專利名稱：丙烯酰胺的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及酰胺化合物的制備方法。本發(fā)明(第一發(fā)明)較詳細地涉及制備酰胺化合物及酰胺類聚合物的方法，更具體而言，涉及使用具有腈水合酶(nitrile hydratase)活性的催化劑,有效地在水性介質中由腈化合物制備對應的酰胺化合物的方法，以及由該酰胺化合物制備高品質的酰胺類聚合物的方法。另外，本發(fā)明(第二發(fā)明)較詳細地涉及制備丙烯酰胺、及丙烯酰胺類聚合物的方法，更具體而言，通過含有腈水合酶的微生物的菌體等水合丙烯腈制備高品質的丙烯酰胺的方法、及由該丙烯酰胺制備高品質的丙烯酰胺類聚合物的方法。
背景技術：
關于工業(yè)上有用的酰胺化合物，如下所述地公開了各種制備方法。近年，發(fā)現(xiàn)了具有水合氰基轉化為酰胺基的腈水合活性的腈水合酶，并已經(jīng)公開了使用該酶或具有該酶的微生物菌體等由腈化合物制備對應的酰胺化合物的方法。已知該制備方法與現(xiàn)有的科學方法相比，具有由腈化合物轉化為對應的酰胺化合物的轉化率及選擇率聞等優(yōu)點。利用上述腈水合酶在工業(yè)上制備酰胺化合物時，將作為催化劑的腈水合酶的酰胺化合物的生產(chǎn)率(I分子腈水合酶產(chǎn)生的酰胺化合物的分子數(shù))最大化是重要的。因此，為了維持或提高酶活性、抑制活性降低、提高降低了的酶活性等，提出了各種方案。例如，在不伴隨細胞增殖的條件下，使含有腈水合酶的微生物菌體或該菌體處理物與氧化劑接觸，由此維持或提高酶活性已是公知的(參見專利文獻I)。另外，通過使用降低了所含氫氰酸的濃度的腈化合物，抑制腈水合酶的活性降低也是公知的(參見專利文獻2)。除此之外，還已知下述方法使用經(jīng)戊二醛交聯(lián)處理后的菌體進行反應的方法(參見專利文獻3);在高級不飽和脂肪酸或其鹽類的存在下進行反應的方法(參見專利文獻4);使用經(jīng)有機溶劑處理后的菌體、或處理物進行反應的方法(參見專利文獻5)等。以上是第一發(fā)明的背景技術。另外，如上所述，作為丙烯酰胺的主要制備方法之一，可以舉出將丙烯腈進行水合反應的方法，例如已知有用阮內(nèi)銅等金屬銅催化劑進行水合反應的方法、或以含有腈水合酶的微生物菌體及該菌體處理物等作為催化劑進行水合反應的方法。上述方法中，以含有腈水合酶的微生物菌體等作為催化劑的丙烯酰胺的制備方法與現(xiàn)有的通過金屬銅催化劑等進行水合反應的方法相比，由于丙烯腈的轉化率及選擇率高，故作為工業(yè)上的制備方法備受關注。為了以含有該腈水合酶的微生物菌體等為催化劑，有效地制備更高品質的丙烯酰胺，必須盡可能地除去抑制微生物菌體等的催化作用的雜質。另外，由該反應得到的丙烯酰胺主要用作丙烯酰胺類聚合物的原料，但近年，要求該丙烯酰胺類聚合物更高品質化。例如，可以將丙烯酰胺類聚合物用于凝集劑用途，但近年隨著提高性能的要求，要求用作凝集劑的丙烯酰胺類聚合物在維持水溶性的同時進一步高分子量化。另外，可以將丙烯酰胺類聚合物用于制紙用添加劑等用途，作為該制紙用添加齊U，為了進一步提高所得的紙的品質而要求色調更優(yōu)異的聚合物。如上所述，作為改善由含有腈水合酶的菌體催化劑等得到的丙烯酰胺的品質或聚丙烯酰胺的品質的方法，已知有下述方法通過化學方法降低腈化合物中的氫氰酸濃度后，使腈水合酶作用于腈化合物的酰胺化合物的制備方法(例如，參見專利文獻2);降低丙烯腈中作為雜質所含的噁唑及氫氰酸，將丙烯腈轉化為丙烯酰胺，由該丙烯酰胺制備丙烯酰胺類聚合物的方法(例如，參見專利文獻6)。以上是第二發(fā)明的背景技術。專利文獻I :特開2004-350573號公報專利文獻2 :特開11-123098號公報專利文獻3 :特開平7-265091號公報 專利文獻4 :特開平7-265090號公報專利文獻5 :特開平5-308980號公報專利文獻6 :國際公開2004/090148號說明書

發(fā)明內(nèi)容
但是，利用腈水合酶有效地制備酰胺化合物時，第一發(fā)明的背景技術中所述的現(xiàn)有技術中存在無法解決的由其他原因導致的腈水合酶的酰胺化合物生產(chǎn)率降低的現(xiàn)象，有待解決其主要原因。因此，第一發(fā)明的目的在于提供在利用腈水合酶的反應中由腈化合物有效地制備對應的酰胺化合物的方法。還提供使用由上述方法制備的酰胺化合物制備高品質的酰胺類聚合物的方法。另外，從排除抑制含有腈水合酶的微生物菌體等的催化作用的原因、有效地進行丙烯腈的水合反應的觀點來看，第二發(fā)明的背景技術中所述的方法未必能得到充分的效果。從提高丙烯酰胺、及丙烯酰胺類聚合物的品質的觀點來看，仍有改善的余地。因此，第二發(fā)明的目的在于用含有腈水合酶的微生物催化劑等更有效地制備更高品質的丙烯酰胺的方法、及使用該丙烯酰胺得到色調優(yōu)異、同時實現(xiàn)了水溶性和高分子量化的品質優(yōu)異的丙烯酰胺類聚合物的制備方法。為了解決上述第一發(fā)明的課題，本發(fā)明人等對酰胺化合物的制備方法進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)使用具有腈水合酶活性的催化劑，在水性介質中由腈化合物制備對應的酰胺化合物的方法中，將水性介質中的苯濃度降低至特定濃度以下，由此能不降低腈水合酶的反應速度且有效地制備酰胺化合物。需要說明的是，水性介質中的苯通常來源于作為原料的腈化合物，因其他原因混入時，也可以通過降低至相同的濃度條件，有效地制備酰胺化合物。另外，可以使用根據(jù)上述方法在抑制苯濃度的反應條件下制備的酰胺化合物，制備酰胺類聚合物，由此得到色調優(yōu)異的酰胺類聚合物。S卩，第一發(fā)明如下所述。[I] 一種酰胺化合物的制備方法，所述方法是在具有腈水合酶活性的催化劑的存在下、在水性介質中，由腈化合物制備酰胺化合物的方法，其特征在于，水性介質中的苯濃度為4. Oppm以下。[2]如[I]所述的酰胺化合物的制備方法，其中，腈水合酶是來源于假諾卡氏菌屬的腈水合酶或來自紅球菌屬的腈水合酶。[3]如[I]或[2]所述的酰胺化合物的制備方法，其中，腈化合物為丙烯腈或甲基
