专利名称：一种利用陶瓷膜生物反应器生产丙烯酰胺的新工艺的制作方法丙烯酰胺是一种重要的有机化工原料，主要用于合成聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺作为絮凝剂、增稠剂、增强剂等，广泛应用于造纸、煤炭、地质、冶金、纺织、化工、食品等许多经济领域，尤其是在石油工业中聚丙烯酰胺的应用更为突出。丙烯酰胺是以丙烯腈为原料水合而成，从20世纪50年代至今，生产工艺先后经历了硫酸水合、铜系催化的化学水合两个阶段，而微生物酶催化是第三代最新技术，既没有硫酸水合法工艺过程复杂，又没有铜催化 水合法因加成反应而含有少量副产物的缺点，微生物法生产的单体因杂质含量少、活性高，特别适合于生产超高分子量的聚丙烯酰胺，因此微生物法以其具有高选择性、高活性、高收率以及低能耗、低污染的特点，备受推崇。微生物法有以下几种具体工艺技术(I)应用膜技术的微生物法。该方法包含的工序有微生物菌体培养、菌体重悬液的制备、用游离菌体作生物催化剂进行丙烯腈水合反应、分离反应所得的丙烯酰胺水合液。其特征是用微滤膜来洗涤净化发酵液中的菌体以制备菌体重悬液，用超滤膜来分离丙烯酰胺水合液及生物杂质。采用该工艺生产丙烯酰胺可以明显提高生产效率和菌体利用率，同时水合液产品中的生物杂质含量降低，得到的丙烯酰胺质量好、纯度高。(2)微生物连续催化法。该法通过发酵生产含有腈水合酶的丙酸棒杆菌或其诱变株细胞，然后用游离细胞法或固定化细胞法催化丙烯腈水合成丙烯酰胺，然后处理，得到高纯度的丙烯酰胺。(3)使用经丙烯酸水溶液洗涤的微生物催化剂。该法先用丙烯酸水溶液洗涤微生物催化剂，然后将经洗涤的微生物催化剂用于转化反应来制备丙烯酰胺。在这三种方法中，应用膜技术的微生物法(即所谓的“双膜法”)应用最广，并且已达工业化使用的程度。在这个工艺中，发酵液的菌体中含有发酵的包内产物一腈水合酶，它是微生物法生产丙烯酰胺中起关键作用的生物催化剂，能在常温常压下实现丙烯腈向丙烯酰胺的转化，而实现菌体和发酵液的高效分离是该工艺实现的关键。传统的离心分离法显然已不合适。目前，绝大部分厂家使用的是中空纤维有机膜的分离工艺。郭振友等人使用截留分子量为60000的中空纤维聚偏氟乙烯有机膜对发酵后的菌体进行过滤后，浓缩倍数提高了一倍，达到了 10倍，菌体100%的截留。中国专利CN1482250中也是使用的有机膜进行菌体发酵液的分离和浓缩，在0. Ium膜的分离下，浓缩倍数达到5时，菌体浓度达到了 120g/L，酶活达到llOOu/mL，与洗涤前相比，酶活力基本没下降。但这些分离方法采用的膜都是中空纤维高分子有机膜，这种类型的有机膜或者因为中空纤维丝容易断而使菌体发酵液在过滤时出现跑料现象，从而导致菌体收率低，或者在清洗时膜不容易再生，更重要的是对进膜的含菌体发酵液要求高，无论是悬浮物固含量还是其固体颗粒大小都要求比较严格，因而往往在进膜之前需要加离心工艺进行预处理，大大增加了工艺的投资和运行成本。本方法采用陶瓷膜直接对菌体发酵液进行过滤，工艺简单可靠，菌体回收率高，膜易清洗，而且膜的机械强度高、寿命长，能自动连续化生产，更重要的经陶瓷膜处理后的菌体酶活与洗涤前相比，不但没有下降，反而得到了提高，最高达到了 1356u/mL，透过液中的酶活为O，而酰胺酶增加不多，极大地提高了后续工艺的目的产品选择性和纯度。