生物法制备丙烯酰胺的工艺及应用研究

生物法制备丙烯酰胺的工艺及应用研究

摘要：本文叙述了生物法制备丙烯酰胺的工艺过程，具有高活性、高选择性、高转化效率等优点，介绍了微生物丙烯酰胺的发展历程、微生物丙烯酰胺及腈水合酶的最新进展，并对生物基丙烯酰胺的生产工艺进行了详细的研究和分析，实现了丙烯酰胺的工业化生产。

关键词：生物法；丙烯酰胺；腈水合酶

介绍

丙烯酰胺是一种用途广泛的有机化工原料，在工业界中，丙烯酰胺作为其衍生产品的共聚物或均聚物，是目前产量最大、应用最广的一种。丙烯酰胺可用来生成增稠剂，在石油开采、地质、冶金、建筑工程等一些经济相关方面都有很好的应用。

20世纪90年代初，生物转化技术被发明，由于可以在常温常压下进行反应，具有很强的优势，方法简单、安全，不仅在工艺方面转化效率高，而且成本相对较低，还对环境友好，不污染环境，在我国已被广泛接受和使用。自2000年以来，利用微生物技术生产丙烯酰胺一直稳步增长。因此，生物技术取代化学合成是丙烯酰胺行业未来的发展趋势。

1.生产特点

生物酶技术制备聚丙烯酰胺

它的优点很多，不需要高温高压设备，只需要保持恒温恒压，普通设备即可，使用方便，节省时间和人力，大大提高产品安全性。此工艺转化效率高，不需要回收分离未处理的丙烯腈。酶的特性使得选择性很高，没有其它影响。该工艺反应性好，不含任何副产物或残留物，可实现“三次采油”中聚丙烯酰胺的高效转化。

满足了对丙烯酰胺的需求；通过简单的离子交换来安排工作，可以简化精细的工作；而且最终产品的纯度很高，不需要重复提取。微生物法生产丙烯酰胺是目前生物技术在化工产品中应用最成功的例子，具有明显的间接效益和环境效益。特别是在环保观念的不断完善和回收利用方面，国内聚丙烯酰胺

随着污水处理领域市场份额的不断扩大，丙烯酰胺的需求量也将随之增加，目前国内外对微生物法生产丙烯酰胺的兴趣集中在新化工技术的开发和生产工艺的改进上，特别是模型反应器的改进。

2. 生产技术

微生物生产丙烯酰胺的关键技术之一是利用微生物酶进行生产，最常见的是腈水合酶，它是一种生物催化酶，催化酶的活性与丙烯酰胺的产量有直接关系，例如假单胞菌和红球菌都可用于工业化微生物生产丙烯酰胺。腈水合酶是不同的微生物，其氨基酸序列也不同。不同的腈水合酶也有相同之处，即酶活性和辅助成分都是金属离子，例如钴型腈水合酶、铁型腈水合酶等。它们的腈水合酶具有一定的耐热性，在高温下能维持较长时间的活性，保证了菌株的活性，优化了生产丙烯酰胺的微生物菌株的活性。

生产丙烯酰胺时需要从蛋白质和遗传两个方面进行研究，其中大分子量的腈水合酶、小分子量的腈水合酶、酰胺酶和R型羧酸酶等，如土壤中已证实的AJ270微生物，这类细菌能产生高活性的全细胞催化剂，催化剂中含有活性高、活性高的腈水合酶，这类菌株的底物谱广。

微生物法制备丙烯酰胺时对其酶活性存在一定的敏感性，分析认为腈水合酶对丙烯酰胺的水合反应有一定的促进作用，但底物和产物都对其反应速率有明显的抑制作用。因此，生物法制备丙烯酰胺时，需要重点关注酶的作用，特别是对腈水合酶耐受性的影响。目前，有多种不同菌株的菌种，如USJ1、.N774等，当丙烯酰胺含量达到270-320g/L时，其耐受性受到抑制。为了提高工艺效率，特别是在恶劣环境下，通过菌种生长和酶催化，筛选出耐受性好的腈水合酶，通过工艺组合工艺引入到丙烯酰胺制备工艺中，增强了催化反应的耐受性，增强了菌种的生长催化性能。