丙烯腈。[4] 一種制備酰胺類聚合物的方法，所述方法是均聚[I]所述的酰胺化合物或共聚所述酰胺化合物和能與酰胺化合物共聚的至少一種不飽和單體來制備酰胺類聚合物。[5]如[4]所述的制備酰胺類聚合物的方法，其中，上述酰胺化合物為丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。
另外，本發(fā)明人等研究了上述第二發(fā)明的課題，通過降低丙烯腈中所含的丙烯醛濃度，可以維持腈水合酶的催化活性，且能得到高品質的丙烯酰胺，并且利用該丙烯酰胺可以得到色調優(yōu)異、能同時實現(xiàn)水溶性和高分子量化的丙烯酰胺類聚合物，從而完成了第二發(fā)明。S卩，第二發(fā)明的丙烯酰胺的制備方法的特征在于，用含有腈水合酶的微生物的菌體或該菌體處理物使丙烯醛濃度為Ippm以下的丙烯腈在水性介質中進行水合反應。優(yōu)選上述丙烯腈中所含的氫氰酸的濃度為5ppm以下。另外，也優(yōu)選上述丙烯腈中所含的噁唑的濃度為IOppm以下。更優(yōu)選上述丙烯腈中所含的氫氰酸的濃度為5ppm以下、且噁唑的濃度為IOppm以下。第二發(fā)明的丙烯酰胺類聚合物的制備方法的特征在于均聚上述丙烯酰胺，或共聚上述丙烯酰胺和能與丙烯酰胺共聚的至少一種不飽和單體。根據(jù)第一發(fā)明，在利用腈水合酶的反應中，通過將含有腈化合物的水性介質中的苯濃度降低至特定濃度以下，可以有效地由腈化合物制備對應的酰胺化合物。另外，利用上述方法，在抑制了苯濃度的反應條件下制備酰胺化合物，使用制得的酰胺化合物制備酰胺類聚合物，由此可以得到色調優(yōu)異的酰胺類聚合物。另外，根據(jù)第二發(fā)明，利用含有腈水合酶的微生物催化劑等，可以更高效地制備更高品質的丙烯酰胺。根據(jù)第二發(fā)明，還可以得到色調優(yōu)異、同時實現(xiàn)水溶性和高分子量化的品質優(yōu)異的丙烯酰胺類聚合物。
具體實施例方式I.第一發(fā)明以下，詳細說明第一發(fā)明。所謂用于第一發(fā)明的具有腈水合酶活性的催化劑，是指產(chǎn)生腈水合酶的微生物的菌體或該菌體處理物。此處所說的腈水合酶是指具有水合腈化合物的能力的蛋白質。作為產(chǎn)生腈水合酶的微生物，可以舉出諾卡氏菌(Nocardia)屬、棒桿菌(Corynebacterium)屬、芽孢桿菌(Bacillus)屬、嗜熱性芽孢桿菌屬、假單胞菌(Pseudomonas)屬、微球菌(Micrococcus)屬、以紫紅紅球菌(rhodochrous)種為代表的紅球菌(Rhodococcus)屬、不動桿菌(Acinetobacter)屬、黃色桿菌(Xanthobacter)屬、鏈霉菌(Streptomyces)屬、根瘤菌(Rhizobium)屬、克雷伯氏菌(Klebsiella)屬、腸桿菌(Enterobacter)屬、歐文氏菌(Erwinia)屬、氣單胞菌(Aeromonas)屬、朽1檬酸桿菌(Citrobacter)屬、產(chǎn)喊菌(Achromobacter)屬、土壤桿菌(Agrobacterium)屬或以嗜熱菌(thermophila)種為代表的假諾卡氏菌(Pseudonocardia)屬、無芽孢桿菌(Bacteridium)屬、短桿菌(Brevibacterium)屬的微生物等。優(yōu)選舉出屬于假諾卡氏菌屬或紅球菌屬的微生物，特別優(yōu)選嗜熱假諾卡氏菌(Pseudonocardia thermophila) JCM3095、或紫紅紅球菌(Rhodococcus rhodochrous)J-I。另外，在任意宿主中表達由該微生物克隆的腈水合酶基因的轉化體也包含在第一發(fā)明中所說的產(chǎn)生腈水合酶的微生物中。需要說明的是，此處所說的任意宿主可以舉出下述實施例中的大腸埃希氏菌(Escherichia coli)為代表例,但并沒有特別限定于大腸埃希氏菌，還包括枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)等芽孢桿菌屬菌、酵母或放線菌等其他微生物菌株。作為這樣的例子，可以舉出MT-10822(該菌株基于國際承認用于專利程序的微生物保存布達佩斯條約，于1996年2月7目保藏在茨城縣筑波市東I段I番3號的通商產(chǎn) 業(yè)省工業(yè)技術院生命工學工業(yè)技術研究所中，保藏編號為FERM BP-5785)。另外，表達下述變異型的腈水合酶的轉化體也包括在第一發(fā)明中所說的產(chǎn)生腈水合酶的微生物中，所述變異型的腈水合酶是使用重組DNA技術，用其他氨基酸置換或缺失、消除或插入構成該酶的I個或2個以上氨基酸，進一步提高酰胺化合物耐性或腈化合物耐性、溫度耐性的變異型腈水合酶。在第一發(fā)明的制備方法中使用產(chǎn)生上述腈水合酶的微生物時，使用該微生物的菌體或菌體處理物。