[发明专利]利用管壳式反应器的微生物催化生产丙烯酰胺的工艺和装置

说明书

技术领域

本发明涉及生物工艺领域，尤其是微生物转化技术领域，具体涉及一种微生物催化生产丙烯酰胺的新工艺和将新型管壳式生物反应器应用于微生物催化生产丙烯酰胺。

背景技术

丙烯酰胺被称之为化工行业的“百味助剂”，用途十分广泛。是聚丙烯酰胺生产的主要关键原料。聚丙烯酰胺作为一种功能性材料有着广泛应用领域，其最主要的应用领域为污水处理和采油。目前我国聚丙烯酰胺产量已达40余万吨，需要使用丙烯酰胺33余万吨。采用生物催化法生产丙烯酰胺由于所制得的产品纯度高、原料丙烯腈耗用量少等优点，已占据丙烯酰胺产能的43%以上，并且有上升趋势。

中国专利ZL03115536.7公开了一种用微生物催化剂生产丙烯酰胺的方法，用微生物催化，在釜式反应器内搅拌进行催化反应，是间歇式的生产方法。

迄今为止，生物催化法生产丙烯酰胺过程中一直使用带搅拌浆的釜式反应器，这种反应器存在设备单位时间的生产效率较低。工业单元设备的大型化有困难。目前万吨规模的工业生产装置上，只能采用多台设备的并列配置，使得设备投资、设备搅拌能耗、占地面积都比较大。

现有技术中，对于釜式反应器系统的改良工作已有一些报道，如：

1）2003年，上海市农药研究所在山东胜利油田原千吨级规模的微生物催化生产丙烯酰胺的工业装置上，利用釜式反应器与膜分离器耦合，实现了72小时的丙烯腈的连续生物转化；

2）丙烯酰胺微生物转化过程的反应器形式的研究进展；著者：孙旭东陈跖等；出处：化工进展2002，21（5）：319-322文章回顾了近年来在丙烯酸胺微生物转化过程中反应器形式的研究进展，并对研究的发展方向提出了一些设想和展望。

3）三级连续化中空纤维膜生物反应工艺在丙烯酰胺微生物转化中的应用；著者：孙旭东史悦等出处：化工学报2004，55（1）：81-86；文章报道了一种利用釜式反应器与膜分离器耦合，生物转化生产丙烯酰胺的技术，但未见工业化装置的实施。

由于腈水合反应生物催化剂为特定细胞内含有的腈水合酶，所以生物催化剂具有蛋白质特有的性质：对温度、pH、反应介质等具有很强的敏感性。搅拌浆对生物催化剂存在剪切力破碎细胞的风险。

无论是化学催化剂还是生物催化剂，丙烯腈生成丙烯酰胺的化学反应动力学是不变的，均为放热反应，其反应热为-71KJ/mol。在化学法生产工艺中，反应放出的热量用于维系化学反应所需要的高温反应温度；而在生物催化生产工艺中，反应放热导致反应系统温度上升，生物催化剂失活，因此需要移走反应热。传热问题直接关系到生物催化剂的催化活性和使用寿命。

由于上述生物催化剂的特性，使目前国内工业上应用的生物催化法生产丙烯酰胺的釜式生物反应器存在以下主要问题：

1、设备单位时间的生产效率较低：催化反应所放出的热量必须依靠增加设备内部的传热装置，以满足反应过程中移走热量所必须的传热面积。设备内传热装置的增加，一方面降低了设备的有效容积，同时也使反应体系维持传质均匀难度增加，导致反应底物添加速度受限，生产效率降低、产物累积浓度难以提高、生物催化剂容易失活。设备投资与装置的产能难以匹配的问题很凸出。

2、釜式反应器的固有的传热形式，使得反应釜内的温差较大，局部温度过高使生物催化副反应产物增加，产品纯度降低；局部温度过低使反应速度降低，能源浪费。生物催化法的产品纯度优势和生产成本优势因此受到挑战。

3、工业单元设备的大型化有困难。目前万吨规模的工业生产装置上最大使用的转化反应釜为30M³，前述缺陷非常突出，一些企业只能采用多台设备的并列配置，使得设备投资、设备搅拌能耗、占地面积都比较大。

4、由于细胞容易受损破裂，较难完成生物催化剂的循环套用，成本降不下，废弃细胞增加环保治理费用。同时，带来产品质量问题。

在要求节能减排的背景下，上述问题引起了我们高度关注，国内尚未见对该问题系统的研究成果，国外这方面的报道也较为少见。

发明内容

本发明旨在提供一种微生物催化生产丙烯酰胺的新工艺。

本发明还提供了实现上述工艺的反应器设备。

本发明的技术方案为，微生物催化生产丙烯酰胺的工艺，以丙烯腈为底物，以微生物为催化剂进行连续反应；步骤包括：采用管壳式生物反应器，丙烯腈与微生物催化剂及去离子水混合为反应液，进入管壳式生物反应器的壳程；冷冻介质进入管壳式生物反应器的管程；壳程内的反应液温度控制在17～25℃（优选为17～22℃）。反应液在管壳式生物反应器的壳程内停留时间为1hr。