專利名稱：多級膜生物反應器連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物催化反應工藝技術領域，運用產生腈水合酶的菌體為生物催化劑，尤其是一種運用三至十級膜生物反應器串聯(lián)連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液的方法。
背景技術：
丙烯酰胺(AM)是一種用途廣泛的有機化工中間體，其主要生產工藝是以丙烯腈 (AN)和水為底物，產生腈水合酶的菌體為生物催化劑，在反應罐中進行水合反應，生成產物丙烯酰胺(AM)。運用生物膜技術將產物丙烯酰胺與反應體系(含菌體)分離，得到粗丙烯酰胺溶液，粗丙烯酰胺溶液經過一系列過濾膜、離子交換床，最終得到精丙烯酰胺溶液。目前，丙烯酰胺生產工藝主要有游離細胞間歇式水合反應工藝和單級連續(xù)化水合反應工藝。根據目前生產實際的需求，這兩種生產工藝存在一些技術缺陷。1、游離細胞間歇式水合反應工藝的技術缺陷(1)游離細胞間歇式水合反應工藝，生產丙烯酰胺的過程是間歇式的。產物生成過程與產物分離過程不同步進行，生物催化劑在丙烯酰胺分離階段不發(fā)揮生物催化功能。生物催化劑是受底物和產物抑制影響的生物酶，在產物分離階段生物催化劑受到高濃度產物的抑制作用，使用效率和腈水合酶活性下降。(2)游離細胞間歇式水合反應工藝，只能產出250g/L至300g/L范圍的丙烯酰胺溶液，很難生產出高濃度的丙烯酰胺溶液。(3)游離細胞間歇式水合反應工藝，由于受到丙烯腈流加速度、酶活性、溫度控制、 副產物丙烯酸的生成等因素的影響，生成的丙烯酰胺質量波動較大。2、單級連續(xù)化水合反應生產丙烯酰胺工藝的技術缺點(1)單級連續(xù)化水合反應工藝，雖然能連續(xù)產出丙烯酰胺，但是生物催化劑在水合反應過程中長期浸泡在反應液中，底物抑制作用對腈水合酶活性影響較大。(2)單級連續(xù)化水合反應工藝，雖然底物加入速度相對穩(wěn)定，但流加速度不高，反應時間較長。生物催化劑長期受到產物丙烯酰胺抑制作用影響，導致副產物丙烯酸的生成增多，產品質量和生產效率下降。(3)單級連續(xù)化水合反應工藝，在丙烯酰胺的生產過程，只能連續(xù)產出250g/L至 300g/L范圍的丙烯酰胺，難以滿足生產實際的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足提供一種多級膜生物反應器連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液的方法。多級膜生物反應器串聯(lián)連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液的方法，多級膜生物反應器通過串聯(lián)方式連接；所述膜生物反應器裝置由膜組件和反應釜耦合形成；所述膜組件為中空纖維膜、陶瓷膜、卷式膜之一；各級膜生物反應器中的生物催化劑，只在本級膜生物反應器中進行循環(huán)，不能透過膜組件流入下一級膜生物反應器；各級膜生物反應器在產物濃度達到工藝標準要求后，產物丙烯酰胺、水、丙烯腈和副產物丙烯酸可以透過膜組件進入下一級膜生物反應器，實現(xiàn)與生物催化劑分離。所述的方法，所述多級膜生物反應器，由3至10個膜生物反應器串聯(lián)而成。所述的方法，所述生物催化劑清洗后，向膜生物反應器反應釜中加入量占反應前反應液總體積的5% -30%。所述的方法，所述各級膜生物反應器溫度控制范圍在15-25°C。多級膜生物反應器連續(xù)生產丙烯酰胺溶液工藝，根據生產(或市場)對丙烯酰胺濃度需要和實際生產工藝的設計，可以實現(xiàn)三級、四級、五級、六級、七級、八級、九級、十級膜生物反應器串聯(lián)連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液8種工藝，分別由3個、4個、5個、6個、7個、8 個、9個、10個膜生物反應器裝置串聯(lián)形成。多級膜生物反應器連續(xù)生產丙烯酰胺溶液8種工藝，均可生產出150_500g/L丙烯酰胺濃度梯度溶液。