菌體可以利用分子生物學·生物工程學·基因工程學領域公知的一般方法進行制備。例如，可以舉出下述方法在LB培養(yǎng)基或M9培養(yǎng)基等通常的液體培養(yǎng)基中接種該微生物后，在適當?shù)呐囵B(yǎng)溫度(通常為20°C 50°C，但為嗜熱菌時，可以為50°C以上)下使其生長，然后，通過離心分離該微生物，從培養(yǎng)液分離·回收而得到。另外，對微生物的菌體處理物的形狀沒有特別限定，有上述微生物菌體的提取物或磨碎物、分離精制該提取物或磨碎物的腈水合酶活性餾分所得的后分離物、使用適當?shù)妮d體將該微生物菌體或該菌體的提取物·磨碎物·后分離物固定得到的固定化物等，上述物質只要具有腈水合酶的活性，就可以用作第一發(fā)明中所說的菌體處理物。產(chǎn)生上述腈水合酶的微生物菌體或該菌體處理物當然可以在制備后立即用于反應，也可以在制備后保存，根據(jù)需要使用。第一發(fā)明中的產(chǎn)生腈水合酶的微生物菌體或該菌體處理物可以用于分步反應，也可以用于連續(xù)反應。另外，反應形式可以根據(jù)微生物的菌體或菌體處理物的形態(tài)選擇懸濁床、固定床、流化床等適當?shù)男问?。此時反應液中的該催化劑濃度只要不妨礙水性介質和腈化合物的混合即可，沒有特別限定。第一發(fā)明中的水性介質是指水、或以適當?shù)臐舛热芙饬姿猁}等緩沖劑、硫酸鹽或碳酸鹽等無機鹽、堿金屬的氫氧化物、酰胺化合物、腈化合物、具有腈水合酶活性的催化劑等得到的水溶液(反應液整體)。第一發(fā)明中，不管該溶液是腈化合物相對于水溶液處于飽和濃度內(nèi)的均勻體系，抑或處于飽和濃度以上的腈相和水相的二相體系，均將該溶液整體定義為水性介質。需要說明的是，本說明書中，將第一發(fā)明中的水性介質也稱為“水性介質(I)”。二相體系時，使用旋轉翼或管路混合器(line mixer)等適當?shù)幕旌涎b置，充分混合在靜置下分離為二相的水相和腈相也是重要的。
第一發(fā)明中，反應時的水性介質(I)中的腈化合物濃度只要是不因水性介質(I)中的苯濃度導致反應速度降低的范圍或腈水合酶不因腈化合物而失活的范圍即可，沒有特別限定。優(yōu)選腈化合物的重量％為50重量％以下。第一發(fā)明中所用的腈化合物只要是在水性介質(I)中，在具有腈水合酶活性的催化劑的作用下轉化為酰胺化合物的化合物即可，沒有特別限定。優(yōu)選舉出乙腈、丙腈、丙烯腈、甲基丙烯腈、正丁腈、異丁腈、丁烯腈、α -羥基異丁腈等碳原子數(shù)為2 4的腈化合物作為該腈化合物的代表例。較優(yōu)選使用丙烯腈、甲基丙烯腈。上述腈化合物經(jīng)精制工序制成市售產(chǎn)品，但含有微量雜質。作為雜質之一,可以舉出苯，例如丙烯腈，利用丙烯的氨氧化法進行工業(yè)制備，但由于丙烯中所含的微量苯被帶入到丙烯腈產(chǎn)品中等原因，導致市售的丙烯腈產(chǎn)品中含有苯。水性介質(I)中所含的苯濃度只要是抑制反應速度降低的濃度即可，通常為 4.Oppm以下，優(yōu)選為2. 2ppm以下。此處，抑制反應速度降低的范圍是指以水性介質⑴中所含的苯濃度為2. 2ppm以下的反應中的反應速度為100%，相對反應速度為80%以上的范圍。另外，水性介質(I)中所含的苯濃度為4. Oppm以下是指Ikg水性介質(I)中所含苯的量為4mg以下。從腈化合物中除去苯的方法、或從水性介質(I)中除去苯的方法可以為任意方法，例如蒸餾、用活性炭進行吸附處理、利用作為超強酸的雜多酸等固體酸進行吸附處理、用柱色譜法進行處理、用環(huán)丁砜進行萃取、用能同化苯的微生物進行生物分解、利用苯的揮發(fā)性進行脫氣處理等。第一發(fā)明中的反應通常在常壓下進行，為了提高丙烯酸類化合物在水性介質(I)中的溶解度，可以在加壓下進行反應。另外，對反應溫度沒有特別限定，優(yōu)選在該腈水合酶不失活的溫度范圍內(nèi)，進一步優(yōu)選為O 50°C。另一方面，pH只要是能維持腈水合酶活性即可，沒有特別限定，優(yōu)選在pH5 pHIO的范圍內(nèi)。第一發(fā)明的酰胺類聚合物可以通過均聚如上所述地制得的酰胺化合物、或共聚酰胺化合物和能與酰胺化合物共聚的至少一種不飽和單體進行制備。此處，酰胺化合物優(yōu)選為利用第一發(fā)明的酰胺化合物的制備方法得到的丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。作為能與酰胺化合物共聚的不飽和單體，可以舉出丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、馬來酸、富馬酸等不飽和羧酸及它們的鹽；乙烯基磺酸、苯乙烯磺酸、丙烯酰胺甲基丙磺酸及它們的鹽；甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯、甲基丙烯酸N，N-二乙基氨基乙酯、丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯等(甲基)丙烯酸的烷基氨基烷基酯、或它們的季銨衍生物；(N, N- 二甲基氨基丙基)甲基丙烯酰胺、(N，N- 二甲基氨基丙基)丙烯酰胺等N，N-二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酰胺、或它們的季銨衍生物；丙酮丙烯酰胺、N, N- 二甲基丙烯酰胺、(N，N- 二甲基)甲基丙烯酰胺、(N-乙基)甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N, N- 二乙基丙烯酰胺、N-丙基丙烯酰胺等親水性丙烯酰胺；N-丙烯?