acrylnitril unter 500 uM und einen Ki-Wert für Ammonium(meth)acrylat von mehr als 100000 uM aufweist, man lässt die Hydrolyse von (Meth)acrylnitril ablaufen, so dass sich eine Reaktionslösung mit einer Konzentration an (Meth)acrylnitril von unter 0,2% und einer Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% ergibt und man gewinnt eine Lösung mit Konzentrationen an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% und an Acrylnitril von weniger als 0,2%.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (Meth)acrylnitril einer chemischen Hydrolyse unterworfen wird, um eine Lösung mit einem Gehalt an Ammonium(meth)acrylat und Acrylnitril bereitzustellen, und die erhaltene Lösung sodann mit dem Enzym in Kontakt gebracht wird und man eine Hydrolyse des (Meth)acrylnitrils ablaufen lässt, bis die Reaktionslösung eine Konzentration an (Meth)acrylnitril unter 0,2% erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im wesentlichen die gesamte Hydrolyse des (Meth)acrylnitrils durch eine enzymatische Hydrolyse mit diesem Enzym durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei man einen Reaktor mit dem Enzym, mit Wasser und mit (Meth)acrylnitril in einer ausreichenden Menge, um bei der Hydrolyse eine Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mindestens 30 Gew.-% zu erzielen, beschickt und man eine enzymatische Hydrolyse ablaufen lässt, bis die Lösung eine Konzentration an (Meth)acrylnitril unter 0,2% und eine Konzentration an Ammonium(meth)acrylat von mehr als 30% aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Endkonzentration an (Meth)acrylnitril weniger als 0,1% und vorzugsweise weniger als 0,02% beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei die Endkonzentration an Ammonium(meth)acrylat mindestens 40 Gew.-% beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Km-Wert unter 100 uM liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Ki-Wert mindestens 200000 uM beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Ki/Km- Verhältnis mindestens 5000 beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das Enzym durch Züchten eines Mikroorganismus mit den Eigenschaften von Rhodococcus rhodochrous NCIMB 40757 oder NCIMB 40833 erhältlich ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, das durchgeführt wird, indem man den Reaktor während des Verfahrens mit dem Enzym, mit Wasser und dem (Meth)acrylnitril beschickt, die Hydrolyse im Reaktor ablaufen lässt und die Lösung aus dem Reaktor entnimmt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, das als zweistufiges enzymatisches Hydrolyseverfahren durchgeführt wird, wobei während der ersten Stufe die Hydrolyse von (Meth)acrylnitril in einem solchen Ausmaß erfolgt, dass entweder der gewichtsprozentuale Anteil an Ammonium(meth)acrylat unter der gewünschten Endkonzentration liegt oder der prozentuale Anteil des restlichen (Meth)acrylnitrils größer als die gewünschte Endkonzentration ist, und diese Lösung sodann in einen oder mehrere aufeinanderfolgende Reaktoren gebracht wird, wo sie einer weiteren enzymatischen Hydrolyse unterworfen wird, um die gewünschte endgültige Lösung, die gewonnen wird, bereitzustellen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Reaktionsgemisch mit einem Gehalt an Wasser und (Meth)acrylnitril enzymatisch in einem kontinuierlichen Reaktor hydrolysiert wird, wodurch ein Produkt mit einem Gehalt an mindestens 30 Gew.-% Ammonium(meth)acrylat und (Meth)acrylnitril in einer Menge von 0,5% bis zur Sättigung gebildet wird, und dieses Produkt sodann in einen anschließenden Reaktor gebracht wird, wo die Konzentration an (Meth)acrylnitril durch enzymatische Hydrolyse auf einen Wert unter 0,1% verringert wird und die Konzentration an Ammonium(meth)acrylat erhöht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die anschließende Umsetzung unter Verwendung von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Reaktorgefäßen, die abwechselnd halbkontinuierlich betrieben werden, durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem er Ansprüche 12 bis 14, wobei die erste Stufe in einem gepackten Reaktor unter Bildung einer Lösung mit einem Gehalt an (Meth)acrylnitril von 0,5% bis zur Sättigung durchgeführt wird und ein Teil dieser Lösung der weiteren enzymatischen Hydrolyse unterworfen wird, während der Rest zurückgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die durch die enzymatische Hydrolyse in der ersten Stufe erhaltene Lösung einer Destillation unterworfen wird, bevor sie in der zweiten Stufe der enzymatischen Hydrolyse unterzogen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei während des gesamten Verfahrens das gleiche Enzym verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verfahrenssteuerung den Nachweis von (Meth)acrylnitril im Kopfraum des Reaktors oder der Reaktoren, in denen die enzymatische Hydrolyse durchgeführt wird, umfasst.

19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung des Reaktors die Verdünnung der Konzentration dieser Lösung an Ammoniumacrylat auf weniger als 20% und die Messung der Leitfähigkeit der verdünnten Lösung umfasst.