由于生化法生產(chǎn)丙烯酰胺涉及的原輔料較多，因此生產(chǎn)過程中不可避免引入一些雜 質(zhì)，通過對(duì)微生物法生產(chǎn)的丙烯酰胺水溶液進(jìn)行分析，得出在生化法生產(chǎn)丙烯酰胺工藝 中所涉及到的主要雜質(zhì)有：甲醛、乙醛、雙氧水、丙烯酸、對(duì)苯二酚、乙腈及氨基酸等蛋白和糖類。
3.1生化法丙烯酰胺雜質(zhì)成分及對(duì)聚丙烯酰胺的影響我們通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)，人為加入相應(yīng)雜質(zhì)，以找出不同雜質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的影響規(guī)律。引發(fā) 體系利用我公司已應(yīng)用成熟的體系。
3.1.1實(shí)驗(yàn)藥品及儀器設(shè)備（見表3-1及3-2)
表3-1實(shí)驗(yàn)試劑名稱規(guī)格生產(chǎn)廠家丙烯酰胺23?27%水溶液大慶煉化公司碳酸鈉工業(yè)級(jí)唐山氮?dú)忉?9. 99%大慶煉化公司乙二胺四乙酸二鈉（EDTA)分析純哈爾濱化工化學(xué)試劑廠過硫酸鉀分析純天津化學(xué)試劑廠復(fù)合引發(fā)體系自配尿素工業(yè)級(jí)大慶龍鳳化肥廠甲醛分析純天津試劑四廠乙醛分析純天津試劑四廠乙腈分析純上海三愛斯試劑有限公司雙氧水分析純丙烯酸分析純哈爾濱化工化學(xué)試劑廠表3-2設(shè)備及儀器超級(jí)恒溫水浴WMZK-01遼陽恒溫儀器廠氣流干燥機(jī)KQ-B河南鞏縣英華儀器廠鼓風(fēng)式干燥箱余姚明偉儀器廠浴槽KF-5遼陽市恒溫儀器廠粉碎機(jī)SG260-A順德市蘭譜制造公司烏氏粘度計(jì)13-614美國Fisher公司精密電子天平（感量O.oooig)FA-1104上海天平儀表廠電子天平（感量0. 〇lg)JD-2000-2沈陽龍騰電子有限公司酸度計(jì) 立式攪拌器HJ90-B海淀航天計(jì)算機(jī)公司玻璃砂芯漏斗G0型500ml磨口瓶，各種型號(hào)容量瓶、移液管、燒杯，乳膠管、洗耳球等3.1.2實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容稱取800克丙烯酰胺水溶液，加入磨口瓶中，加入適量除鹽水，調(diào)整濃度至23%， 按比例加入碳酸鈉，攪拌至溶解；調(diào)整溫度至定值，分別加入不同比例的甲醛等雜質(zhì)； 按比例加入EDTA，通氮除氧30分鐘后，加入復(fù)合引發(fā)劑，繼續(xù)通氮5分鐘后，加入過 硫酸銨，再吹氮5分鐘停止通氮，聚合；溫度升至最高后熟化2小時(shí)，將膠體取出，置 于浴槽內(nèi)保持9CTC40分鐘取出；待反應(yīng)體系降至室溫后，取出膠塊，經(jīng)造粒、烘干、 粉碎、過篩，得到20?100目的白色聚丙烯酰胺干粉待檢測。
3.1.3分析方法3. 1.3. 1粘度測試步驟稱取199. 00g新配制的標(biāo)準(zhǔn)鹽水于400mL燒杯中。準(zhǔn)確稱取1. 000g聚丙烯酰胺試 樣。調(diào)整立式攪拌器的攪拌速度至(400±20)rpm/min,使標(biāo)準(zhǔn)鹽水形成旋禍，在lmin 內(nèi)緩慢而均勻地把試樣撤入旋渦壁中，繼續(xù)攪拌約2h，配制為溶液A。稱取按所配溶液 A 20. 00g于400mL燒杯中，加標(biāo)準(zhǔn)鹽水至100. 00g，用磁力攪拌器混合攪拌至少10min， 配制為溶液B。
儀器調(diào)水平，接通電源；將恒溫水浴加熱至45°C，粘度計(jì)安裝上UL轉(zhuǎn)子。將粘度 計(jì)調(diào)零；設(shè)置剪切速率為7. 34s'在測量杯中加入所配溶液B16mL，并裝上粘度計(jì)；將 裝有試樣的測量杯在恒溫水浴中預(yù)熱15min，打開粘度計(jì)測定開關(guān)，讀數(shù)，每個(gè)樣品測 定三次，測試值保留小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字，取平均值為測定結(jié)果。
