專利名稱：通過量熱法分析催化反應(yīng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過量熱法的催化反應(yīng)的控制，和更具體地涉及生物催化反應(yīng)的控制。
在催化反應(yīng)中，重要的是能夠監(jiān)視催化劑的活性和反應(yīng)進行的程度。對于描述于PCT出版物WO 97/21827的種類的生物催化尤其如此，其中使用腈水解酶將丙烯腈轉(zhuǎn)化成丙烯酸銨，所述腈水解酶描述于PCT出版物WO 97/21805。該生物催化劑在相對低濃度例如＞500mM的丙烯腈減活。為了處理該問題，將所述生物反應(yīng)器以進料批量方式運行，以便可以將丙烯腈濃度保持在低水平。在所述進料間歇式反應(yīng)中，丙烯腈以預(yù)計速率進料到所述生物反應(yīng)器，其中所述預(yù)計速率被計算為低于催化劑轉(zhuǎn)化丙烯腈的能力。
當(dāng)所述反應(yīng)進行時，丙烯酸銨的濃度升高，這引起所述催化劑的一些減活。如果丙烯腈的進料以相同預(yù)計速率繼續(xù)，丙烯腈的量將最后超過所述催化劑轉(zhuǎn)化它的能力。這導(dǎo)致所述催化劑的進一步減活，以致所述問題逐步變得更嚴(yán)重。結(jié)果，所述催化劑可能被破壞，而且使所述反應(yīng)過早地停止。反應(yīng)的停車不能被預(yù)知，并且通常在不及對丙烯腈進料進行任何調(diào)整以使反應(yīng)繼續(xù)之時才能注意到。
因此必需知道在所述轉(zhuǎn)化期間丙烯腈的濃度，以便可以在上限和下限(所述下限不一定為零)之間調(diào)節(jié)進料到所述生物反應(yīng)器的丙烯腈，以使所述反應(yīng)進行下去。作為可供選擇或另外的辦法，生物催化劑活性的測定可用于控制所述反應(yīng)條件。
因此，需要的是能夠在高濃度例如25至50％w/w的丙烯酸銨存在下，測量丙烯腈的濃度和低濃度的轉(zhuǎn)化率。并且，對于商品化學(xué)品生產(chǎn)的控制，所述測定方法應(yīng)該是適合地廉價、簡單、快速和十分靈敏的，例如±20ppm的基質(zhì)濃度。
已經(jīng)提出了各種方法，但是它們當(dāng)中沒有能夠滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的。因此，在分光光度法中，自由單元催化劑引起層析法例如HPLC中的干涉，低丙烯腈濃度在高丙烯酸銨濃度存在下是不清楚的，并且另外催化劑必須除去或?qū)⒋呋瘎┾缫粤⒓唇K止所述反應(yīng)，例如通過過濾。用于測定揮發(fā)性丙烯腈的液上氣液色譜法體系需要對于每個樣品進行平衡，這引起延遲?；跍y量電導(dǎo)率獲得丙烯腈濃度的方法是不靈敏的。使用在線電導(dǎo)測定丙烯酸銨產(chǎn)品濃度，從加入丙烯腈的質(zhì)量對丙烯腈濃度進行質(zhì)量平衡推導(dǎo)不是適合的，因為在丙烯酸銨濃度高于10％w/w時流體電導(dǎo)和丙烯酸銨濃度之間非線性的、常常雙曲線的關(guān)系。在高丙烯酸銨濃度下，電導(dǎo)隨產(chǎn)品濃度增加而降低。
GB 1 217 325論述了在絕熱狀態(tài)下，通過離析混合物樣品和記錄其隨時間的溫度變化，在反應(yīng)混合物中測量反應(yīng)速率的方法。然而沒有提供測量反應(yīng)物濃度的方法。
本發(fā)明著眼于這些問題。
按照本發(fā)明，提供了用于監(jiān)視催化反應(yīng)的方法，所述方法包括測定反應(yīng)混合物樣品隨時間的溫度變化，所述反應(yīng)混合物從反應(yīng)物進料中分離，所述測定在至少部分反應(yīng)期間進行，其中樣品的熱損失或獲得分別地小于反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定計算在反應(yīng)混合物中至少所述反應(yīng)物之一的濃度。
優(yōu)選在樣品中的反應(yīng)應(yīng)該是零級反應(yīng)，并且盡可能通過降低在反應(yīng)物和環(huán)境之間的傳熱至零或接近于零而在絕熱狀態(tài)下進行。對于酶，零級反應(yīng)是經(jīng)常的，其中基質(zhì)濃度超過Km。然而，盡管貫穿樣品的恒定絕熱狀態(tài)可能難以實現(xiàn)，但是通過在溫度測量位置周圍保持停滯的液體狀態(tài)，可以獲得測量反應(yīng)速率要求的2至5分鐘。所述溫度/時間曲線的最初部分將具有傾斜，其接近絕熱狀態(tài)，這一點可用于提供與催化劑活性有關(guān)的信息。通常對于反應(yīng)速率的測定，所述時間/溫度曲線的最初部分的持續(xù)時間，其處在絕熱狀態(tài)之下，不應(yīng)該少于約1分鐘、通常不小于2.5分鐘、優(yōu)選的持續(xù)時間為約4.0分鐘。如果還測量一種反應(yīng)物消耗完所用的時間，那么該反應(yīng)物的濃度也可以測定。