在腈水合酶催化合成丙烯酰胺单体过程中，丙烯酰胺单体作为产物的存在和积累，会降低腈水合酶的活性，陈跎等研究表明温度和丙烯酰胺浓度是影响腈水合酶活性两个最重要的因素，在28°C下不含丙烯腈的溶液内，当丙烯酰胺单体的浓度在25%时，30小时的酶活降到初始酶活的40%以下，而达到35%时，经过同样的时间，酶活降到初始酶活的13.5%。因此，反应过程中的丙烯酰胺必须及时地移走。专利CN1482250提出了使用中空纤维膜进行过滤分离反应产物和菌体，同时截留一部分细胞反应所产生的杂质，但生产过程中这种膜仍然会出现上述自身所无法克服的缺点。本工艺采用陶瓷膜进行分离丙烯酰胺和菌体，不仅取得与中空纤维相同的滤液质量效果，而且由于前期的菌体纯度高、杂质少，腈 水合酶酶活高，而使得菌体的反复利用批次提高到5飞次以上，菌体的利用率比中空纤维膜提高了 25 50%，目标产物的选择性和转化率都达到了 99%以上。更重要的是由于陶瓷膜的机械强度高、寿命长、易清洗等特点，使得陶瓷膜使用时的综合成本得到降低，且工艺简单可靠，用在丙烯酰胺单体生产过程中更适合于大规模工业化生产。
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种投资少成本低且占地面积小、简单易连续自动化操作的陶瓷膜反应器生产丙烯酰胺菌体发酵液的工艺，并实现丙烯酰胺的浓缩洗涤。采用这种工艺，陶瓷膜既能高精度地去除产品丙烯酰胺中的杂质并及时移走丙烯酰胺产物，而且能达到有效分离菌体和发酵液残基的目的，经洗涤和浓缩后的发酵液菌体酶活得到了很大的提高，而酰胺酶增加不多，极大地提高了发酵液菌体的回收率，提高了后续工艺的目的产品的选择性和纯度。为实现本发明目的，具体采用如下技术方案 一种利用陶瓷膜生物反应器生产丙烯酰胺的新工艺，所述工艺包括如下步骤 (1)将腈水合酶菌体发酵液投入陶瓷膜过滤器进行菌体分离和洗涤； (2)将陶瓷膜过滤器的渗透液排出，经过浓缩和洗涤后含腈水合酶的菌体溶液作为生物酶催化剂加入到丙烯腈水合反应釜中催化丙烯腈的水合反应；反应过程中产物丙烯酰胺经陶瓷膜分离并移出，作为生物催化剂的腈水合酶菌体回到反应釜中再次使用。所述的腈水合酶菌体发酵液pH为5飞，湿菌体含量为5 8%。所述步骤I中陶瓷膜过滤器为陶瓷微滤膜过滤器；所述步骤2中陶瓷膜为陶瓷超滤膜。将腈水合酶菌体发酵液经增压泵增压后投入陶瓷微滤膜过滤器后经陶瓷微滤膜过滤器进行浓缩和洗涤，得到浓缩倍数为6 8，湿菌体含量在30%以上包含腈水合酶的菌体溶液。将腈水合酶的菌体溶液打到丙烯腈水合反应釜中，用去离子水稀释到质量浓度在0.5%以下，缓慢通入丙烯腈，控制丙烯腈的质量浓度在5%以下，反应温度5 15°C，待丙烯酰胺的质量浓度达到20 25%，而丙烯腈的质量浓度在0. 05%以下时，反应混合液进入陶瓷超滤膜过滤器中进行菌体和丙烯酰胺的分离；浓缩比达到1(T12倍时，停止膜过滤，将腈水合酶菌体全部排到反应釜内再次循环使用。所述步骤I所述陶瓷微滤膜的操作条件为温度15°C以下，压力为0. I 0.3MPa，膜面流速3 6m/s。所述陶瓷微滤膜及陶瓷超滤膜的材质为氧化铝、氧化锆、氧化钛或二氧化硅，膜结构为外压式或内压式管状多孔径范围为0. 02 u nTO. 05 u m。所述步骤I中陶瓷微滤膜的处理为连续式的，过滤方式采用错流过滤；浓缩液的洗涤加水方式为连续性恒容加水，加水量为处理发酵液量的I. 25^1. 7倍。所述步骤2中陶瓷超滤膜的处理是序批式的，过滤方式为错流过滤；处理周期以反应釜中的丙烯酰胺质量浓度达到209^25%，丙烯腈的质量浓度在0. 05%的时间为标准；腈水合酶菌体反复使用61批次。 所述工艺进一步包括对使用过陶瓷微滤膜的化学清洗，所述的化学清洗为用ri. 5%的氢氧化钠和1%的次氯酸钠对膜进行清洗，清洗温度在5(T60°C之间，清洗时长为0.5-1. 5 小时。以下结合