3. 1.3. 2水不溶物測試步驟用蒸餾水洗凈25 um篩網(wǎng)后置于120°C恒溫干燥箱中烘干2h，移至干燥器中冷卻 30min后，稱重準(zhǔn)確至0? 0001g視為W4。
稱取2. 5g(準(zhǔn)確至0. 0001g)待測試樣為W，稱取500mL去離子水于lOOOmL燒杯中， 用立式攪拌器以(400±20)rpm/min的速度攪拌形成旋禍，在lmin內(nèi)，緩慢而均勻地) 將試樣撒于旋渦中使其完全溶解，攪拌2h。
在壓力0. 2MPa條件下，用已稱重的25 y m篩網(wǎng)過濾試樣溶液。再用500mL去離子 水沖洗篩網(wǎng)。
將篩網(wǎng)放回干燥箱，在120°C下烘干2h,移至干燥器冷卻30min后，稱重準(zhǔn)確至 0? 0001g 視為 W5。
水不溶物按下式計(jì)算：水不溶物(%)= ''’5 — ’4 xl00%(3-1)
W3. 1.3.3固含量的測試步驟接通恒溫干燥箱電源，設(shè)置烘干溫度為120±0.5°C，并恒溫。將干燥盤放在恒溫 干燥箱內(nèi)，在120°C條件下烘干2h。將干燥盤從恒溫干燥箱中取出，放入干燥器內(nèi)冷卻 30min。在精密電子天平上稱干燥盤質(zhì)量，準(zhǔn)確至O.OOOlg，視為％。
在干燥盤上均勻撤入lg左右粉狀試樣，在精密電子天平上稱質(zhì)量，準(zhǔn)確至O.OOOlg， 視為W2。置于干燥箱內(nèi)烘干2h。
將烘干后的試樣移至干燥器內(nèi)，冷卻30min至室溫。在精密電子天平上稱質(zhì)量，準(zhǔn) 確至0. OOOlg，視為W3。
本方法應(yīng)取三個(gè)平行樣同時(shí)測定，將三個(gè)平行試樣測試值修約至小數(shù)點(diǎn)后第二位， 取其平均值。即為待測試樣的固含量S。
固含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算：S = —xlOO%(3-2)
m0式中：S—試樣的固含量，％;m一干燥后試樣的質(zhì)量(W3- Wjg; m〇一干燥前試樣的質(zhì)量(W2- Wi)g。
3.1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 3.1.4.1乙醛對(duì)聚丙烯酰胺的影響表3-3單體中乙醛含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中乙醛濃度-301. 252. 5510mg. m粘度MPas55. 347.249.046. 744.4水不溶物％0. 0760.0640. 1240. 1760. 200從表3-3、圖3-1可以看出，乙醛對(duì)聚合物粘度和水不溶物有影響，隨著乙醛含量 增高，聚合物粘度下降，單體中乙醛含量低時(shí)，其對(duì)不溶物影響接近于一個(gè)不變化的場 數(shù)，達(dá)到1. 25mg. nT3以上時(shí)水不溶物逐漸升高。
3.1.4.2甲醛對(duì)聚丙烯酰胺的影響表3-4單體中甲醛含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中甲醛濃度-3mg. m粘度MPas 水不溶物％00. 1250. 250? 51.252. 5555. 344.451.862.452. 2溶解不好溶解不好0. 0760. 0880. 3920. 3525. 02無法檢測無法檢測圖3-2甲醛濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線由表3-4和圖3-2可以看出：甲醛對(duì)聚合物產(chǎn)品水不溶物影響比乙醛大，單體溶液 中甲醛含量超過〇。 125mg. nT3時(shí)，水不溶物就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0? 2%，甲醛達(dá)到5mg. nT3以上時(shí) 則聚合物溶解極差。而其對(duì)產(chǎn)品粘度影響較小。