保證在樣品中溫度變化不是非常大也是有用的，其引起反應(yīng)加速并且引起反應(yīng)速率測定的誤差。所述溫度變化理想地不大于5℃、優(yōu)選地所述溫度變化不超過2℃。
本發(fā)明重要的特征是總溫升(或降低)不需要是已知的。尤其是，所述催化劑的活性可以由時間/溫度變化圖的始端斜率和反應(yīng)物濃度計算，后者根據(jù)所述催化劑活性和溫升(或下降)的持續(xù)時間決定。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，來自反應(yīng)器的反應(yīng)混合物樣品保持在絕熱容器中。容許所述反應(yīng)進行，并且測量溫度上升或下降，例如利用測溫探頭，借此確定時間/溫度曲線。優(yōu)選地，樣品被依次從反應(yīng)器取出，以便對所述反應(yīng)器中的反應(yīng)進展進行定時地監(jiān)視，和可以調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的條件至適當(dāng)值。從反應(yīng)器取樣的適當(dāng)設(shè)置包括優(yōu)選地絕熱的容器，通過該容器來自反應(yīng)器的流體被循環(huán)。每隔一段時間，將所述循環(huán)停止，以便在所述容器中保持定量的反應(yīng)混合物，即樣品，并且進行溫度測量。雖然這種在線類型的取樣是便利的，但不是必需的。完全可以簡單地從所述反應(yīng)器除去一部分反應(yīng)混合物來取樣，然后將樣品放入絕熱容器中，于是可以測定樣品中反應(yīng)的溫度變化圖。如果需要，所述絕熱容器可以被預(yù)熱至樣品的溫度，以便在樣品被引入該絕熱容器時降低熱損失。
現(xiàn)在將通過參考附圖的實施例來描述本發(fā)明特定的實施方案，在所述附圖中

圖1是在絕熱條件下零級反應(yīng)的溫度/時間曲線，其中反應(yīng)物在時間tD用盡；圖2是反應(yīng)的溫度/時間曲線，其中條件最初是絕熱的，然后熱損失是小的，并且其中反應(yīng)物在時間tD用盡；圖3是反應(yīng)的溫度/時間曲線，其中條件是非絕熱的；圖4是通過一種形式的熱量計檢測器的垂直剖面圖，該檢測器可用于實施本發(fā)明；圖5是通過圖4的熱量計的橫截面；圖6至9是實施本發(fā)明時獲得的溫度/時間圖，圖8和9顯示在絕熱的期間之后溫度隨時間線性上升，因為恒定速率的熱損失；圖10和11一方面是在丙烯腈濃度和溫升時間之間的關(guān)系和另一方面是丙烯腈濃度和觀察的最高溫升之間的關(guān)系；圖12和13顯示利用三種不同種類的熱量計得到的冷卻曲線，并且表明熱量計傾向于影響絕熱時間和隨后的冷卻速率，每個熱量計均顯示初始絕熱區(qū)，隨后是一段時期的恒定速率的熱損失，由菱形表示的曲線得自其中內(nèi)部和外部容器兩者均包含反應(yīng)流體的熱量計，由正方形表示的曲線利用包含反應(yīng)流體的內(nèi)部容器獲得，而外部容器與大氣通連并且包含空氣，由三角形表示的曲線得自不具有外部容器的簡單的容器；和圖14是用于實施本發(fā)明的體系，其使用兩個熱量計，其中
A表示循環(huán)泵，PU 1304型B表示熱交換器，HE 1311型C表示neotecha在線的取樣器D表示電導(dǎo)傳感器E表示量熱分析器F表示100mm長的在線混合器T表示溫度傳感器；在本發(fā)明的特定描述中，涉及丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉(zhuǎn)化，其使用腈水解酶作為生物催化劑?？蛇x擇地，本發(fā)明可以用于從丙烯腈生產(chǎn)丙烯酰胺的方法。然而應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于僅僅使用該反應(yīng)。
將來自用于上述生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器的樣品放入熱量計并且測量溫度。因為丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉(zhuǎn)化是放熱的，并且是零級，例如利用如PCT出版物WO 97/21827中所描述的腈水解酶，所以溫度將以恒定速率上升直到基本上全部丙烯腈被轉(zhuǎn)化。理想環(huán)境示于圖1，其中從熱量計的熱損失是零，并且所述反應(yīng)在絕熱條件下進行，tD＝溫升時間和ΔT＝最高溫升。從圖1，可以進行如下計算生物催化劑的活性(A)＝k1*斜率 (1)丙烯腈的濃度 ＝A*tD(2)丙烯腈的濃度 ＝k2*ΔT (3)k1和k2是常數(shù)，其可以通過校正得到或由所述常數(shù)和反應(yīng)混合物的反應(yīng)熱和熱容量之間的關(guān)系獲得。