；量┩?、N-丙烯?；哙?、N-丙烯?；鶈徇?；甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥丙酯、丙烯酸羥丙酯；甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、N-乙烯基-2-吡咯烷酮；甲基丙烯酰胺；N，N- 二-正丙基丙烯酰胺、N-正丁基丙烯酰胺、N-正己基丙烯酰胺、(N-正己基)甲基丙烯酰胺、N-正辛基丙烯酰胺、(N-正辛基)甲基丙烯酰胺、N-叔辛基丙烯酰胺、N-十二烷基丙烯酰胺、(N-正十二烷基)甲基丙烯酰胺等N-烷基(甲基)丙烯酰胺衍生物；N, N- 二縮水甘油基丙烯酰胺、(N, N- 二縮水甘油基)甲基丙烯酰胺、N-(4-環(huán)氧丙氧基丁基)丙烯酰胺、N-(4-環(huán)氧丙氧基丁基)甲基丙烯酰胺、N-(5-環(huán)氧丙氧基戊基)丙烯酰胺、N-(6-環(huán)氧丙氧基己基)丙烯酰胺等Ν-(ω-環(huán)氧丙氧基烷基)(甲基)丙烯酰胺衍生物；(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸月桂基酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸縮水甘油基酯等(甲基)丙烯酸酯衍生物；丙烯腈、甲基丙烯腈、乙酸乙烯基酯、氯乙烯、偏氯乙烯、乙烯、丙烯、丁烯等烯烴類、苯乙烯、α-甲基苯乙烯、丁二烯、異戍二烯等。
上述單體可以單獨使用I種，也可以并用2種以上。作為上述單體的聚合方法，例如有水溶液聚合、乳液聚合等。上述聚合方法中，采用水溶液聚合時，通常酰胺化合物與根據(jù)需要添加的不飽和單體的總濃度為5 90重量％。作為聚合引發(fā)劑，例如可以使用自由基聚合弓I發(fā)劑。作為自由基聚合引發(fā)劑，可以舉出過硫酸鉀、過硫酸銨、過氧化氫、過氧化苯甲酰等過氧化物；偶氮二異丁腈、2，2’-偶氮二(4-脒基丙烷)2鹽酸鹽、4，4’-偶氮二(4-氰基戊酸鈉)等偶氮類游離基引發(fā)劑；并用上述過氧化物和亞硫酸氫鈉、三乙醇胺、硫酸亞鐵銨等還原劑的所謂氧化還原類催化劑。上述聚合引發(fā)劑可以單獨使用I種，也可以并用2種以上。聚合引發(fā)劑的量通常在相對于單體的總重量為O. 001 5重量％的范圍內(nèi)。為單一聚合引發(fā)劑時，聚合溫度通常在O 120°C的范圍內(nèi)，較優(yōu)選在5 90°C的范圍內(nèi)。另外，聚合溫度無需一直保持一定的溫度，可以伴隨聚合的進行適當?shù)馗淖?，通常伴隨聚合的進行，產(chǎn)生聚合熱，聚合溫度有上升的傾向，所以有時根據(jù)需要進行冷卻。聚合時的氣氛沒有特別限定，從迅速進行聚合的觀點來看，例如優(yōu)選在氮氣等惰性氣體氛圍中進行聚合。聚合時間沒有特別限定，通常在I 20小時的范圍內(nèi)。另外，聚合時水溶液的pH也沒有特別限定，可以根據(jù)需要調節(jié)pH進行聚合。作為此時能使用的PH調節(jié)劑，可以舉出氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨等堿；磷酸、硫酸、鹽酸等無機酸；甲酸、乙酸等有機酸等。利用第一發(fā)明所得的聚合物的分子量沒有特別限定，通常在10萬 5000萬的范圍內(nèi)，優(yōu)選在50萬 3000萬的范圍內(nèi)。由此得到的第一發(fā)明的酰胺類聚合物為同時實現(xiàn)水溶性和高分子量化的聚合物，且色調也優(yōu)異，可以優(yōu)選用作凝集劑、制紙用添加劑、石油回收劑等。2.第二發(fā)明以下，詳細說明第二發(fā)明。首先，說明用于第二發(fā)明的丙烯酰胺制備方法的原料。
〔丙烯腈〕第二發(fā)明中，使用丙烯醛的濃度為Ippm以下的丙烯腈。此處，丙烯醛的濃度為Ippm以下的丙烯腈是指Ikg作為第二發(fā)明的原料使用的丙烯腈中所含的丙烯醛的量為Img以下。將丙烯腈中所含的丙烯醛的濃度設定為Ippm以下的方法可以舉出下述方法使乙酰丙酮等和丙烯腈中的丙烯醛反應，通過蒸餾等，分離該反應生成物和丙烯腈的方法；使丙烯腈與含有伯氨基及/或仲氨基作為交換基團的多孔性離子交換樹脂接觸除去丙烯腈中的丙烯醛的方法；使丙烯腈與具有伯氨基及/或仲氨基官能團的凝膠型弱堿性離子交換樹脂接觸來減少丙烯腈中的醛類、實質上為丙烯醛的方法。丙烯腈中所含的丙烯醛的濃度可以用氣相色譜法、高效液相色譜法等進行定量。第二發(fā)明中，原料丙烯腈中的丙烯醛的濃度為Ippm以下，較優(yōu)選為O. 5ppm以下。