圖1為實施例2中五級膜生物反應器連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液工藝流程，3、4兩級結構同1、2兩級，略，其中AM 丙烯酰胺，AN 丙烯腈。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1選用能產生腈水合酶的丙酸棒桿菌或其誘變株細胞。產酶細胞的制備先進行發(fā)酵種子的培養(yǎng)，在三角瓶或種子罐中裝入10-70% (體積比)的種子培養(yǎng)基，滅菌后接入1-10% (體積比)的菌種，在20-40°C下，旋轉式搖床中， 100-400rpm，振蕩培養(yǎng)30-120小時?；蛘哂?0L-2M3的種子罐，實罐滅菌后接入斜面種子， 空氣通量(單位體積發(fā)酵液單位時間內通入的空氣量)在1 0.2-1 1，V.V.M，攪拌速度為10-400rpm，罐壓保持在0. 03-0. 06mPa，溫度為20_40°C，培養(yǎng)30-200小時。種子培養(yǎng)基(重量比)0.5-2%葡萄糖，0.2-1%酵母膏，0.05-0. 15% Nacl, 0. 05-0. 3% K2HPO4,0. 01-0. 03% MgSO4,尿素 0. 1-1%, PH7. 0-7. 5 ；然后在50L_20m3的發(fā)酵罐，其發(fā)酵培養(yǎng)基裝入量為40 % -70 % (體積比)，實罐消毒后接入2-7% (體積比)的種子液，在通氣量1 0.2-1 1，V. V. M ；攪拌轉速 50-400rpm ；罐壓 0. 03-0. 06MP ；溫度20-40°C，發(fā)酵 30-200 小時；發(fā)酵培養(yǎng)基(重量比)1-2.5 %葡萄糖，0.2-1 %酵母膏，0. 1-2 %尿素， 0. 03-0. 1 % K2HPO4,0. 03-0. 1 % KH2PO4,0. 03-0. 1 % MgSO4, 2_20ppmCoCl2 ( 二氯化鈷)，味精 0. 04-0. 2%, PH6. 5-7. 5。實施例2如圖1所示，膜生物反應器裝置由反應釜和膜組件耦合在一起，圖1還示意出了多級(圖1中為5級，3至10級均可)膜生物反應器連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液工藝流程。本實施例包括五級膜生物反應器，各級之間串聯(lián)連接。(1)將培養(yǎng)合格的生物催化劑打入生物催化劑儲罐1-10°C儲存，將經過清洗的生物催化劑，按反應前反應液總體積的5%-30%加入1級膜生物反應器反應釜中，開啟攪拌。 水合反應控制溫度在15-25°C，開始向1級膜生物反應器反應釜中流加底物丙烯腈和水，二者經過腈水合酶的催化作用，生成產物丙烯酰胺。在線檢測膜生物反應器反應罐中反應液各項數據指標(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導率、PH)，無在線檢測系統(tǒng)的至少每一小時取樣檢測。根據反應液測樣數據進行調節(jié)丙烯腈和水的流加速度。當1級膜生物反應器反應釜液中丙烯酰胺溶液濃度達到150_230g/L，經過1級膜生物反應器膜組件系統(tǒng)的分離操作(菌體等大分子顆粒物質不能透過，丙烯酰胺和水可以透過)，連續(xù)得到150-230g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)?；亓饕航涍^回流管線返回1級膜生物反應器反應釜中，150-230g/L丙烯酰胺透過液進入2級膜生物反應器反應釜中。(2)當150_230g/L丙烯酰胺溶液進入2級膜生物反應器反應釜中至一定液位，將經過清洗的生物催化劑，按反應前反應液總體積的5% -30%加入2級膜生物反應器反應釜中?？刂茰囟仍?5-25°C，向2級膜生物反應器反應釜中流加底物丙烯腈，丙烯腈和1級膜生物反應器丙烯酰胺透過液中的水進行水合反應生成丙烯酰胺。在線檢測膜生物反應器反應罐中反應液各項數據指標(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導率、PH)，無在線檢測系統(tǒng)的至少每一小時取樣檢測。根據反應液測樣數據進行調節(jié)丙烯腈流加速度。2級膜生物反應器反應釜中丙烯酰胺溶液濃度達到230_330g/L時，經過膜組件系統(tǒng)進行分離操作，連續(xù)不斷得到230-330g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)。 回流液經過回流管線返回2級膜生物反應器反應釜中，230-330g/L丙烯酰胺透過液進入3 級膜生物反應器反應釜中。(3)當230_330g/L丙烯酰胺溶液進入3級膜生物反應器反應釜中至一定液位，將經過清洗的生物催化劑，按反應前反應液總體積的5% -30%加入3級膜生物反應器反應釜中?？刂茰囟仍?5-25°C，向3級膜生物反應器反應釜中流加底物丙烯腈，丙烯腈和2級膜生物反應器丙烯酰胺透過液中的水進行水合反應生成丙烯酰胺。在線檢測膜生物反應器反應罐中反應液各項數據指標(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導率、PH)，無在線檢測系統(tǒng)的至少每一小時取樣檢測。