因此從斜率和k1的值，可以得到生物催化劑的活性A，和使用所述催化劑活性和溫升時間可以測定丙烯腈的濃度。上述第三個方程式表明，丙烯腈的濃度還可以從極限溫升得到，但是如已經(jīng)指明的，這不是得到丙烯腈濃度的優(yōu)選路線。還可以預(yù)見，所述催化劑的活性使得可以預(yù)知基質(zhì)轉(zhuǎn)化速度。這樣，可以寫出alogrithm，其預(yù)知理想基質(zhì)進料速度，以保持固定基質(zhì)濃度，并且其有助于所述工藝的計算機控制。
如已經(jīng)說明的，在所述反應(yīng)時間，經(jīng)常不能也不必要降低從所述量熱計的熱損失至零。必要的是所述熱損失率應(yīng)該大大低于熱量生成速率，優(yōu)選地對于起始階段為零。這示于圖2。所述斜率存在逐漸下降，但是曲線的初始部分基本上與圖1的絕熱曲線相同。如圖3所示，所述溫度損失是較大的，并且所述條件是非絕熱的，例如在攪拌的反應(yīng)混合物中。需要的是存在足夠的曲線初始部分時間，其在絕熱條件之下，以確定所述斜率，所述催化劑的活性使用如下的方程式1計算生物催化劑的活性＝k1*起始斜率可以注意到，在熱損失率大大低于熱量產(chǎn)生速度的條件下，溫升時間不受熱損失的影響，因此丙烯腈的濃度仍然可以使用方程式2計算。當(dāng)存在熱損失時，極限溫升少于在絕熱反應(yīng)中的溫升，并且最高溫升與丙烯腈濃度的關(guān)系變得復(fù)雜。因此方程式3僅僅在絕熱條件下成立。
在本發(fā)明替代方式中，所述反應(yīng)器的內(nèi)含物通過環(huán)形配置循環(huán)。這可以是簡單的導(dǎo)管，通過該導(dǎo)管所述反應(yīng)混合物回到所述反應(yīng)器。在本發(fā)明的這種形式中，新鮮的基質(zhì)進料在進入所述反應(yīng)器之前被引入環(huán)形結(jié)構(gòu)，借此所述基質(zhì)與循環(huán)反應(yīng)混合物在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中在被通進所述反應(yīng)容器之前混合。
圖14顯示這種設(shè)備，其中所述環(huán)形結(jié)構(gòu)在所述基質(zhì)進料點之前包含熱量計，和在基質(zhì)進料點之后放置熱量計，其中旁路管路緊跟在所述熱量計前和后連接所述環(huán)管。所述旁路管路使所述反應(yīng)器的包含物在反應(yīng)混合物在熱量計中分離時圍繞所述環(huán)管流動。
在每個被放入所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中的熱量計中測定所述反應(yīng)混合物的分離部分的溫度隨時間變化，以測定所述反應(yīng)介質(zhì)的溫度變化，其中熱量計的引入在引入基質(zhì)之前和在引入基質(zhì)之后。
該環(huán)形結(jié)構(gòu)可以包括多于一個熱量計，其在所述基質(zhì)進料點之前和/或之后放入，因為使用多個熱量探測器可以對丙烯腈濃度提供幾乎連續(xù)的測定。
優(yōu)選地，所述溫度隨時間變化的測定基本上立即在所述基質(zhì)進料點之前和基本上立即在所述基質(zhì)進料點之后。
在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中進行測定的優(yōu)選方法是借助于定位在環(huán)形結(jié)構(gòu)中在所述基質(zhì)進料點之前的一個熱量計和定位在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中在所述基質(zhì)進料點之后的一個熱量計進行的，如圖14所示。
按照本發(fā)明的另一個方面，在反應(yīng)中的所述反應(yīng)物的至少一種的濃度通過對所述反應(yīng)混合物取樣和使反應(yīng)混合物的樣品進行催化反應(yīng)來測定，并且其中樣品的熱量損失或獲得的熱量分別地少于所述反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定以計算反應(yīng)混合物中至少一種所述反應(yīng)物的濃度。在本發(fā)明該方面的優(yōu)選形式中，反應(yīng)混合物樣品進行不同的反應(yīng)。本發(fā)明的該代替方式，在所述樣品的催化反應(yīng)比主反應(yīng)是更加吸熱的或更加放熱的時，可能是有價值的。因此，熱量生成或減少的速率將大于在所述主反應(yīng)中的，但是反應(yīng)物的實測濃度將仍然是所述主反應(yīng)的。
