用生物催化剂制备丙烯酰胺水溶液的方法 本发明涉及一种在生物催化剂的存在下通过在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的方法和设备。
在一种合适的生物催化剂存在下在水中使丙烯腈反应成为丙烯酰胺的方法在多年前就已公开，例如已被DE 30 17 005 C2所描述，其中在该工艺中生物催化剂是固定的。在DE 44 80 132 C2和EP 0 188 316 B1中描述了使丙烯腈反应生成丙烯酰胺的特殊的生物催化剂。US 5 334 519指出，可在生物催化剂和钴离子的存在下使丙烯腈水合成丙烯酰胺。所有这些教导的缺点是，生物催化剂在反应中受到损害，以至于活性降低，或者会产生更多不希望出现的副产物。
所以，本发明的任务是提供一种在反应时生物催化剂损害尽可能低和副产物最小化以及分批时间最佳化的方法。
本发明通过一种在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的方法完成了该任务，其中彻底混合反应混合物，反应器具有一个用泵唧送循环回路，一部分反应混合物由泵输送到循环系统，循环系统中至少安装有一个换热器。
反应开始时在反应器中预先放入全脱盐的水和生物催化剂，并使得温度为15-25℃，优选16-20℃。达到该温度后，将丙烯腈计量加入反应器中，开始生成丙烯酰胺的反应。整个反应优选在等温条件下进行。生物物料的浓度以干物质为基准，在反应开始时优选为0.03-2.5g/l，特别优选0.05-1g/l，pH值优选6.0-8.0，特别优选6.5-7.5。
反应器中优选装有一个强力搅拌的器件，用它均匀混合反应物料。在一个优选的实施方式中，反应器有一个位于外部的半管状蛇管，用它在丙烯腈转变成丙烯酰胺的反应过程中辅助冷却反应混合物。
本发明的反应器具有一个用泵唧送循环回路，其中一部分反应混合物用泵输送进入循环。在用泵唧送循环中安装至少一个换热器，由它导出反应热。换热器优选是一种壳管式换热器，其中反应混合物最好不转向，以避免碰撞换热器的表面。
在本发明的一种优选的实施方式中，泵和换热器的安排可以一方面避免反应器中的温度波动，另一方面可以避免由泵引起地强烈的能量输入。泵优选是一个磁耦合的带侧通道的泵。
丙烯腈的添加最好在用泵唧送循环回路中进行，完全特别优选直接在反应混合物重新进入反应器之前进行。最好连续进行计量加入。已经证明一种频率控制的活塞式隔膜泵作为丙烯腈的计量泵是特别有利的。
丙烯腈计量进料结束后，需要再反应优选4-20分钟，特别优选5-10分钟，以便使丙烯腈尽可能完全地反应。在继续反应期间优选通过旁路逐渐减少冷却。
为了使得反应进行达到最佳化，优选通过一种在线测量监测反应器中的反应过程。通过该测量，有可能使得反应很快地适应可能的变化。优选在用泵唧送循环中在丙烯腈添加位置之前进行在线测量，并优选连续地监测丙烯腈和/或丙烯酰胺的浓度。
采用一种傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR仪)进行的在线测量已被证明是有利的。
在线测量的结果可以用来控制反应。优选控制丙烯腈的添加量、用泵唧送流的流量、旁路流量和继续反应的时间。
本发明的方法可以使用每一种对丙烯腈转变成为丙烯酰胺的反应起催化作用的生物催化剂进行。然而，优选使用生物催化剂Rhodococcus rhodochrous，其在DSMZ(德国微生物和细胞培养物保藏单位，Mascheroder Weg 1b，D-38124Braunschweig，Deutschland)的保藏号是14230。
本发明方法的优点是，在丙烯腈反应成为丙烯酰胺期间生物催化剂受到尽可能小的损害，从而可以减少要加入的生物催化剂的数量，形成的副产物少，丙烯腈几乎完全反应，可以得到最高50重量％的丙烯酰胺溶液。本发明的方法可以简单而经济地进行。本发明的方法可以大大缩短反应时间。生物催化剂得到最佳利用。
