Brevet FR2770840A1 — publié le 19990514

La présente invention concerne un procédé de production d'un amide à partir d'un nitrile au moyen de la nitrile hydratase qui est une enzyme provenant d'un micro-organisme. Les amides sont des substances importantes du point de vue industriel qui sont utilisées dans différents domaines. Par exemple, I'acrylamide a été utilisé comme agent floculant pour le traitement des eaux usées, comme agent de renforcement de la résistance mécanique du papier, comme agent de récupération du pétrole, notamment, et le méthacrylamide a été utilisé dans les peintures et les adhésifs, notamment. Les amides sont produits conventionnellement dans l'industrie par hydratation des nitriles correspondants au moyen d'un catalyseur constitué par du cuivre réduit. Récemment, toutefois, on a développé un procédé utilisant non pas un catalyseur à base de cuivre, mais constitué par une enzyme provenant d'un micro-organisme, et ce procédé est maintenant mis en oeuvre. Dans les procédés enzymatiques, les conditions réactionnelles sont douces et il ne se forme sensiblement aucun sous-produit, ce qui rend ce type de procédé extrêmement simple à mettre en oeuvre. De ce fait, les procédés enzymatiques sont considérés comme des procédés efficaces à l'échelle industrielle. Jusqu'à maintenant, on a constaté que de nombreux micro-organismes sont capables d'hydrater un nitrile pour former un amide, et on peut citer comme microorganismes de ce type ceux du genre Bacillus, du genre Bacteridium, du genre Micrococcus et du genre Brevibacterium (JP-B-62-2 1519, correspondant au brevet U.S. 4 001 081) (le terme "JP-B" utilisé ici désigne une demande de brevet japonais publiée après examen), du genre Corynebacterium et du genre Nocardia (JP-B-56-17918, correspondant au brevet U.S. 4 248 968), du genre Pseudomonas (JP-B-59-37951, correspondant au brevet U.S. 4 637 982), du genre Rhodococcus et du genrre Microbacterium (JP-B4-4873, correspondant au brevet U.S. 5 179 014), de l'espèce Rhodococcus rhodochrous (JP-B-6-55148, correspondant au brevet U.S. 5 334 519), et d'une souche du genre Rhodococcus (JP-B-740948, correspondant au brevet U.S. 5 200 331). Pour améliorer l'activité enzymatique et pour supprimer la baisse d'activité enzymatique (désactivation) au cours d'une réaction, on a étudié conventionnellement plusieurs procédés qui sont les suivants : un procédé dans lequel la réaction est conduite à une basse température comprise entre le point de congélation et 15"C (JP-B-56-381 18, correspondant au brevet U.S. 4 248 968), un procédé dans lequel un substrat à basse concentration est introduit en continu par plusieurs ouvertures d'introduction (JP-B-57-1234, correspondant au brevet U.S. 4248 968), un procédé dans lequel un micro-organisme ou un produit issu de son traitement est traité avec un solvant organique (JP-A-5-308980) (le terme "JP-A" utilisé ici désigne une demande de brevet japonais publiée avant examen), un procédé dans lequel la réaction est conduite en présence d'un acide gras insaturé supérieur (JP-A-7-265090) et un procédé dans lequel des cellules de microorganisme sont traitées par réticulation, par exemple avec l'aldéhyde glutarique (JP-A-7-265091 et JP-A-8-154691). Dans ces circonstances, la présente demanderesse a réalisé différentes recherches concernant le moyen d'améliorer la production d'un amide par un procédé enzymatique et elle a constaté qu'il se produisait au cours du déroulement d'une telle réaction une désactivation qu'il n'était pas possible de vaincre par un procédé conventionnel. Naturellement, plus cette désactivation est accentuée, plus la quantité d'enzyme nécessaire pour la réaction est élevée, de sorte que la résolution de ce problème est extrêmement importante, en particulier dans la production industrielle. En tentant de résoudre ce problème, la demanderesse a constaté que des traces d'acide cyanhydrique présentes dans une composition contenant un nitrile accéléraient la désactivation de l'enzyme nitrile hydratase et qu'en utilisant une telle composition comprenant une quantité réduite d'acide cyanhydrique, il était possible d'abaisser la désactivation de l'enzyme et de produire efficacement un amide à partir du nitrile, c'est-à-dire qu'il était possible de produire une plus grande quantité d'amide en utilisant une moindre quantité d'enzyme, ce qui