本發(fā)明的該方面對于不是基本上放熱的或基本上吸熱的反應(yīng)可能是特別有用的，條件是要測定濃度的反應(yīng)物在樣品中進行放熱的或吸熱的催化反應(yīng)。本發(fā)明的該方面在從丙烯腈生產(chǎn)丙烯酰胺中可能是有價值的，其中反應(yīng)器內(nèi)含物的樣品與將丙烯腈轉(zhuǎn)化為丙烯酸銨的腈水解酶細胞的懸浮液結(jié)合在一起。在任何從丙烯腈生產(chǎn)丙烯酰胺的工藝中這可能是有價值的，例如使用Raney銅催化劑或生物催化劑。丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉(zhuǎn)化比丙烯腈至丙烯酰胺的生物轉(zhuǎn)化是更加放熱的。因此，丙烯腈在所述反應(yīng)器中的濃度可以借助于在樣品中的丙烯腈轉(zhuǎn)化為丙烯酸鹽而非促進轉(zhuǎn)化至丙烯酰胺而更加準(zhǔn)確地測定。
因此，在本發(fā)明的該方面，提供了用于監(jiān)視反應(yīng)的方法，該方法包括測定反應(yīng)混合物樣品隨時間的溫度變化，該反應(yīng)混合物從反應(yīng)器中分離，在至少部分反應(yīng)期間進行，其中樣品的熱損失或獲得分別地小于樣品的催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定計算在反應(yīng)混合物中至少所述反應(yīng)物之一的濃度。
本發(fā)明的另一方面提供監(jiān)視發(fā)酵的方法，其產(chǎn)生酶催化劑，所述方法包括測量發(fā)酵混合物樣品隨時間的溫度變化，該混合物分離自發(fā)酵容器，其中樣品的熱量損失或獲得分別地少于發(fā)酵產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定計算通過所述發(fā)酵生產(chǎn)的催化劑的活性。
這可以用許多方法進行。一種方法包括使用二個熱量計(前面描述的類型)，一個包含發(fā)酵混合物和另一個包含相同的發(fā)酵混合物和基質(zhì)。
例如，優(yōu)選的發(fā)酵混合物可以產(chǎn)生丙烯腈水解酶，因此所述基質(zhì)將是乙腈。測量在二個熱量計之間生熱的速度差別提供了數(shù)據(jù)，由該數(shù)據(jù)可以計算酶催化劑的活性(或基質(zhì)的濃度)，其方法如前面所描述的。
必須使用該溫度升高的不同速度，因為發(fā)酵反應(yīng)不同于生物轉(zhuǎn)化之處在于發(fā)酵由許多生物反應(yīng)組成，其影響發(fā)酵混合物的溫度。因此需要對照熱量計，以考慮由于發(fā)酵的溫差。
可選擇地，可以使用二個熱量計，其中基質(zhì)或酶被加入熱量計之一以測定所述存在于發(fā)酵混合物中的催化劑的活性或者測定在發(fā)酵混合物中的基質(zhì)濃度。
可選擇地，可以使用單一熱量計，其可以是前面描述的類型，并且包含所述發(fā)酵混合物和基質(zhì)?？梢詮乃龌旌衔锶〕鰳悠?，并且在轉(zhuǎn)入所述熱量計之前進行過濾，以從所述發(fā)酵除去任何細胞材料，然后將酶加入樣品，以便可以測量溫度升高的速度，由此可以計算基質(zhì)的濃度，其方法如前面所描述的。
優(yōu)選在樣品中的反應(yīng)應(yīng)該是零級反應(yīng)，并且盡可能通過降低在反應(yīng)和環(huán)境之間的傳熱至零或接近于零而在絕熱狀態(tài)下進行。對于酶，零級反應(yīng)是經(jīng)常的，其中在操作條件下所述基質(zhì)濃度超過酶的Km。然而，盡管貫穿樣品的恒定絕熱狀態(tài)可能難以實現(xiàn)，但是通過在溫度測量位置周圍保持停滯的液體狀態(tài)，可以獲得測量反應(yīng)速率要求的2至5分鐘。所述溫度/時間曲線的初始部分將具有接近絕熱狀態(tài)的斜率，這一點可用于提供與催化劑活性有關(guān)的信息。通常，對于測定所述反應(yīng)速率，所述時間/溫度曲線的初始部分的時間，其處在絕熱條件下，不應(yīng)該少于約1分鐘，通常不小于2.5分鐘，優(yōu)選的時間為約4.0分鐘，如果還測量一種反應(yīng)物用盡的時間，那么該反應(yīng)物的濃度也可以測定。
保證在樣品中溫度變化不是非常大也是有用的，其引起反應(yīng)加速并且引起反應(yīng)速率測定的誤差。所述溫度變化理想地不大于5℃、優(yōu)選地所述溫度變化不大于2℃。
本發(fā)明重要的特征是總溫升(或降低)不需要是已知的。尤其是，所述催化劑的活性可以由時間/溫度變化圖的初始部分斜率和反應(yīng)物濃度計算，后者根據(jù)所述催化劑活性和溫升(或下降)的持續(xù)時間決定。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，來自反應(yīng)器的反應(yīng)混合物樣品保持在絕熱容器中。容許所述反應(yīng)進行，并且測量溫度上升或下降，例如利用測溫探頭，借此確定時間/溫度曲線。優(yōu)選地，樣品被依次從反應(yīng)器取出，以便對所述反應(yīng)器中的反應(yīng)進展進行定時地監(jiān)視，和可以調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的條件至適當(dāng)值。從反應(yīng)器取樣的適當(dāng)設(shè)置包括優(yōu)選地絕熱的容器，通過該容器來自反應(yīng)器的流體被循環(huán)。每隔一段時間，將所述循環(huán)停止，以便在所述容器中保持定量的反應(yīng)混合物，即樣品，并且進行溫度測量。雖然這種在線類型的取樣是便利的，但不是必需的。完全可以簡單地從所述反應(yīng)器除去一部分反應(yīng)混合物來取樣，然后將樣品放入絕熱容器中，于是可以測定樣品中反應(yīng)的溫度變化圖。如果需要，所述絕熱容器可以被預(yù)熱至樣品的溫度，以便在樣品被引入該絕熱容器時降低熱損失。