3.1.4.3雙氧水對(duì)聚丙烯酰胺的影響表3-5單體中雙氧水含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果單體中雙氧水濃度-3mg. m00. 050. 1250. 251粘度MPas55. 347.949.645.9不聚水不溶物％0. 0760. 0360. 0320. 116圖3-3雙氧水濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線從表3-5、圖3-3可以看出，單體中雙氧水含量在0.125mg.nT3以下時(shí)，對(duì)聚合影 響不大，含量達(dá)到〇。25mg.nr3時(shí)，聚合物粘度下降，水不溶物達(dá)到0.116%，單體中雙 氧水含量再升高，則出現(xiàn)明顯的阻聚作用，很難聚合。
3.1.4.5丙烯酸對(duì)聚丙烯酰胺的影響表3-6單體中丙烯酸含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中丙烯酸濃度-3052050100mg. m粘度MPas55. 359.252.260. 353. 7水不溶物％0. 0760.460. 5430. 4680.09248圖3-4雙氧水濃度對(duì)聚丙烯酰胺廣品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線從表3-6和圖3-4可以看出，單體中丙烯酸對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響較大，單 體中丙烯酸含量達(dá)到5mg.nT3-50mg.nr3時(shí)，聚合物粘度有時(shí)反而上升，但水不溶物增加 至0.4%以上，推測微量的丙烯酸參與聚合但不是接在主鏈上而是接在支鏈上，增中1 粘度，但造成水不溶物迅速升高。
表3-7單體中對(duì)苯二酷含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中對(duì)苯二酚濃度-300.0250. 050. 10. 2mg. m粘度MPas55. 353. 145. 751.445.9水不溶物％0.0760. 1320. 080. 1040. 138圖3-5雙氧水濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線從表3-7、圖3-5可以看出，對(duì)苯二酚對(duì)聚合物產(chǎn)品質(zhì)量有影響但較溫和，引起水 溶物略有升高，粘度略有下降。
3.1.4.7乙腈對(duì)聚丙燦釀月安的影響表3-8單體中乙腈含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中乙腈濃度-30525100mg. m粘度MPas55. 344.449. 249. 6水不溶物％0. 0760.0560. 1160.228ooooooo6 5 4 3 2 1(SEd￡)??
52乙腈濃度（PPm)
圖3-6乙腈濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線從表3-8和圖3-6可看出，乙腈對(duì)聚合物產(chǎn)品粘度和水不溶物有影響，單體中乙腈 含量達(dá)到25mg.nT3時(shí)，聚合物粘度下降，水不溶物上升，達(dá)到lOOmg.nT3時(shí)，水溶物超 過 0. 2%。
483.1.4.8氨基酸等蛋白對(duì)聚丙烯釀胺的影響表3-9單體中蛋白含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中蛋白濃度-30510204080mg. m粘度MPas52. I49.851. 250. 652. 352. 7水不溶物％0. 0460. 0530. 1240.2430. 3650. 43圖3-7蛋白類濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線從以上表3-9和圖3-7可以看出，對(duì)聚合物產(chǎn)品粘度影響不大，隨蛋白濃度上升/ 期，粘度微有上升，應(yīng)該是該類雜質(zhì)參與聚合反應(yīng)，在聚丙烯酰胺鏈上產(chǎn)生側(cè)鏈所至(sedE)?逛蛋白類雜質(zhì)對(duì)水不溶物有影響，單體中蛋白類雜質(zhì)含量超過lOmg.nT3時(shí)，水不溶物迅速 上升，達(dá)到20mg.nr3時(shí)，水溶物超過0. 2%。