a conduit à la présente invention. Ainsi, selon la présente invention, on propose un procédé de production d'un amide, à partir d'un nitrile, dans lequel l'amide correspondant est produit par action de la nitrile hydratase, qui est caractérisé en ce que la concentration d'acide cyanbydride dans une composition contenant le nitrile est réduite par un processus chimique, après quoi la nitrile hydratase agit sur le nitrile. Un nitrile, par exemple l'acrylonitrile, est produit industriellement par ammoxydation du propylène. L'acide cyanhydrique est éliminé en même temps que d'autres sous-produits par purification par distillation après l'achèvement de la réaction. Toutefois, I'acide cyanhydrique qui ne peut pas être éliminé totalement par ce processus est présent généralement en une quantité de 0,5 à 5 ppm dans un produit du commerce. On considère que l'acide cyanhydride formé par la décomposition subséquente de la cyanhydrine restant dans le produit est présent aussi dans le produit du commerce. Jusqu'à présent, I'influence de ces quantités d'acide cyanhydrique à l'état de traces sur la désactivation de la nitrile hydratase n'avait pas été reconnue. Le nitrile utilisé dans la présente invention (par exemple l'acrylonitrile) n'est pas limité d'une manière particulière à condition qu'il soit converti en un amide correspondant par l'action de la nitrile hydratase et qu'il forme le constituant principal d'une composition qui comprend aussi de l'acide cyanhydrique en une concentration qui entraîne une désactivation de l'enzyme. La quantité de nitrile dans la composition est d'environ 90 % ou plus. Les nitriles de ce type sont par exemple des nitriles aliphatiques saturés comme l'acétonitrile, le propionitrile, le succinonitrile et l'adiponitrile, des nitriles aliphatiques insaturés comme l'acrylonitrile et le méthacrylonitrile, des nitriles aromatiques comme le benzonitrile, le phtalodinitrile et des nitriles hétérocycliques comme le nicotinonitrile. Il s'agit par exemple de nitriles ayant 2 à 4 atomes de carbone comme l'acétonitrile, le propionitrile, I'acrylonitrile, le méthacrylonitrile, le n-butyronitrile et l'isobutyronitrile. On préfère particulièrement l'acrylonitrile. La réduction de la quantité d'acide cyanhydrique restant dans une composition contenant un nitrile utilisée dans la présente invention peut être accomplie selon un processus chimique au moyen de différents procédés. Toutefois, il est souhaitable que ces procédés n'augmentent pas la quantité de sousproduits ou d'impuretés qui peuvent entraîner une dénaturation du nitrile ou dégrader la qualité de l'amide qui doit être produit. On peut mentionner à ce sujet les procédés suivants : un procédé dans lequel l'acide cyanhydrique dans une composition contenant un nitrile est converti en un complexe métallique, un procédé utilisant une résine échangeuse d'ions et, dans le cas où le nitrile est un nitrile insaturé, un procédé dans lequel l'acide cyanhydrique est ajouté au nitrile dans des conditions alcalines. Le procédé de conversion en un complexe métallique comprend l'addition d'un métal, par exemple le vanadium, le chrome, le manganèse, le plomb, le cuivre, I'argent, le zinc, le cobalt ou le nickel, capable de former un complexe métal-cyanure par réaction avec l'acide cyanhydrique, sous forme d'un sel métallique tel qu'un nitrate, chlorure, sulfate ou carboxylate, à un nitrile, pour convertir l'acide cyanhydrique en un complexe métal-cyanure (voir JP-A-7 228 563). De plus, à la place d'un sel métallique, il est possible d'utiliser un alcoolate métallique (brevet U.S. 5 519 162). De préférence, la quantité de métal ajouté est d'environ 0,00001 à 0,01 %, bien qu'elle varie avec la concentration de l'acide cyanhydrique dans une composition contenant un nitrile. Dans ce cas, si l'enzyme de conversion d'un nitrile en un amide n'est pas affectée par un ion métallique ou un complexe métal-cyanure, il n'est pas nécessaire de retirer le sel métallique. Toutefois, dans le but de retirer une plus grande quantité d'acide cyanhydrique, il est préférable d'éliminer le complexe métalcyanure, par exemple avec un adsorbant (par exemple carbone activé, alumine active, zéolite ou gel de silice) ou au moyen d'une résine échangeuse d'anions. Le procédé qui utilise une résine échangeuse d'ions comprend la mise en contact d'un nitrile avec une résine