在本發(fā)明替代方式中，所述反應(yīng)器的內(nèi)含物通過環(huán)形配置循環(huán)。其可以是簡單的導(dǎo)管，通過該導(dǎo)管所述反應(yīng)混合物回到所述反應(yīng)器，在本發(fā)明該形式中，新鮮的基質(zhì)進料在進入所述反應(yīng)器之前被引入所述環(huán)形結(jié)構(gòu)，借此所述基質(zhì)與循環(huán)反應(yīng)混合物在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中在進入所述反應(yīng)容器內(nèi)之前混合。
在每個被放入所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中的熱量計中測定所述反應(yīng)混合物的分離部分的溫度隨時間變化，以測定所述反應(yīng)介質(zhì)的溫度變化，其中熱量計的引入在引入基質(zhì)之前和在引入基質(zhì)之后。
該環(huán)形結(jié)構(gòu)可以包括多于一個熱量計，其在所述基質(zhì)進料點之前和/或之后放入，因為使用多個熱量探測器可以對丙烯腈濃度提供幾乎連續(xù)的測定。
優(yōu)選地，所述溫度隨時間變化的測定基本上立即在所述基質(zhì)進料點之前和基本上立即在所述基質(zhì)進料點之后。
在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中進行測定的優(yōu)選方法是借助于定位在環(huán)形結(jié)構(gòu)在所述基質(zhì)進料點之前的一個熱量計和定位在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中在所述基質(zhì)進料點之后的一個熱量計進行的，如圖14所示。
按照本發(fā)明的另一個方面，在反應(yīng)中的所述反應(yīng)物的至少一種的濃度通過對所述反應(yīng)混合物取樣和使反應(yīng)混合物的樣品進行催化反應(yīng)測定，并且其中由樣品獲得的熱量或損失的熱量分別地少于所述反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定以計算反應(yīng)混合物中至少一種所述反應(yīng)物的濃度。在本發(fā)明該方面的優(yōu)選形式中，反應(yīng)混合物樣品進行不同的反應(yīng)。本發(fā)明的該替代方式，在所述樣品的催化反應(yīng)比主反應(yīng)是更加吸熱的或更加放熱的時，可能是有價值的。因此，熱量生成或減少的速率將大于在所述主反應(yīng)中的，但是反應(yīng)物的實測濃度將仍然是所述主反應(yīng)的。
本發(fā)明的該方面對于不是基本上放熱的或基本上吸熱的反應(yīng)可能是特別有用的，條件是要測定濃度的反應(yīng)物在樣品中進行放熱的或吸熱的催化反應(yīng)。本發(fā)明的該方面在從丙烯腈生產(chǎn)丙烯酰胺中可能是有價值的，其中反應(yīng)器內(nèi)含物的樣品與將丙烯腈轉(zhuǎn)化為丙烯酸銨的腈水解酶細胞的懸浮液結(jié)合在一起。在任何從丙烯腈生產(chǎn)丙烯酰胺的工藝中這可能是有價值的，例如使用Raney銅催化劑或生物催化劑。丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉(zhuǎn)化比丙烯腈至丙烯酰胺的生物轉(zhuǎn)化是更加放熱的。因此，丙烯腈在所述反應(yīng)器中的濃度可以借助于在樣品中的丙烯腈轉(zhuǎn)化為丙烯酸鹽而非促進轉(zhuǎn)化至丙烯酰胺而更加準(zhǔn)確地測定。
因此，在本發(fā)明的該方面，提供了用于監(jiān)視反應(yīng)的方法，該方法包括測定反應(yīng)混合物樣品隨時間的溫度變化，該反應(yīng)混合物從反應(yīng)器中分離，在至少部分反應(yīng)期間進行，其中樣品的熱損失或獲得分別地小于樣品的催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定計算在反應(yīng)混合物中至少所述反應(yīng)物之一的濃度。
以下實施例進一步地說明本發(fā)明實施例1.