丙烯醛的濃度在上述范圍內(nèi)時，丙烯醛對腈水合酶的催化作用不發(fā)生反應抑制，且使用所得的丙烯酰胺，能得到色調優(yōu)異、同時實現(xiàn)了水溶性和高分子量化的品質優(yōu)異的丙烯酰胺類聚合物。用于第二發(fā)明的丙烯腈中所含的丙烯醛的濃度為Ippm以下，更優(yōu)選該丙烯腈中所含的氫氰酸的濃度為5ppm以下。此處，丙烯腈中所含的氫氰酸的濃度為5ppm以下是指Ikg用作第二發(fā)明的原料的丙烯腈中所含的氫氰酸的量為5mg以下。將丙烯腈中所含的氫氰酸的濃度設定為Ippm以下的方法，例如可以舉出下述方法特開平11-123098號公報中記載的將氫氰酸制成金屬絡合物加以除去的方法；使用離子交換樹脂的方法；在堿性條件下對丙烯腈加成氫氰酸的方法等。另外，丙烯腈中所含的氫氰酸的濃度可以在用堿溶液萃取后，通過使用硝酸銀的滴定法求出。第二發(fā)明中，丙烯腈中的氫氰酸的濃度優(yōu)選為5ppm以下，較優(yōu)選為3ppm以下，更優(yōu)選為Ippm認下。并且，第二發(fā)明中，還優(yōu)選除丙烯腈所含的丙烯醛的濃度為Ippm以下之外，丙烯腈中所含的噁唑的濃度為IOppm以下。此處，丙烯腈中所含的噁唑的濃度為IOppm以下是指Ikg用作第二發(fā)明的原料的丙烯腈中所含的噁唑的量為IOmg以下。使丙烯腈中所含的噁唑的濃度在IOppm以下的方法，例如可以舉出特開昭63-118305號公報記載的使丙烯腈中的噁唑與H型的陽離子交換樹脂接觸的方法。另外，丙烯腈中所含的噁唑的濃度可以用氣相色譜法、高效液相色譜法等進行定量。第二發(fā)明中，丙烯腈中的噁唑的濃度優(yōu)選為IOppm以下，較優(yōu)選為5ppm以下，更優(yōu)選為Ippm以下。另外，第二發(fā)明中，用于第二發(fā)明的丙烯腈中所含的丙烯醛的濃度在上述范圍內(nèi)，氫氰酸的濃度為5ppm以下,優(yōu)選為3ppm以下,較優(yōu)選為Ippm以下,且卩惡唑的濃度為IOppm以下，優(yōu)選為5ppm以下，較優(yōu)選為Ippm以下。〔含有腈水合酶的微生物菌體等〕
第二發(fā)明中，可以以上述丙烯腈為原料，以含有腈水合酶的微生物菌體及其菌體處理物等為催化劑進行水合反應，得到第二發(fā)明的丙烯酰胺。第二發(fā)明中，腈水合酶是指具有水解腈化合物生成對應的酰胺化合物能力的酶。此處，作為含有腈水合酶的微生物，只要是產(chǎn)生具有水解腈化合物生成對應的酰胺化合物的能力的腈水合酶且在丙烯酰胺水溶液中保持腈水合酶活性的微生物即可，沒有特別限定。具體而言，可以舉出諾卡氏菌(Nocardia)屬、棒桿菌(Corynebacterium)屬、芽孢桿菌(BaciIIus)屬、嗜熱性芽孢桿菌屬、假單胞菌(Pseudomonas)屬、微球菌(Micrococcus)屬、以紫紅紅球菌(rhodochrous)種為代表的紅球菌(Rhodococcus)屬、不動桿菌(Acinetobacter)屬、黃色桿菌(Xanthobacter)屬、鏈霉菌(Streptomyces)屬、根瘤菌(Rhizobium)屬、克雷伯氏菌(Klebsiella)屬、腸桿菌(Enterobacter)屬、歐文氏菌(Erwinia)屬、氣單胞菌(Aeromonas)屬、朽1檬酸桿菌(Citrobacter)屬、產(chǎn)堿菌 (Achromobacter)屬、土壤桿菌(Agrobacterium)屬或以嗜熱菌(thermophila)種為代表的假諾卡氏菌(Pseudonocardia)屬的微生物作為優(yōu)選例。另外，在任意宿主中表達由該微生物克隆的腈水合酶基因的轉化體也包括在第二發(fā)明中所說的微生物中。需要說明的是，此處所說的任意宿主可以舉出下述實施例中使用的大腸埃希氏菌(Escherichia coli)為代表例,但并沒有特別限定于大腸埃希氏菌,還包括枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)等芽孢桿菌屬菌、酵母或放線菌等其他微生物菌株。作為這樣的例子，可以舉出MT-10822(該菌株基于國際承認用于專利程序的微生物保存布達佩斯條約，于1996年2月7日保藏在茨城縣筑波市東I段I番3號的通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術院生命工學工業(yè)技術研究所中，保藏編號為FERM BP-5785)。另外，表達下述變異型的腈水合酶的轉化體也包括在第二發(fā)明中所說的微生物中，所述變異型的腈水合酶是使用重組DNA技術，用其他氨基酸置換或缺失、消除或插入構成該酶的I個或2個以上氨基酸，進一步提高丙烯酰胺耐性或丙烯腈耐性、溫度耐性的變異型腈水合酶。使用上述微生物制備酰胺化合物時，通常使用該微生物的菌體或菌體處理物。菌體可以利用分子生物學、生物工程學、基因工程學領域公知的一般方法進行制備。例如，可以舉出下述方法在LB培養(yǎng)基或M9培養(yǎng)基等通常的液體培養(yǎng)基中接種該微生物后，在適當?shù)呐囵B(yǎng)溫度(通常為20°C 50°C，但為嗜熱菌時，可以為50°C以上)下使其生長，然后，通過離心分離該微生物，從培養(yǎng)液分離、回收而得到。另外，第二發(fā)明的微生物的菌體處理物是指上述微生物菌體的提取物或磨碎物、分離精制該提取物或磨碎物的腈水合酶活性級分所得的后分離物、使用適當?shù)妮d體將該微生物菌體或該菌體的提取物、磨碎物、后分離物固定得到的固定化物等，上述菌體處理物只要具有腈水合酶的活性，就可以用作第二發(fā)明中所說的菌體處理物。該物質可以使用單一種類，也可以同時或交替使用2種以上的不同形態(tài)的物質?！菜越橘|〕另外，第二發(fā)明中的水性介質是指水、或以適當濃度溶解磷酸鹽等緩沖劑、硫酸鹽或碳酸鹽等無機鹽、堿金屬的氫氧化物、或酰胺化合物等得到的水溶液。需要說明的是，本說明書中，將第二發(fā)明中的水性介質稱為“水性介質(II) ”。〔反應條件〕