3. 膜过滤工艺在丙烯酰胺处理中的应用

本人选取一株含腈水合酶的诱变株，采用微生物连续催化法制备出含腈水合酶的诱变株。在28℃的温度下，加入酵母膏、磷酸盐、尿素等适宜的营养液，经无菌气培发酵后，产生了新的催化剂。本人利用此生物催化剂，使丙烯腈在水中水合，得到丙烯酰胺水溶液，再经超滤膜超滤；筛分于超滤液容器中，加入循环池中。打开水泵进液阀，打开排气阀循环，当阀门压力为2.5MPa时，依次打开前纳滤膜、膜后循环阀、取样阀。然后，打开膜滤液阀，关闭取样阀。控制变频调速水泵输出电压，使输出电压保持在2.5MPa左右。

微生物膜法的主要特点是采用离心或微滤膜将菌体从发酵液中分离出来，大大提高了菌种的利用率和产量；采用超滤膜、纳滤膜将丙烯酰胺水化液中分离出来，降低了水化液中的杂质，提高了产品的纯度。

4.微生物生产丙烯酰胺的应用及发展前景

1.微生物生产丙烯酰胺的发展方向

20世纪90年代初，微生物法生产丙烯酰胺酶的固定化技术是将溶解的酶分子用物理或化学的方法结合到不溶于水的固相载体上。其特性应与溶液中的酶相同，即在温和条件下（常温常压）对底物有很强的特异性和极强的催化活性，且易受抑制剂的影响而失去活性。在实际生产中，固定化酶不仅可以分离、再生和重复使用，而且很容易分离和纯化。特别是利用固定化酶技术可以实现高灵敏、高特异性的酶电极的开发和应用。但该技术在酶活性方面的作用仍需进一步研究，如提高酶活性、促进酶代谢、对底物的耐受性、最佳培养条件等。

我公司从2000年开始开发了“分离耦合等新工艺”，将裸酶直接应用于水合反应，让丙烯腈在水中与酶催化剂充分接触，大大提高了酶的利用率，缩短了反应时间，提高了生产效率，同时也提高了产品质量。

近期我公司与江南大学生物工程学院合作，从酶工程角度对腈水合酶的氨基酸序列进行研究，去除酰胺水解酶，防止副产物羧酸的生成，直接生产出500g/L丙烯酰胺水溶液，使前期生产转化效率和丙烯酰胺纯度实现质的飞跃，并降低后期浓缩生产的能耗。

（二）丙烯酰胺国内外发展前景

20世纪50年代发展起来的法硫酸生产工艺推动了我国工业的发展，此后，我国丙烯酰胺生产经历了两次大的变革，即70年代中期至80年代采用的铜催化法和微生物生产工艺。由于微生物工艺中各元素含量低，反应速度快，因此需要制备相对高分子量的聚丙烯酰胺。

在丙烯酰胺领域有着良好的应用前景，因此受到世界各国及学术界的重视，现阶段丙烯酰胺的市场需求量越来越大，利用微生物技术生产丙烯酰胺是各国关注的问题，各国都在进行类似的探索。

俄罗斯已建成基于高稳定性、高反应性的丙烯酰胺开发利用的丙烯酰胺生产工厂，年生产能力超过2.4万吨。当前市场对丙烯酰胺的需求量越来越大，而利用微生物技术开发丙烯酰胺也是全球最热门的课题，各国都在进行类似的研发。

上海生化技术中心将发酵后的微生物发酵酶活力提高到2857μmol/min，与日本20世纪90年代的工业化水平相当。

进入21世纪，一些企业应用相关技术，开发了一套配套装置并投入使用，2002年又引进设备并进行了扩建改造，使2003年产量达到32万吨，胜利油田成为国内最大的利用微生物技术生产丙烯酰胺的企业，产生了巨大的社会效益和经济效益。

总结

生物技术是我国第三代丙烯酰胺生产技术，在我国经过多年的发展和完善，在规模和技术上处于国际领先地位，特别是采用生物技术后，随着我国国民经济的不断发展，其产品功能和应用范围也在逐步扩大。同时，在一些新的应用上，我和我的团队又发现了更多的新用途，丙烯酰胺的需求量也在不断增大，各个行业的潜在需求量也会越来越大。由于生物技术的优越性，必然会取代传统的化学方法。因此，我国要抓住发展的机遇，将技术输出到国外。为此，要不断改进、升级工艺，降低生产成本，提高生产能力，不断推动AM等相关产业的发展。

参考

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作者简介：陆璜生，男，1973年9月2日出生，江苏省南通市人，石油化工微生物丙烯酰胺专业