使用如圖4和5所示的同心式熱量計。所述熱量計包括圓形截面的內(nèi)部容器10，具有連接到生物反應(yīng)器(未顯示)的進口12和出口14。測溫探頭16伸進所述容器10。外部容器18同心地圍繞所述內(nèi)部容器10，并且裝備有進口20和出口22，用于以基本上與內(nèi)部容器中的反應(yīng)混合物相同溫度輸入流體，由此降低從所述內(nèi)部容器的熱損失。在冷卻源和溫度測量位置之間的距離(絕緣量)可以依據(jù)在需要的絕熱條件下的時間長度變化。優(yōu)選地，在所述外部容器中的流體同于在所述內(nèi)部容器中的所述反應(yīng)混合物，與在所述內(nèi)部容器中的所述反應(yīng)混合物一樣保持相同滯止條件，以便其由于所述反應(yīng)的生熱基本上與在所述內(nèi)部容器內(nèi)的相同，因此有助于保持絕熱條件。如可以在圖5中看到的，到兩個容器的進口和出口成切線排列，以便在所述容器中保證好的流體混合。
向所述連接著熱量計的生物反應(yīng)器中裝入水和生物催化劑。以稍微超過生物催化劑的生物轉(zhuǎn)化速度的速度將丙烯腈泵入所述生物反應(yīng)器，以便丙烯腈的濃度在所述生物反應(yīng)器中慢慢地升高。來自所述生物反應(yīng)器的反應(yīng)混合物連續(xù)地泵送通過所述熱量計和回到所述生物反應(yīng)器。結(jié)果，當(dāng)反應(yīng)混合物通過所述熱量計循環(huán)時，在所述熱量計中的溫度相對于在所述生物反應(yīng)器中的溫度是恒定的。在選擇的間隔，在所述生物反應(yīng)器和熱量計之間循環(huán)反應(yīng)混合物的泵被關(guān)閉，通過測定得到在所述熱量計中的狀態(tài)的溫度/時間圖，所述測定花費幾分鐘，例如大約5分鐘，其在至所述熱量計的循環(huán)被停止直到在所述熱量計中的溫度開始下降之前進行。從這些圖測定溫度/時間曲線的斜率、溫度升高的時間和極限溫升。同時，當(dāng)至所述熱量計的循環(huán)被停止時，對反應(yīng)混合物取樣并且立即過濾以除去所述生物催化劑，以測定丙烯腈濃度。
參考圖6至9，其顯示得到的圖形。圖6的圖形顯示在丙烯腈進料至所述生物反應(yīng)器開始之前在所述熱量計中的條件。在所述熱量計中溫度在反應(yīng)混合物循環(huán)到所述熱量計被中止之前在五分鐘期間下降。其后，所述溫度保持恒定約另外五分鐘。這是絕熱時間。然后，由于到環(huán)境的熱損失，所述溫度下降。
在圖7中的圖形在丙烯腈濃度達到36mM時得到。如可以看到的，在五分鐘之后，在所述循環(huán)被停止時，所述溫度在約五分鐘的絕熱的時間之內(nèi)線性地隨時間升高。從溫度線性上升的斜率和從溫升的時間，在這種情況下為4.32分鐘，可以得到催化劑的活性和丙烯腈的濃度。在所述線性升溫的結(jié)尾，所述曲線開始下降，表示在所述熱量計中的反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束。
示于圖8的溫度/時間圖在經(jīng)過一段時間以后得到，這時在所述生物反應(yīng)器中的丙烯腈濃度已經(jīng)增加到約100mM。所述溫升的時間現(xiàn)在是12.82分鐘。但是僅僅初始線性部分，即在對應(yīng)于所述絕熱區(qū)的溫度/時間曲線的第一個五分鐘內(nèi)，被用于測定所述斜率，以計算所述生物催化劑的活性。在所述溫升的大約第一個五分鐘之后，所述曲線變得平坦，然后在所述反應(yīng)的結(jié)尾突然地下降。
示于圖9的圖形在生物反應(yīng)器中的丙烯腈濃度已經(jīng)達到180mM時得到。如前所述，所述圖形在所述絕熱區(qū)是線性的，并且從該部分的溫度/時間曲線，可以用斜率測定所述生物催化劑活性。在線性區(qū)域之后，所述曲線變得平坦，因為從所述熱量計的熱損失，其幾乎是恒定的，和其后開始下降。
實施例2所述設(shè)備和步驟同于實施例1，除了在所述生物反應(yīng)器和熱量計之間的循環(huán)每半小時停止，以得到溫度/時間圖，同時從所述生物反應(yīng)器除去樣品用于測定丙烯腈的濃度。丙烯腈濃度對溫升時間的圖形示于圖10，其顯示了在這二個值之間的比例。然而，如可以在圖11中看到的，在得自連續(xù)樣品的丙烯腈濃度和極限溫度升高的值之間沒有這樣的比例存在。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不僅提供監(jiān)視生物催化反應(yīng)進程的方法，而且通過使用得自本發(fā)明方法的信息可以控制所述反應(yīng)。因此通過本發(fā)明得到的丙烯腈濃度隨時間的變化可用于調(diào)節(jié)輸入的丙烯腈，以保持所述濃度在需要的水平。另外，催化劑活性的值可用于調(diào)節(jié)催化劑在所述生物反應(yīng)器中的量，以便在需要時保持恒定水準(zhǔn)的活性。
在所述熱量計中的丙烯腈濃度的下降與在所述生物反應(yīng)器中的丙烯腈濃度的下降相當(dāng)。簡單的控制過程是在預(yù)定的成為各個抽樣周期的延遲時間中止丙烯腈到所述反應(yīng)器的進料，直到在所述熱量計中的溫度開始下降。在該點，重新開始所述丙烯腈進料到所述生物反應(yīng)器。該步驟防止丙烯腈在所述生物反應(yīng)器中的濃度降低到零。延遲時間的長度決定在所述進料重新開始時丙烯腈在所述反應(yīng)器中的濃度。