第二發(fā)明中，水性介質(II)中的丙烯腈的濃度在反應開始時，為該腈化合物的飽和濃度以上的濃度。該濃度的上限沒有特別限定，但是過多地供給腈化合物時，為了完成反應，需要大量催化劑及具有超大容積的反應容器、以及用于除熱的超大的熱交換器等，在設備方面的經(jīng)濟負擔加重。因此，作為丙烯腈的供給濃度，按該丙烯腈全部轉化為對應的丙烯酰胺時理論生成液濃度以丙烯酰胺計處于40 80重量％的范圍內(nèi)進行供給，較具體而言，在相對于I重量份水丙烯腈為O. 4 I. 5重量份的范圍內(nèi)。另外，上述反應的反應時間也取決于催化劑使用量或溫度等條件，通常在I 80小時的范圍內(nèi)，優(yōu)選在2 40小時的范圍內(nèi)。反應形式?jīng)]有特別限定，可以為分步式、半分步式，也可以進行連續(xù)式的反應。另夕卜，可以為懸濁床、固定床、移動床等中的任一種，通常較優(yōu)選在備有攪拌器的槽型反應器、活塞式流動反應器中反應，還可以組合多種形式的反應器。催化劑的用量也依賴于反應條件或催化劑的種類及其形態(tài)，通常換算成該微生物 干燥菌體重量，相對于反應液的重量為10 50000ppm，優(yōu)選為50 30000ppm。水合反應通常在常壓或接近于常壓下進行，為了提高腈化合物在水性介質(II)中的溶解度而在加壓下進行。另外，反應溫度只要在水性介質(II)的冰點以上即可，沒有特別限定，通常優(yōu)選在O 50°C的范圍內(nèi)進行，較優(yōu)選在10 40°C的范圍內(nèi)。也可以在生成物析出于反應液中形成的漿料狀態(tài)下進行反應。上述水合反應時的反應液的pH只要維持腈水合酶活性即可，沒有特別限定，優(yōu)選在PH6 10的范圍內(nèi)，較優(yōu)選在pH7 9的范圍內(nèi)。另外，也可以通過部位特異性變異得到保持腈水合酶活性的氨基酸置換體，但基于特定的變異點與被置換的堿基的種類，以部位特異性變異以外的方法構筑重組質粒，將其導入宿主細胞，也可以得到相同的結果。例如，用DNA合成器等合成DNA片段，所述DNA片段具有相當于變異點的區(qū)域的DNA的堿基序列成為氨基酸置換后的序列的堿基序列，將得到的DNA片段與預先用其他方法分離的PPT-DBl的相當于該片段的區(qū)域置換，可以得到目標重組質粒?！脖０奉惥酆衔锏闹苽洹车诙l(fā)明的丙烯酰胺類聚合物可以通過均聚如上所述地制得的丙烯酰胺、或共聚丙烯酰胺和能與丙烯酰胺共聚的至少一種不飽和單體而制備。作為能與丙烯酰胺共聚的不飽和單體，可以舉出丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、馬來酸、富馬酸等不飽和羧酸及它們的鹽；乙烯基磺酸、苯乙烯磺酸、丙烯酰胺甲基丙磺酸及它們的鹽；甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯、甲基丙烯酸N，N-二乙基氨基乙酯、丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯等(甲基)丙烯酸的烷基氨基烷基酯、或它們的季銨衍生物；(N, N- 二甲基氨基丙基)甲基丙烯酰胺、N，N- 二甲基氨基丙基丙烯酰胺等N，N- 二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酰胺、或它們的季銨衍生物；丙酮丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、(N，N-二甲基)甲基丙烯酰胺、(N-乙基)甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N, N- 二乙基丙烯酰胺、N-丙基丙烯酰胺等親水性丙烯酰胺；N-丙烯酰基吡咯烷、N-丙烯?；哙?、N-丙烯?；鶈徇?；
甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥乙酯、甲基丙烯酸羥丙酯、丙烯酸羥丙酯；甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、N-乙烯基-2-吡咯烷酮；甲基丙烯酰胺；N，N- 二-正丙基丙烯酰胺、N-正丁基丙烯酰胺、N-正己基丙烯酰胺、(N-正己基)甲基丙烯酰胺、N-正辛基丙烯酰胺、(N-正辛基)甲基丙烯酰胺、N-叔辛基丙烯酰胺、N-十二烷基丙烯酰胺、(N-正十二烷基)甲基丙烯酰胺等N-烷基(甲基)丙烯酰胺衍生物；N, N- 二縮水甘油基丙烯酰胺、N, N- 二縮水甘油基甲基丙烯酰胺、N-(4-環(huán)氧丙氧基丁基)丙烯酰胺、N-(4-環(huán)氧丙氧基丁基)甲基丙烯酰胺、N-(5-環(huán)氧丙氧基戊基)丙烯酰胺、N-(6-環(huán)氧丙氧基己基)丙烯酰胺等Ν-(ω-環(huán)氧丙氧基烷基)(甲基)丙烯酰胺衍生物；(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸月桂基酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸縮水甘油基酯等(甲基)丙烯酸酯 衍生物；丙烯腈、甲基丙烯腈、乙酸乙烯基酯、氯乙烯、偏氯乙烯、乙烯、丙烯、丁烯等烯烴類、苯乙烯、α -甲基苯乙烯、丁二烯、異戍二烯等。上述單體可以單獨使用I種，也可以并用2種以上。作為上述單體的聚合方法，例如有水溶液聚合、乳液聚合等。上述聚合方法中，采用水溶液聚合時，通常丙烯酰胺與根據(jù)需要添加的不飽和單體的總濃度為5 90重量％。作為聚合引發(fā)劑，例如可以使用自由基聚合弓I發(fā)劑。