3.1.4.9糖對(duì)聚丙烯酰胺的影響表3-10單體中糖含量對(duì)聚合物粘度和水不溶物影響結(jié)果表單體中糖濃度-3051020mg. m粘度MPas51.450. 951. 051. 3水不溶物％0. 0640. 0430. 0570.046圖3-8糖濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物的對(duì)應(yīng)曲線從以上表3-10和圖3-8可以看出，糖濃度對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品粘度和水不溶物基本 無影響。
3.2生化法生產(chǎn)丙烯酰胺單體生產(chǎn)中雜質(zhì)控制及其精制3.2.1引言生化法生產(chǎn)丙烯酰胺，是利用含有腈水合酶的菌體作為催化劑，實(shí)現(xiàn)丙烯腈水合生 成丙烯酰胺，該工藝的反應(yīng)條件溫和（常溫、常壓），且丙烯腈轉(zhuǎn)化率較高（彡99. 9%)， 無須采用丙烯腈回收工段和銅分離工段，減低了能耗，提高了生產(chǎn)過程的安全性，產(chǎn)品 具有不含銅、鉻等高價(jià)離子，產(chǎn)品純度高、活性高的特點(diǎn)。但仍然含有雜質(zhì)，進(jìn)而對(duì)聚 丙烯酰胺質(zhì)量產(chǎn)生影響[16]，其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有其相應(yīng)特點(diǎn)。
生化法制備丙烯酰胺的關(guān)鍵是制備腈水合酶，酶的活性高低將直接決定裝置的生產(chǎn) 能效，為充分發(fā)揮菌種內(nèi)酶的利用率，我們采用游離細(xì)胞法進(jìn)行水合，以保證傳質(zhì)效率 腈水合酶的培養(yǎng)過程為：菌種一斜面培養(yǎng)一種子罐一發(fā)酵罐，在發(fā)酵罐獲得菌群擴(kuò)大/ 的富含腈水合酶的帶菌液體。目前已知能夠產(chǎn)生腈水合酶的微生物有：諾卡氏菌 (Nocardia)、假諾卡氏菌（Pseudonocardia)、假單胞菌（Pseudomonas)、節(jié)桿菌 (Arthrobacter)、芽孢桿菌（Bacillus)、紅球菌（Rhodococcus)等，他們都可用來 催化丙烯腈生成丙烯酰胺[17]，我們所使用的菌種為諾卡氏菌。
含腈水合酶的菌種[18’19](我們所用的菌種為諾卡氏菌）在合適的營養(yǎng)條件（按比 例的酵母膏、尿素、磷酸鹽等配制）及28°C溫度條件下，通入已除菌的凈化空氣，經(jīng) 培養(yǎng)、發(fā)酵生產(chǎn)出含腈水合酶的菌體制成粒狀生物催化劑。丙烯腈與水在生物催化劑的 作用下，進(jìn)行水合反應(yīng)，得到粗丙烯酰胺水溶液，采用離心的方法將其中作為催化劑載 體的菌體部分分離，再利用高分子膜將大分子蛋白和剩余菌體去除；經(jīng)汽提分離除去原 料丙烯腈中所帶進(jìn)的輕組份雜質(zhì)和微量未反應(yīng)的丙烯腈（<200mg/l),再經(jīng)過丙烯酰胺 精制工序進(jìn)行雜質(zhì)離子脫除，得到滿足聚丙烯酰胺生產(chǎn)所需的丙烯酰胺水溶液，進(jìn)儲(chǔ)罐 儲(chǔ)存?zhèn)渚酆涎b置使用。
生化法丙烯酰胺生產(chǎn)過程中采用游離細(xì)菌作為腈水合酶載體進(jìn)行水合催化反應(yīng)。在 細(xì)菌體加入反應(yīng)器時(shí)，不可避免地帶入部分細(xì)菌體培養(yǎng)過程中所必要的培養(yǎng)基雜質(zhì)；在 水合反應(yīng)過程中，菌體受到熱、某些化學(xué)物質(zhì)、雜菌、機(jī)械力等破壞時(shí)，產(chǎn)生部分對(duì)聚 合有害的離子，如大分子蛋白、有機(jī)酸等，同時(shí)，伴隨水合反應(yīng)的副反應(yīng)產(chǎn)生丙烯酸等 部分雜質(zhì)；這些雜質(zhì)在聚合反應(yīng)中參與反應(yīng)，將嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量[2°'21]。因此， 需要在精制過程中予以脫除。在以下的實(shí)驗(yàn)中，我們首先對(duì)生化法丙烯酰胺的雜質(zhì)進(jìn)行 分析，確定其對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品的影響程度，然后，采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行去除，并進(jìn)一步 應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。