現(xiàn)在參考圖12和13，顯示了不同類型的熱量計的冷卻曲線。由菱形表示的曲線得自如上所述的熱量計，參考圖4和5，在內(nèi)部和外部容器兩者都包含反應(yīng)流體。由正方形表示的曲線由包含反應(yīng)流體的內(nèi)部容器和與大氣通連并且包含空氣的外部容器得到。由三角形表示的曲線得自簡單的沒有外部容器的容器。如可以看到的，最好的結(jié)果得自圖4和5的同心設(shè)計，其中反應(yīng)流體在所述外部容器中。
在將本發(fā)明應(yīng)用于例如用于丙烯腈至丙烯酸銨的轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器中時，其中使用腈水解酶，可以使用如圖14說明的體系。在該體系中，安裝第一熱量計30，以通過循環(huán)線34從反應(yīng)器32接收反應(yīng)混合物。該熱量計被用于測定反應(yīng)器中的丙烯腈濃度并且可用于測定催化劑的活性，條件是在所述反應(yīng)器中存在足夠的丙烯腈以在所述熱量探測器中提供優(yōu)選大于1分鐘的生熱斜率。因為有可能沒有丙烯腈存在于所述反應(yīng)混合物，其由第一熱量計30接受，第二熱量計36定位在丙烯腈進入循環(huán)線34的進料38和反應(yīng)器32之間，以測量零級反應(yīng)速度，其中保證最低水平的丙烯腈。
本發(fā)明不局限于上述描述的實施方案，并且可以進行許多改進和變化。例如存在其它的方法來實施所述量熱檢測。因此，取樣器可以簡單地浸入所述反應(yīng)器的包含物。在另一個實施方案中，進入到所述反應(yīng)器的進料可以被中斷，并且關(guān)掉任何在所述反應(yīng)器中的反應(yīng)混合物的攪拌，隨后測量反應(yīng)器的全部停滯的包含物的生熱。
使用順序地操作的多個熱量探測器可以提供對丙烯腈濃度的近似實時連續(xù)測定。又一個方法包括將所述生物催化劑混合入反應(yīng)物的流程中，然后當(dāng)測量所述生熱時保持所述混合物在滯止條件下。
權(quán)利要求
1.用于監(jiān)視催化反應(yīng)的方法，其包括測量在至少部分的反應(yīng)期間，當(dāng)樣品損失或獲得的熱量分別地小于所述反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱時，反應(yīng)混合物樣品的溫度隨時間的變化，和使用所述測定方法測定反應(yīng)物之一的濃度。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述樣品中的反應(yīng)至少部分地在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行。
3.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中在所述樣品中的反應(yīng)在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行不少于1分鐘、優(yōu)選不少于2.5分鐘。
4.任何前述權(quán)利要求的方法，其中樣品獲得或損失的熱在所述至少一部分反應(yīng)期間被基本上降低至零。
5.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述反應(yīng)是放熱的。
6.任何前述權(quán)利要求的方法，其中在所述至少部分反應(yīng)期間，樣品被保持在絕熱容器中。
7.任何前述權(quán)利要求的方法，其中樣品連續(xù)地從反應(yīng)器取出。
8.權(quán)利要求7的方法，其中反應(yīng)混合物在所述反應(yīng)器和樣品容器之間循環(huán)，并且每隔一段時間所述循環(huán)被中斷，以便在樣品容器中留下反應(yīng)混合物的樣品，于是對其進行所述測定。
9.從屬于權(quán)利要求6的權(quán)利要求7或8的方法，其中將用于樣品的容器加熱至所述反應(yīng)混合物的溫度。
10.任何前述權(quán)利要求的方法，其中利用測溫探頭測量樣品溫度隨時間的變化。
11.任何前述權(quán)利要求的方法，其中從樣品中獲得的測定被用于控制所述反應(yīng)。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述反應(yīng)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)混合物中的反應(yīng)物之一來控制。
13.權(quán)利要求11或12的方法，其中所述反應(yīng)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)混合物中的催化劑的含量進行控制。
14.權(quán)利要求11至13任何一項的方法，其中所述反應(yīng)通過在測量樣品時中斷反應(yīng)物之一至所述反應(yīng)混合物的進料來控制。
15.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述反應(yīng)是生物催化的。
16.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述催化劑是選自腈水解酶和腈水合酶的酶。
17.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述反應(yīng)是通過腈水解酶催化的丙烯腈至丙烯酸銨的轉(zhuǎn)化。