作為自由基聚合引發(fā)劑，可以舉出過硫酸鉀、過硫酸銨、過氧化氫、過氧化苯甲酰等過氧化物；偶氮二異丁腈、2，2’-偶氮二(4-脒基丙烷)2鹽酸鹽、4，4’-偶氮二(4-氰基戊酸鈉)等偶氮類游離基引發(fā)劑；并用上述過氧化物和亞硫酸氫鈉、三乙醇胺、硫酸亞鐵銨等還原劑得到的所謂氧化還原類催化劑。上述聚合引發(fā)劑可以單獨使用I種，也可以并用2種以上。聚合引發(fā)劑的量通常相對于單體的總重量在O. 001 5重量％的范圍內(nèi)。為單一聚合引發(fā)劑時，聚合溫度通常在O 120°C的范圍內(nèi)，較優(yōu)選在5 90°C的范圍內(nèi)。另外，聚合溫度無需一直保持在一定的溫度，可以伴隨聚合的進行適當改變，通常，伴隨聚合的進行，產(chǎn)生聚合熱，聚合溫度有上升的傾向，所以有時根據(jù)需要進行冷卻。聚合時的氣氛沒有特別限定，從快速進行聚合的觀點來看，例如優(yōu)選在氮氣等惰性氣體氣氛中聚合。聚合時間沒有特別限定，通常在I 20小時的范圍內(nèi)。另外，聚合時的水溶液的pH也沒有特別限定，可以根據(jù)需要調節(jié)pH進行聚合。作為此時能使用的PH調節(jié)劑，可以舉出氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨等堿；磷酸、硫酸、鹽酸等無機酸；甲酸、乙酸等有機酸等。第二發(fā)明所得的聚合物的分子量沒有特別限定，通常在10萬 5000萬的范圍內(nèi)，優(yōu)選在50萬 3000萬的范圍內(nèi)。由此得到的第二發(fā)明的丙烯酰胺類聚合物為同時實現(xiàn)水溶性和高分子量化的聚合物，且具有優(yōu)異的色調，優(yōu)選用作凝集劑、制紙用添加劑、石油回收劑等。
[實施例]以下，基于實施例更具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限定于這些實施例。I.第一發(fā)明的實施例需要說明的是，利用氣相色譜分析測定苯濃度。使用化學物質評價研究機構G-9501. 2mmX 40m (25 μ m)作為氣相色譜分析的測定柱，使用He載氣，利用FID檢測器進行檢測。另外，各實施例及比較例中的HPLC分析中，使用日本分光制的FiMpak SIL018-5(250Χ4.6Φ )作為柱，使用含有4體積％乙腈的IOmM磷酸水溶液作為展開液。另夕卜，丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺通過220nm的吸光度進行檢測。[制備例1-1]在反應容器中裝入具有Ikg活性炭(內(nèi)部表面積為1000m2/kg)的活性炭固定床吸附劑。在溫度10<€、流速200111/1^的條件下,用泵使苯濃度為26ppm的丙烯腈a從下方向上方通過吸附劑。測定通過后的該丙烯腈中的苯濃度，結果是苯濃度為4. Oppm。以下，將活性炭吸附處理后的丙烯腈稱為丙烯腈b。[制備例1-2]直接使用所含苯的濃度為Ilppm的丙烯腈C。[制備例1-3]直接使用所含苯的濃度為8ppm的甲基丙烯腈。菌體的調制[調制例1-1] 培養(yǎng)含有來自嗜熱假諾卡氏菌JCM3095的腈水合酶的微生物在500ml帶有擋板(baffle)的三角燒瓶中調制IOOml培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基具有培養(yǎng)基組成1-1所示的組成，在121°C下用高壓釜滅菌20分鐘后，添加氨芐西林直至終濃度為50μ g/ml，共準備30瓶。分別在各個帶有擋板的三角燒瓶中接種一白金耳的MT-10822株(FERM BP-5785)，在37°C · 130rpm的條件下培養(yǎng)20小時。合并各個帶有擋板的三角燒瓶中的培養(yǎng)液后，通過離心分離(15000GX15分鐘)，由培養(yǎng)液中僅分離出菌體，然后，將該菌體再次混懸在50ml生理鹽水中后，再次進行離心分離，得到濕菌體。[培養(yǎng)基組成1-1]
5.0g/L 酵母提取物 10.0g/L 聚胨
5.0g/L NaCl
10.Omg / L氯化鉆·六水合物40.Omg / L疏酸鐵·七水合物pH7. 5[調制例1-2]培養(yǎng)含有來源于紫紅紅球菌J-I株的腈水合酶的微生物使用特公平06-55148號記載的紫紅紅球菌J-I株(作為FERMBP-1478，基于國際承認用于專利程序的微生物保藏布達佩斯條約，保藏在上述保藏機構，公眾可以向該機構提出請求而獲得該菌種)，得到濕菌體。在500ml帶有擋板的三角燒瓶中調制IOOml培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基具有培養(yǎng)基組成1-2所示的組成，在121°C下用高壓釜滅菌20分鐘。在該培養(yǎng)基上接種一白金耳的特公平06-55148號所記載的紫紅紅球菌J-I株(作為FERM BP-1478，基于國際承認用于專利程序的微生物保藏布達佩斯條約而保藏在所述保藏機構，公眾可以向該機構提出請求而獲得該菌種)，在30°C · 130rpm下培養(yǎng)72小時。通過離心分離(15000GX 15分鐘)從該培養(yǎng)液中僅分離菌體，然后，將該菌體再次懸濁于50ml生理鹽水后，再次進行離心分離，得到濕菌體。[培養(yǎng)基組成1-2]
10.0g/L 葡萄糖 0.5g/L 磷酸二氫鉀 0.5g/L 磷酸一氫鉀 0.5g / L 硫酸鎂·七水合物 l.Og/L 酵母提取物 7.5g / L 胨 7.5g/L 尿素 10.Omg / L氯化鉆*六水合物pH7. 2