3.2.2生化法水合反應(yīng)中腈水合酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[22_24]生物催化反應(yīng)（酶促反應(yīng)）是使底物在酶（游離酶或固定化酶）的作用下進(jìn)行反應(yīng)， 有些時(shí)候，不把酶從細(xì)胞中提取出來，而直接使細(xì)胞（游離細(xì)胞或固定化細(xì)胞）與底詐 接觸進(jìn)行反應(yīng)[25_26]。
丙烯腈水合生產(chǎn)丙烯酰胺的酶促反應(yīng)屬于雙底物反應(yīng)，因其中的一種底物為水，它 的濃度可以看作不變，而且，其比丙烯腈濃度高出很多，因此，在我們進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 分析時(shí)可按單底物酶促反應(yīng)考慮。
在丙烯腈水合反應(yīng)中，丙烯腈首先與酶復(fù)合，生成丙烯腈與酶的復(fù)合物并進(jìn)行酶促 反應(yīng)，反應(yīng)后的復(fù)合物分解，形成產(chǎn)物并重新釋放出酶： k+i k2E+S^——? ES —? P+E(3-3)
k-i式中E、S、ES和P分別代表酶、丙烯腈、酶與丙烯腈的復(fù)合物及產(chǎn)物，它們的濃 度分別為e、s、c、p。酶與丙烯腈生成復(fù)合物的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，正反應(yīng)與逆反應(yīng)的 速度常數(shù)分別為k+1和k-1;復(fù)合物分解為丙烯酰胺和酶的反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，速度常 數(shù)為k2。假定丙烯腈濃度比酶濃度大得多，由復(fù)合物分解產(chǎn)生的酶即與丙烯腈再結(jié)合， 從而使復(fù)合物濃度保持不變[27]這種假設(shè)成為擬穩(wěn)態(tài)（quasi-steady state)法。根據(jù)前式可以寫出以下物料平 衡關(guān)系：dc/dt=k+1e s—k-ic — k2c=0(3-4)
產(chǎn)物的生成速率為：V=dp/dt=k2c(3-5)
假如酶的總濃度即反應(yīng)開始時(shí)的酶濃度為e，則(3-7)
(3-6)
e〇=e+c由式2、3、4可以求出復(fù)合物濃度，因而k2e〇sYmsv= =s+(k-i+k2)/k+1s+KmVm=k2e〇，最大反應(yīng)速度，kmol/(m3 ? s);KmKk-rl" k2)/k+1，米氏常數(shù)，kmol/m3。
當(dāng)酶的初始濃度一定時(shí)，不同丙烯腈濃度下反應(yīng)速度見圖3-10。
當(dāng)丙烯腈濃度比Km小得多時(shí)。酶促反應(yīng)可看作一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速度與底物濃度成 正比；當(dāng)丙烯腈濃度比Km大得多時(shí)，酶促反應(yīng)可看作零級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率趨于定值。 米氏常數(shù)Km相當(dāng)于酶促反應(yīng)速度恰為最大反應(yīng)速度的一半時(shí)的底物濃度，Km越小，表 明酶與底物的親和力越大，而Km越大，則表明這種親和力越小。
在推導(dǎo)米氏方程式（4. 5)時(shí)，我們假定底物濃度比酶濃度高得多，如果底物濃度 與酶濃度接近，則米氏方程會(huì)發(fā)生很大偏差。當(dāng)e〇/sQ較大時(shí)，按擬穩(wěn)態(tài)法得到的結(jié)果 會(huì)有很大誤差[28]。
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