本发明的方法优选在一个具有一个反应器、一个用泵唧送循环回路和至少一个换热器的在一种生物催化剂的存在下在一种水溶液中使丙烯腈水合来制备丙烯酰胺水溶液的设备中进行，在用泵唧送循环回路中用泵将一部分反应混合物送入循环系统，且换热器安装在用泵唧送循环回路中。所以，该设备是本发明的另一个主题。
在反应器中优选安装一个强力搅拌的器件，用它均匀混合反应混合物。在一个优选的实施方式中，反应器有一个位于外部的半管状蛇管，用它在丙烯腈生成丙烯酰胺的反应过程中辅助冷却反应混合物。
本发明的反应器有一个用泵唧送循环回路，其中一部分反应混合物用泵输送进入循环。在用泵唧送循环中安装至少一个换热器，由它导出反应热。换热器优选是一种壳管式换热器，其中反应混合物最好不转向，以避免碰撞换热器的表面。
在本发明的一种优选的实施方式中，泵和换热器的安排可以一方面避免反应器中的温度波动，另一方面可以避免由泵引起的强烈的能量输入。泵优选是一个带侧通道的泵。
丙烯腈的添加最好在用泵唧送循环回路中进行，完全特别优选直接在反应混合物重新进入反应器之前进行。最好连续进行计量加入。已经证明一种频率控制的活塞式隔膜泵作为丙烯腈的计量泵是特别有利的。
丙烯腈计量进料结束后，需要再反应优选4-20分钟，特别优选5-10分钟，以便使丙烯腈尽可能完全地反应。在继续反应期间优选通过至少旁路逐渐减少冷却。
为了使得反应进行得最佳化，优选通过一种在线测量监测反应器中的反应过程。通过该测量，有可能使得反应很快地适应可能的变化。优选在用泵唧送循环中在丙烯腈添加位置之前进行在线测量，并优选连续地检测丙烯腈和/或丙烯酰胺的浓度。
采用一种傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR仪)进行的在线测量已被证明是有利的。
在线测量的结果可以用来控制反应。优选控制丙烯腈的添加量、用泵唧送流的流量、旁路流量和继续反应的时间。
本发明设备的优点是，在丙烯腈反应成为丙烯酰胺期间生物催化剂的损害尽可能地少，从而使得要使用的生物催化剂的数量最小化，形成的副产物少，丙烯腈几乎完全反应，可以得到最高50重量％的丙烯酰胺溶液。本发明的设备可以简单而经济地运行。本发明的方法可以大大缩短反应时间。生物催化剂得到最佳利用。
下面借助于附图1解释本发明。该解释仅仅是举例性的，并不限制本发明的总体范围。
图1是本发明的方法和本发明的部分设备的工艺流程图。在丙烯腈转变成为丙烯酰胺的正式反应开始之前，向反应器3中预先放入全脱盐水1和含有生物催化剂的一种悬浮液2。反应器3中的物料由一个马达驱动的搅拌器16均匀混合。在反应器3的外侧是冷却蛇管17，蛇管与冷却水进口5和冷却水出口4相连接。专业人员可以看出，用该冷却蛇管也可以在正式的反应开始之前将反应器内的物料预热到确定的温度。
另外，反应器3具有一个用泵唧送循环回路18，一部分反应物料借助于磁耦合的带侧通道的泵7输送通过回路循环。在用泵唧送循环回路18中安装有三个并联的壳管式换热器6，由此可以预热或冷却反应物料。换热器6同样与冷却水入口和回流串联连接。用泵唧送循环回路还具有旁路15，由它可以绕过换热器6。相应的阀门没有示出。另外，一个傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)9在用泵唧送循环回路中用来在线测量循环流18中的丙烯腈和丙烯酰胺浓度，由此确定反应器3中的浓度。从用泵唧送循环回路18中采取样品流，由活塞式隔膜泵8送入FT-IR仪器9中并在那里进行分析。分析的数值用来控制工艺过程。就在用泵唧送循环回路18即将重新进入反应器3之前，由丙烯腈储罐10经隔膜计量泵11向其计量加入反应所用的丙烯腈。丙烯腈储罐10和反应器3通过摆动管19气体相连通。管道19在丙烯腈计量加料之前打开，在计量加料结束后重新关闭。反应结束后由环隙离心机12将含水的丙烯酰胺与生物物料分离，并将含水的丙烯酰胺收集在储罐13中，将生物物料收集在储罐14中。