(57)【要約】【課題】工業的に非常に重要なアミド化合物の効率的な製造方法を提供する。【解決手段】ニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を製造する方法において、連続反応を開始する前に、反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う工程を有することを特徴とするアミド化合物の製造方法【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を連続的に製造する方法において、連続反応を開始する前に、反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う工程を有することを特徴とするアミド化合物の製造方法。
【請求項２】
アミド化合物がアクリルアミドまたはメタクリルアミドである請求項１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、菌体および／またはその菌体処理物を触媒として用い、ニトリル化合物を水和してアミド化合物を得るアミド化合物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アミド化合物の主要な製造方法の一つとして、ニトリル化合物を原料とする水和法は多くの場合に用いられており、アクリルアミド等のアミド化合物の工業的製法としては、例えば、ラネー銅等の金属銅を触媒として用い、アクリロニトリル等のニトリル化合物を水和する方法、あるいは近年ではニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物等を触媒として用い、ニトリル化合物を水和する方法が知られている。
【０００３】
菌体および／またはその菌体処理物を触媒として用いる方法は、アクリロニトリル等のニトリル化合物の転化率および選択率が高いことから工業的に注目を浴びている。
【０００４】
菌体および／またはその菌体処理物を触媒として工業的にアクリルアミドを製造する方法として、菌体および／またはその菌体処理物、反応原料等の連続的または間欠的な供給と、反応液（菌体および／またはその菌体処理物、未反応原料および生成したアミド化合物等を含む）の連続的または間欠的な取り出しを行いながら、反応槽内の反応液を全量取り出すことなく連続的に反応を行う、いわゆる連続反応が広く実施されている。
【０００５】
連続反応としては、例えば特許文献１では、連続反応を開始する前に予め水を反応器に導入することが記載されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法においては、生成したアクリルアミドが予め反応器に導入された水により希釈されるため、連続反応を開始してしばらくの間は取り出されるアクリルアミド水溶液の濃度は目的とする濃度よりも低くなる。
【０００７】
このように、従来のアミド化合物の連続反応による製造方法においては、反応を開始してから取り出される反応液のアミド化合物の濃度が目的とする濃度に到達するまでに時間を要する問題があり、効率的なアミド化合物の製造方法としては不十分であり、未だ検討の余地が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開２００７／１３２６０１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
菌体および／またはその菌体処理物を用いたニトリル化合物の水和反応においては、より効率的にアミド化合物を製造することが求められている。
【００１０】
本発明の課題は、アミド化合物を効率的に製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、下記工程を有するアミド化合物の製造方法により上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は以下の通りである。
【００１２】
〔１〕  ニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を連続的に製造する方法において、連続反応を開始する前に、反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う工程を有することを特徴とするアミド化合物の製造方法。
【００１３】
〔２〕  アミド化合物がアクリルアミドまたはメタクリルアミドである前記〔１〕に記載の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明においては、菌体および／またはその菌体処理物を用いたニトリル化合物の水和反応において効率的にアミド化合物を製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のアミド化合物の製造方法について説明する。
【００１６】
〔アミド化合物の製造方法〕
本発明のアミド化合物の製造方法は、ニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物を用いてアミド化合物を連続的に製造する方法において、連続反応を開始する前に、反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う工程を有する。