échangeuse d'anions pour éliminer l'acide cyanhydrique du nitrile. Comme résine échangeuse d'anions, il est préférable d'utiliser une résine très poreuse (microréticulaire) ou une résine de type gel poreux (par exemple Amberlyst A-21 (produite par Japan Organo Co., Ltd.), Diaion WA 20, 21, 30 (produites par exemple par Mitsubishi Chemical Co., etc.), car ce type de résine est capable de réaliser un échange d'ions suffisant dans un nitrile. Le procédé utilisant une résine échangeuse d'ions peut être mis en oeuvre dans un lit fixe, un lit mobile ou un lit fluidisé, et ce peut être en outre un procédé discontinu ou un procédé continu. Parmi ces procédés, on préfère le procédé continu en lit fixe pour des raisons de coût et de mise en oeuvre. Dans ce cas, de préférence, le débit de la solution de nitrile dans la résine échangeuse d'ions ne dépasse pas environ 100 fois le volume de la résine par heure, bien qu'il varie avec la concentration de l'acide cyanhydrique dans une composition contenant un nitrile. Toutefois, dans un tel procédé utilisant une résine échangeuse d'anions, il se produit souvent une dénaturation du nitrile, ce qui exige des recherches supplémentaires concernant par exemple le temps de contact et le procédé de contact. Comme procédé dans lequel l'acide cyanhydrique est ajouté à un nitrile insaturé pour former un dinitrile saturé dans des conditions alcalines, il est possible d'utiliser un procédé dans lequel une solution aqueuse est ajoutée au nitrile (brevet U.S. 2 481 580) et un procédé dans lequel le nitrile est mis en contact avec une résine échangeuse d'anions en tant que catalyseur alcalin (JP-B-4S41290). La solution alcaline aqueuse destinée à être utilisée dans la présente invention n'est pas limitée particulièrement, mais elle doit être choisie parmi celles qui n'ont pas d'effet sur la qualité de l'amide et sur l'activité de l'enzyme. Ce peut être par exemple une solution aqueuse d'un hydroxyde alcalin, d'un hydroxyde alcalino-terreux, d'ammoniac ou d'amines et, parmi celles-ci, on préfère une solution aqueuse d'hydroxyde alcalin, d'hydroxyde alcalino-terreux ou d'ammoniac, et on préfère en particulier une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium. La concentration de la solution alcaline aqueuse destinée à être utilisée dans la présente invention n'est pas limitée particulièrement, mais elle doit être choisie dans un domaine qui n'a pas d'effet sur la qualité de l'amide et l'activité de l'enzyme. On préfère une solution alcaline aqueuse de 0,00001 à 5 N, en particulier de 0,00001 à 0,5 N. La quantité de solution alcaline aqueuse destinée à être utilisée dans la présente invention n'est pas limitée particulièrement, et une quantité d'environ 0,0001 à 10 % en masse est appropriée. Il est souhaitable d'éliminer la plus grande quantité possible d'acide cyanhydrique et, habituellement, on réduit cette quantité de manière que la concentration de l'acide cyanhydrique dans le nitrile soit de 3 ppm ou moins, de préférence de 1 ppm ou moins et de préférence encore de 0,5 ppm ou moins. La nitrile hydratase est une enzyme métallique dont le centre actif est constitué par du fer ou du cobalt, notamment. On suppose que le désactivation de l'enznme est provoquée par la coordination du fer ou du cobalt avec un cyanure. La nitrile hydratase utilisée dans la présente invention peut provenir d'un genre quelconque de micro-organismes tels que ceux qui ont été cités ci-dessus. Parmi ceux-ci, on préfère les micro-organismes appartenant au genre Corynebacterium, au genre Pseudomonas, au genre Rhodococcus, au genre Nocardia, au genre Gordona, en particulier au genre Rhodococcus, qui ont une activité enzymatique élevée. Récemment, des recherches ont été entreprises pour modifier artificiellement l'enzyme nitrile hydratase provenant de ces micro-organismes, et il est possible de produire une nitrile hydratase avec d'autres micro-organismes. U est possible aussi d'utiliser un micro-organisme qui est rendu capable de développer une activité de nitrile hydratase par une technique de génie génétique. Ainsi que cela est décrit dans les documents cités ci-dessus, I'interaction de la nitrile hydratase avec un nitrile est réalisée par mise en contact du nitrile avec des cellules de micro-organismes obtenues par culture ou avec un produit issu de leur traitement, dans un milieu aqueux. Le produit obtenu par traitement des cellules de micro-organismes est constitué par des cellules de microorganismes lysées, un extrait de cellules de micro-organismes ou une enzyme brute ou purifiée extraite de cellules de micro-organismes, et ces cellules de micro organismes et ces enzymes peuvent être combinées avec du polyacrylamide, de l'acide alginique ou de la carragénine, notamment. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs suivants. Sauf indication contraire, dans les exemples et exemples comparatifs suivants, tous les pourcentages sont en masse. Exemple 1 et exemple comparatif 1 (1) Obtention de cellules de micro-organismes On a cultivé dans des conditions aérobies Rhodococcus rhodochrous J-1 (FERM BP-1478) (JP-B-6-55148) qui a une activité de nitrile hydratase dans un milieu de culture (pH 7,0) comprenant 2 % de glucose, 1 % d'urée, 0,5 % de peptone, 0,3 % d'extrait de levure et 0,05 % de chlorure de cobalt. On a lavé le produit cultivé résultant avec du tampon phosphate 50 mM (pH 7,0) pour obtenir une suspension de cellules de micro-organismes (20 % en cellules sèches). A 500 g de cette suspension, on a ajouté 500 g d'une solution d'un mélange de monomères comprenant 20% d'acrylamide, 2% de méthylènebisacrylamide et 2 % de 2diméthylaminopropylméthacrylamide, puis on a mis en suspension le mélange résultant. Ensuite, on lui a ajouté successivement 2 g de persulfate d'ammonium à 5 % et 2 g de tétraméthyléthylènediamine à 50 % pour provoquer une polymérisation et une gélification. On a découpé le gel résultant en fragments de 1 mm3 que l'on a lavés 5 fois avec 1 1 de sulfate de sodium à 0,5 %. On a ainsi obtenu des particules de cellules de micro-organismes immobilisées, c'est-à-dire un catalyseur de production d'acrylamide. (2) Traitement de réduction de la quantité d'acide cyanhydrique A 101 d'acrylonitrile à usage industriel (contenant 5 ppm d'acide cyanhydrique), on a ajouté 100 g d'hydroxyde de sodium 0,1 N et on a agité et dissous suffisamment le mélange résultant pour obtenir une solution que l'on a laissée au repos pendant 30 min (traitement alcalin). Puis, on a ajouté 20 g d'une solution aqueuse d'acide acrylique à une concentration de 1 molli pour la neutralisation. Par ce traitement, on a abaissé à 1,0 ppm la concentration de l'acide cyanhydrique dans la composition d'acrylonitrile. (3) Réaction de formation d'amide Dans un ballon séparable d'un volume interne de 5 L on a introduit 3 200 g d'une solution aqueuse d'acrylate de sodium à une concentration de 0,2 g/l. Puis, on a ajouté 3 g de cellules de micro-organismes immobilisées décrites cidessus et on a agité en maintenant le pH à 7,0 et la température à 10 C. Puis, on a introduit en continu de l'acrylonitrile de manière que la concentration de l'acrylonitrile soit constamment de 2 % et on a conduit la réaction d'accumulation jusqu'à ce que la concentration d'acrylamide atteigne 48 %. A titre de comparaison, on a conduit une réaction d'accumulation dans les mêmes conditions jusqu'à que la concentration de l'acrylamide atteigne 48 % en utilisant un acrylonitrile que l'on n'avait pas soumis au traitement alcalin. On a constaté que, bien que les vitesses de réaction initiales soient les mêmes dans les deux cas, dans le cas où l'on a soumis l'acrylonitrile au traitement alcalin, la désactivation était supprimée et l'acrylamide était produit environ 2 fois plus rapidement que dans le cas de l'acrylonitrile que l'on n'a pas soumis au traitement alcalin. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous. TABLEAU 1 Traitement concentration de HCN Durée de alcalin dans l'acrvlonitrile la réaction Exemple 1 + 1,0 ppm 120 h Exemple comparatif 1 - 5,0 ppm 220 h Exemples 2 et 4 et exemple comparatif 2 A 200 g d'une solution aqueuse d'acrylamide à 50 %, on a ajouté 0,1 g des cellules de micro-organismes immobilisées préparées dans l'exemple 1, puis on a agité à 15"C. Au même acrylonitrile à usage industriel que celui de l'exemple 1, on a ajouté l'un des sels métalliques indiqués dans le tableau 2 suivant pour éliminer l'acide cyanhydrique de manière que la concentration du métal soit de 10 ppm, puis on a retiré avec de l'alumine active le complexe métal-cyanure formé. On a ajouté chaque acrylonitrile résultant à la solution d'acrylamide obtenue ci-dessus en une quantité de 4 g. On a déterminé la concentration de l'acrylonitrile 60 h après le début de la réaction. A titre de comparaison, on a appliqué le même traitement à un acrylonitrile auquel on n'a pas ajouté de sel métallique. On a constaté que les vitesses de réaction initiales étaient les mêmes mais, dans l'acrylonitrile auquel on n avait pas ajouté de sel métallique, on a observé une diminution de la vitesse de réduction de la quantité d'acrylonitrile, du fait de la désactivation de l'enzyme. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous. TABLEAU 2 Concentration Concentration de de HCN dans l'acrylonitrile Sel métallique l'acrvlonitrile (au bout de 60 h! (ppm) (%) Exemple 2 chlorure de zinc 1,0 0,03 Exemple 3 chlorure de nickel 0,7 0,02 Exemple 4 acétate de cobalt 1,9 0,2 Exemple comparatif 2 3,1 0,7 Exemples 5 et 7 et exemple comparatif 3 (1) Traitement de réduction de la quantité d'acide cyanhydrique On a placé le même acrylonitrile à usage industriel que celui de l'exemple 1 dans trois récipients en matière plastique en une quantité de 51 dans chaque cas. Puis, on a ajouté dans chaque récipient 50 ml d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium 0,1 N et on a mélangé suffisamment. Deux minutes après l'addition de la solution d'hydroxyde de sodium, on a ajouté dans le premier récipient 5 ml d'une solution aqueuse d'acide acrylique à 1 moVI, 10 min après l'addition, on a ajouté dans le second récipient 5 ml de la même solution et, 20 min après l'addition, on a ajouté 5 ml de la même solution dans le troisième récipient pour réaliser une neutralisation dans les trois récipients. (2) Réaction de formation d'amide On a introduit en continu l'acrylonitrile décrit ci-dessus et de l'eau distillée dans un ballon séparable de 1 I contenant 10 g des cellules de microorganismes immobilisées préparées dans l'exemple 1, tout en maintenant le pH à 8 et la température à 20"C. On a introduit l'acrylonitrile décrit ci-dessus et l'eau distillée pour maintenir à 50 % la concentration d'acrylamide et à 2 % la concentration d'acrylonitrile. On a calculé la vitesse de réaction d'après la vitesse de consommation d'acrylonitrile et la vitesse de désactivation d'auprès la variation de la vitesse de réaction. Sur la base des valeurs obtenues, on a calculé le rendement d'acrylamide. A titre de comparaison, on a appliqué le même processus à de l'acrylonitrile que l'on n'avait pas soumis à un traitement alcalin. On a constaté que plus la concentration d'acide cyanhydrique dans l'acrylonitrile est faible, plus la vitesse de désactivation est basse. Le rendement d'acrylamide par gramme de cellules de micro-organismes était deux fois plus élevé dans le cas de l'acrylonitrile traité que dans le cas de l'acrylonitrile non traité. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 3 ci-dessous. TABLEAU 3 Concentration Rendement Traitement de HCN dans d'acrylamide par g de alcalin l'acrvlonitrile cellules microbiennes (min) (ppm) (g/g) Exemple 5 2 3 1200 Exemple6 10 1 1800 Exemple 7 20 0,5 2000 Exemple comparatif 3 - 5 1000 Ainsi, selon la présente invention, il est possible de supprimer efficacement la diminution de l'activité de l'enzyme nitrile hydratase et de produire efficacement un amide à partir d'un nitrile. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un amide à partir d'un nitrile par l'action de la nitrile hydratase, caractérisé en ce qu'il comprend la réduction de la concentration de l'acide cyanhydrique dans une composition contenant un nitrile par un processus chimique, puis l'action de la nitrile hydratase sur ledit nitrile. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration de l'acide cyanhydrique dans la composition contenant le nitrile est réduite à 3 ppm ou moins. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la concentration de l'acide cyanhydrique est réduite à 1 ppm ou moins. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la concentration de l'acide cyanhydrique est réduite à 0,5 ppm ou moins. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nitrile est l'acrylonitrile. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le processus chimique est un processus de conversion de l'acide cyanhydrique et d'un nitrile insaturé en le dinitrile saturé correspondant dans des conditions alcalines. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le nitrile insaturé est l'acrylonitrile.