根據反應液測樣數據進行調節(jié)丙烯腈流加速度。3級膜生物反應器反應釜中丙烯酰胺溶液濃度達到330_420g/L時，經過膜組件系統(tǒng)進行分離操作，連續(xù)不斷得到330-420g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)。 回流液經過回流管線返回3級膜生物反應器反應釜中，330-420g/L丙烯酰胺透過液進入4 級膜生物反應器反應釜中。(4)當330_420g/L丙烯酰胺溶液進入4級膜生物反應器反應釜中至一定液位，將經過清洗的生物催化劑，按反應前反應液總體積的5% -30%加入4級膜生物反應器反應釜中。溫度控制15-25°C，向4級膜生物反應器反應釜中流加底物丙烯腈，丙烯腈和3級膜生物反應器丙烯酰胺透過液中的水進行水合反應生成丙烯酰胺。在線檢測膜生物反應器反應罐中反應液各項數據指標(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導率、PH)，無在線檢測系統(tǒng)的至少每一小時取樣檢測。根據反應液測樣數據進行調節(jié)丙烯腈流加速度。4級膜生物反應器反應釜中丙烯酰胺溶液濃度達到420_500g/L時，經過膜組件系統(tǒng)進行分離操作，連續(xù)不斷得到420-500g/L丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)。 回流液經過回流管線返回4級膜生物反應器反應釜中，420-500g/L丙烯酰胺透過液進入5級膜生物反應器反應釜中。(5)當420_500g/L丙烯酰胺溶液進入5級膜生物反應器反應釜中至一定液位，將經過清洗的生物催化劑，按反應前總反應液體積的5% -30%加入5級膜生物反應器反應釜中。溫度控制在15-25°C，反應體系殘余的丙烯腈進行水合反應。在線檢測膜生物反應器反應罐中反應液各項數據指標(丙烯酰胺濃度、丙烯腈濃度、丙烯酸濃度、電導率、PH)，無在線檢測系統(tǒng)的至少每一小時取樣檢測。丙烯腈濃度低于lg/L時，經過膜組件系統(tǒng)進行分離操作，連續(xù)不斷得到丙烯酰胺透過液和回流液(含生物催化劑)?；亓饕航涍^回流管線返回5級膜生物反應器反應釜中， 丙烯酰胺透過液進入丙烯酰胺溶液儲罐。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.多級膜生物反應器串聯(lián)連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液的方法，其特征在于，多級膜生物反應器通過串聯(lián)方式連接；所述膜生物反應器裝置由膜組件和反應釜耦合形成；所述膜組件為中空纖維膜、陶瓷膜、卷式膜之一；各級膜生物反應器中的生物催化劑，只在本級膜生物反應器中進行循環(huán)，不能透過膜組件流入下一級膜生物反應器；各級膜生物反應器在產物濃度達到工藝標準要求后，產物丙烯酰胺、水、丙烯腈和副產物丙烯酸可以透過膜組件進入下一級膜生物反應器，實現(xiàn)與生物催化劑分離。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多級膜生物反應器，由3至10個膜生物反應器串聯(lián)而成。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物催化劑清洗后，向各級膜生物反應器反應釜中加入量占反應前反應液總體積的5% -30%。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述各級膜生物反應器溫度控制范圍在 15-25 "C。
全文摘要
本發(fā)明公開了多級膜生物反應器串聯(lián)連續(xù)化生產丙烯酰胺溶液的方法，多級膜生物反應器通過串聯(lián)方式連接；所述膜生物反應器裝置由膜組件和反應釜耦合形成；所述膜組件為中空纖維膜、陶瓷膜、卷式膜之一；各級膜生物反應器中的生物催化劑，只在本級膜生物反應器中進行循環(huán)，不能透過膜組件流入下一級膜生物反應器；各級膜生物反應器在產物濃度達到工藝標準要求后，產物丙烯酰胺、水、丙烯腈和副產物丙烯酸可以透過膜組件進入下一級膜生物反應器，實現(xiàn)與生物催化劑分離。
文檔編號C12P7/40GK102286560SQ201110165460
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權日2011年6月20日
發(fā)明者劉皓, 周衛(wèi)東, 梁歡, 端木勉, 陳宗令, 魏新峰 申請人:山東寶莫生物化工股份有限公司