[實施例1-1]腈化合物轉化為酰胺化合物(I)用20mM-Tris -HCl緩沖液(pH7. 5)適當?shù)叵♂屨{制例1_1中所得的濕菌體，向其中添加制備例1-1中所述的丙烯腈b，直至反應液整體的丙烯腈濃度為20重量％，使其在20°C下反應10分鐘。此時，水性介質(I)(反應液整體)中的苯濃度為0.8ppm。反應后，向反應液中添加與其等量的IM磷酸水溶液，停止反應，用HPLC分析測定生成的丙烯酰胺濃度。然后，計算每單位濕菌體及單位反應時間的丙烯酰胺的生成速度(=反應速度)。結果示于表1-1。以所得的反應速度為100%，與實施例1-2及實施例1-3、比較例1-1、比較例1-2進行比較。[實施例1-2]腈化合物轉化為酰胺化合物(2)用20mM-Tris -HCl緩沖液(pH7. 5)適當?shù)叵♂屨{制例1_1中所得的濕菌體，向其中添加制備例1-2中所述的丙烯腈c至20重量％，使其在20°C下反應10分鐘。此時，水性介質(I)中的苯濃度為2. 2ppm。之后與實施例1-1相同地操作。結果示于表1_1。[實施例1-3]腈化合物轉化為酰胺化合物(3)在制備例1-1所述的丙烯腈b中添加苯，進行調制直至丙烯腈中的苯濃度為20ppm。將所用的丙烯腈替換為該丙烯腈，與實施例1-1相同地操作。此時，水性介質(I)中的苯濃度為4. Oppm0結果示于表1-1。[比較例1-1]腈化合物轉化為酰胺化合物(I)將所用的丙烯腈替換為制備例1-1所述的丙烯腈a，與實施例1-1相同地操作。此時，水性介質(I)中的苯濃度為5. 2ppm。結果示于表1-1。[比較例1-2]腈化合物轉化為酰胺化合物(2)在制備例1-1所述的丙烯腈b中添加苯，進行調制直至丙烯腈中的苯濃度為 26ppm。將所用的丙烯腈替換為該丙烯腈，與實施例1-1相同地操作。此時，水性介質(I)的苯濃度為5. 2ppm。結果不于表1-1。由表1-1可知，通過將水性介質⑴中的苯濃度設定在4. Oppm以下，可以抑制反應速度的降低，且導致反應速度降低的原因物質是苯。[實施例1-4]腈化合物轉化為酰胺化合物(4)將所用的濕菌體替換為調制例1-2所得的濕菌體，與實施例1-1相同地操作。結果示于表1-2。以所得的反應速度為100%，與實施例1-5、比較例1-3進行比較。[實施例1-5]腈化合物轉化為酰胺化合物(5)將所用的濕菌體替換為調制例1-2所得的濕菌體，與實施例1-3相同地操作。結果不于表1-2。[比較例1-3]腈化合物轉化為酰胺化合物(3)將所用的濕菌體替換為調制例1-2中所得的濕菌體，與比較例1-1相同地操作。結果不于表1-2。[實施例1-6]腈化合物轉化為酰胺化合物(6)用20mM-Tris -HCl緩沖液(pH7. 5)適當?shù)叵♂屨{制例1_1中所得的濕菌體，向其中添加制備例1-3中所述的甲基丙烯腈至20重量％，使其在20°C下反應10分鐘。此時，水性介質(I)中的苯濃度為I. 6ppm。向反應液中添加與其等量的IM磷酸水溶液，使反應停止，用HPLC分析測定生成的甲基丙烯酰胺濃度。然后，計算每單位濕菌體及單位反應時間的甲基丙烯酰胺的生成速度(=反應速度)。結果示于表1-3。以所得的反應速度為100%，與實施例1-7、比較例1-4進行比較。[實施例1-7]腈化合物轉化為酰胺化合物(7)在制備例1-3中所述的甲基丙烯腈中添加苯，進行調制直至甲基丙烯腈中的苯濃度為20ppm。將所用的甲基丙烯腈替換為該甲基丙烯腈，與實施例1-6相同地操作。此時水性介質(I)中的苯濃度為4. Oppm0結果示于表1-3。[比較例1-4]
腈化合物轉化為酰胺化合物(4)在制備例1-3中所述的甲基丙烯腈中添加苯，進行調制直至甲基丙烯腈中的苯濃度為25ppm。將所用的甲基丙烯腈替換為該甲基丙烯腈，與實施例1-6相同地操作。此時水性介質(I)中的苯濃度為5. Oppm。結果示于表1-3。[實施例1-8]腈化合物轉化為酰胺化合物(8)將所用的濕菌體替換為調制例1-2中所得的濕菌體，與實施例1-6相同地操作。結果示于表1-4。以所得的反應速度為100%，與實施例1-9、比較例1-5進行比較。[實施例1-9]
腈化合物轉化為酰胺化合物(9)將所用的濕菌體替換為調制例1-2中所得的濕菌體，與實施例1-7相同地操作。結果不于表1-4。[比較例1-5]腈化合物轉化為酰胺化合物(5)將所用的濕菌體替換為調制例1-2中所得的濕菌體，與比較例1-4相同地操作。結果不于表1-4。[表 1-1]表1-權利要求
1.一種丙烯酰胺的制備方法，其特征在于，所述方法用含有腈水合酶的微生物的菌體或該菌體處理物使丙烯醛濃度為Ippm以下的丙烯腈在水性介質中進行水合反應。
2.一種制備丙烯酰胺類聚合物的方法，所述方法均聚權利要求I所述的丙烯酰胺，或共聚所述丙烯酰胺和能與丙烯酰胺共聚的至少一種不飽和單體，制備丙烯酰胺類聚合物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種丙烯酰胺的制備方法，其特征在于，所述方法用含有腈水合酶的微生物的菌體或該菌體處理物使丙烯醛濃度為1ppm以下的丙烯腈在水性介質中進行水合反應。
文檔編號C12P13/02GK102911973SQ20121036291
公開日2013年2月6日 申請日期2006年10月6日 優(yōu)先權日2005年10月7日
發(fā)明者柴本寬子, 相川敏和, 有井輝夫, 村本正則, 福田偉志, 伊藤潔, 阿部剛也, 羽間宗一 申請人:三井化學株式會社