18.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述反應(yīng)通過酶催化并且基質(zhì)的濃度超過酶對于所述基質(zhì)的Km值。
19.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述反應(yīng)遵循零級動力學(xué)直到基本上完成。
20.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述反應(yīng)器的包含物在環(huán)形結(jié)構(gòu)中循環(huán)并且所述基質(zhì)進料在進入所述反應(yīng)器之前被引入環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且其中反應(yīng)混合物分離部分隨時間的溫度變化在基質(zhì)引入之前和在基質(zhì)引入之后測量，以測定所述反應(yīng)介質(zhì)的溫度變化。
21.權(quán)利要求20的方法，其中在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中的所述溫度隨時間變化的測定借助于以下進行，在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中定位在所述基質(zhì)進料點之前的一個或多個熱量計、在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中定位在所述基質(zhì)進料點之后的一個或多個熱量計，和在所述反應(yīng)混合物在熱量計之內(nèi)被分離時使所述反應(yīng)器的包含物流過所述環(huán)狀管線的設(shè)置。
22.用于監(jiān)視反應(yīng)的方法，其包括測量在至少部分反應(yīng)期間所述反應(yīng)混合物樣品溫度隨時間的變化，其中樣品的熱量損失或獲得分別地少于在樣品中的催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱，測量一種反應(yīng)物被用盡的時間，和使用所述測定計算反應(yīng)混合物中至少反應(yīng)物之一的濃度。
23.權(quán)利要求22的方法，其中在樣品中的所述催化反應(yīng)與所述反應(yīng)相比是更加放熱的或更加吸熱的。
24.權(quán)利要求22或23的方法，其中所述反應(yīng)是丙烯腈到丙烯酰胺的轉(zhuǎn)化。
25.權(quán)利要求22至24任何一項的方法，其中在樣品中的所述催化反應(yīng)是丙烯腈至丙烯酸銨的轉(zhuǎn)化，其使用腈水解酶。
26.權(quán)利要求22至24任何一項的方法，其結(jié)合權(quán)利要求1至21的任何特征。
27.用于監(jiān)視發(fā)酵的方法，其產(chǎn)生酶催化劑，所述方法包括測量發(fā)酵混合物樣品隨時間的溫度變化，該混合物分離自發(fā)酵容器，其中樣品的熱量損失或獲得分別地少于發(fā)酵產(chǎn)生的熱或減少的熱，并且使用所述測定計算通過所述發(fā)酵生產(chǎn)的催化劑的活性。
28.權(quán)利要求27的方法，其中所述樣品中的發(fā)酵至少部分地在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行。
29.權(quán)利要求27或28的方法，其中在所述樣品中的發(fā)酵在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行不少于1分鐘、優(yōu)選不少于2.5分鐘。
30.任何前述權(quán)利要求的方法，其中樣品獲得或損失的熱在所述至少一部分發(fā)酵期間被基本上降低至零。
31.任何前述權(quán)利要求的方法，其中所述發(fā)酵是放熱的。
32.任何前述權(quán)利要求的方法，其中在所述至少部分發(fā)酵期間，樣品被保持在絕熱容器中。
33.任何前述權(quán)利要求的方法，其中樣品連續(xù)地從反應(yīng)器取出。
34.權(quán)利要求33的方法，其中發(fā)酵混合物在所述反應(yīng)器和樣品容器之間循環(huán)，并且每隔一段時間所述循環(huán)被中斷，以便在樣品容器中留下發(fā)酵混合物的樣品，于是對其進行所述測定。
35.從屬于權(quán)利要求32的權(quán)利要求33或34的方法，其中將用于樣品的容器加熱至所述發(fā)酵混合物的溫度。
36.權(quán)利要求27至35任何一項的方法，其中所述樣品的溫度隨時間的變化用測溫探頭測定。
全文摘要
用于監(jiān)視催化反應(yīng)的方法，其包括測量在至少部分的反應(yīng)期間，當(dāng)樣品損失或獲得的熱量分別地小于所述反應(yīng)產(chǎn)生的熱或減少的熱時，反應(yīng)混合物樣品的溫度隨時間的變化，和使用所述測定方法測定反應(yīng)物之一的濃度。
文檔編號G01N25/48GK1397015SQ01804467
公開日2003年2月12日 申請日期2001年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月4日
發(fā)明者D·K·拉姆斯登 申請人:西巴特殊化學(xué)水處理有限公司