对本发明作进一步详细介绍
膜技术的微生物法生产丙烯酰胺工艺中，含有高活性的酶活一腈水合酶包含在菌体细胞中，而腈水合酶是丙烯腈水合反应的生物催化剂，为了提高下道工序(与丙烯腈水合反应)的选择性和产品的纯度，必须对含菌体发酵液进行分离和提纯，去除发酵液残基，浓缩得到高浓度的菌体。本工艺就是以菌体发酵液为处理对象，通过陶瓷膜进行分离、洗涤和浓缩，从而得到高活性含量菌体浓度的目的。同时为了不降低反应时腈水合酶的酶活，必须及时地将产物丙烯酰胺移走。正是基于上述工艺的考虑。本工艺采用新型的陶瓷膜生物反应器工艺，将陶瓷膜(优选陶瓷微滤膜)首先用于含腈水合酶菌体发酵液的分离、洗涤和浓缩工艺，从而得到高活性含量菌体浓度、低杂质的菌体重悬液目的。其次，利用反应间隙，采用陶瓷膜(优选陶瓷超滤膜)及时地将产物从菌体发酵液中移走，大大的促进了反应产物的转化以及菌体酶活的高效率的利用。本发明提供了一种利用陶瓷膜生物反应器生产丙烯酰胺的新工艺，其核心在于工艺本身的改进。本领域技术人员可以预见，现有技术公开的任何习用于丙烯酰胺生产的腈水合酶菌体发酵液都可以应用在所述工艺中以实现本发明。具体菌体发酵液的选择为本领域技术人员所掌握。实现本发明目的的技术方案是一种利用陶瓷膜生物反应器生产丙烯酰胺的新工艺，将经过微生物培养的含菌体的发酵液采用陶瓷膜过滤器直接进行浓缩过滤和洗涤，直至处理后得到的高活性含量的菌体发酵液满足技术指标后进入陶瓷膜生物反应器中催化丙烯腈的水合反应，待反应产物丙烯酰胺达到一定质量浓度时经陶瓷膜分离出来。而作为生物催化剂的腈水合酶可以回到反应器中再次使用。上述技术方案，具体步骤如下将腈水合酶菌体发酵液倒进原料罐中，经增压泵增压后进入陶瓷膜过滤器进行浓缩和洗涤，陶瓷膜过滤器的渗透液排出，浓缩液返回原料罐，直至处理后的高含量的菌体发酵液满足技术指标后进入陶瓷膜生物反应器的反应釜催化丙烯腈的水合反应，待反应产物丙烯酰胺达到一定质量浓度时经陶瓷膜分离出来。而作为生物催化剂的腈水合酶可以回到反应器中再次使用。
上述技术方案，具体步骤如下先将腈水合酶菌体发酵液(其中，优选所述菌体发酵液PH为5飞，湿菌体含量为51%)倒进原料罐中，增压后进入陶瓷微滤膜过滤器，在一定的操作压力和膜面流速下，并控制温度在10°C以下，对含菌体发酵液进行循环浓缩过滤，待含菌体发酵液浓缩倍数达到61倍时，再对陶瓷膜过滤器加透析水在浓缩倍数恒定的条件下进行连续洗涤，当加入的水量为原发酵液量的I. 25 1. 7倍时，停止洗涤、过滤。此时浓缩菌体的酶活量达到1200u/mL以上，湿菌体含量在30%以上，透过液中的菌体质量浓度为O。具体洗涤前后的指标见下表I。


本发明涉及一种利用陶瓷膜生物反应器生产丙烯酰胺的新工艺，所述工艺包括(1)将腈水合酶菌体发酵液投入陶瓷膜过滤器进行菌体分离和洗涤；(2)将陶瓷微滤膜过滤器的渗透液排出，经过浓缩和洗涤后含腈水合酶的菌体溶液作为生物酶催化剂加入到丙烯腈水合反应釜中催化丙烯腈的水合反应；反应过程中产物丙烯酰胺经陶瓷超滤膜分离并移出，作为生物催化剂的腈水合酶菌体回到反应釜中再次使用。采用这种工艺，陶瓷膜既能高精度地去除产品丙烯酰胺中的杂质并及时移走丙烯酰胺产物，又能达到有效分离菌体和发酵液残基的目的，极大地提高了发酵液菌体的回收率，提高了后续工艺的目的产品的选择性和纯度。