【００１７】
＜ニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物＞
本発明では、ニトリルヒドラターゼを含有する菌体および／またはその菌体処理物（以下、これらを単に「菌体触媒」ともいう。）をニトリル化合物のアミド化合物への水和触媒として用いる。
【００１８】
ニトリルヒドラターゼとは、ニトリル化合物を加水分解して対応するアミド化合物を生成する能力（以下、「ニトリルヒドラターゼ活性」ともいう。）を有する酵素（たんぱく質）をいう。
【００１９】
ニトリルヒドラターゼを含有する菌体としては、ニトリルヒドラターゼを産生し、かつニトリル化合物およびアミド化合物の水溶液中でニトリルヒドラターゼ活性を保持している菌体であれば特に限定されない。ニトリルヒドラターゼを産生する菌体としては、ノカルディア(Nocardia)属、コリネバクテリウム(Corynebacterium)属、バチルス(Bacillus)属、好熱性のバチルス属、シュードモナス(Pseudomonas)属、ミクロコッカス(Micrococcus)属、ロドクロウス(rhodochrous)種に代表されるロドコッカス(Rhodococcus)属、アシネトバクター(Acinetobacter)属、キサントバクター(Xanthobacter)属、ストレプトマイセス(Streptomyces)属、リゾビウム(Rhizobium)属、クレブシエラ(Klebsiella)属、エンテロバクター(Enterobacter)属、エルウィニア(Erwinia)属、エアロモナス(Aeromonas)属、シトロバクター(Citrobacter)属、アクロモバクター(Achromobacter)属、アグロバクテリウム(Agrobacterium)属またはサーモフィラ(thermophila)種に代表されるシュードノカルディア(Pseudonocardia)属、バクテリジューム（Bacteridium）属、ブレビバクテリウム（Brevibacterium）属に属する菌体等が挙げられる。これらは一種で用いても二種以上を併用しても良い。
【００２０】
また、これら菌体よりクローニングしたニトリルヒドラターゼ遺伝子を任意の宿主で高発現させた形質転換体、および組換えＤＮＡ技術を用いて該ニトリルヒドラターゼの構成アミノ酸の一個または二個以上を他のアミノ酸で置換、欠失、削除もしくは挿入することにより、アミド化合物耐性やニトリル化合物耐性、温度耐性を更に向上させた変異型のニトリルヒドラターゼを発現させた形質転換体等も挙げられる。尚、ここでいう任意の宿主には、後述の実施例のように大腸菌(Escherichia coli)が代表例として挙げられるが、特に大腸菌に限定されるものではなく枯草菌(Bacillus subtilis)等のバチルス属菌、酵母や放線菌等の他の菌株も含まれる。その様なものの例として、ＭＴ−１０８２２〔本菌株は、１９９６年２月７日に茨城県つくば市東１丁目１番３号の通商産業省工業技術院生命工学工業技術研究所（現  茨城県つくば市東１−１−１  つくばセンター  中央第６  独立行政法人  品評価技術基盤機構  特許生物寄託センター）に受託番号ＦＥＲＭＢＰ−５７８５として、特許手続き上の菌体の寄託の国際的承認に関するブダペスト条約に基づいて寄託されている。〕が挙げられる。
【００２１】
これら菌体の中でも、高活性、高安定性のニトリルヒドラターゼを有するという点で、シュードノカルディア(Pseudonocardia)属に属する菌体、および該菌体よりクローニングしたニトリルヒドラターゼ遺伝子を任意の宿主で高発現させた形質転換体、および変異型のニトリルヒドラターゼを発現させた形質転換体が好ましい。なお、上記形質転換体は、ニトリルヒドラターゼの安定性をより高め、菌体当たりの活性がより高い点で好ましい。
【００２２】
また、菌体内にニトリルヒドラターゼを高発現できる、ロドコッカス・ロドクロウス（Rhodococcus rhodochrous）Ｊ−１、該菌体よりクローニングしたニトリルヒドラターゼ遺伝子を任意の宿主で高発現させた形質転換体も同様に好ましい。上記ニトリルヒドラターゼを産生する菌体は、分子生物学・生物工学・遺伝子工学の分野において公知の一般的な方法により調製できる。
【００２３】
本発明に係る組換えベクターは、ニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子を含有するものであり、ベクターにニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子を連結することにより得ることができる。ベクターとしては、特に限定されるものではなく、例えばpET-21a(+)、pKK223-3、pUC19、pBluescriptKS(+)およびpBR322等に代表される市販の発現プラスミドに、ニトリルヒドラターゼをコードする遺伝子を組み込むことにより、該ニトリルヒドラターゼの発現プラスミドを構築することができる。また、形質転換に使用する宿主生物としては、組換えベクターが安定、かつ自己増殖可能で、さらに外来のＤＮＡの形質が発現できるものであれば良く、例えば大腸菌が好例として挙げられるが、大腸菌だけに限らず枯草菌、酵母等に導入することにより、ニトリルヒドラターゼの産生能を有する形質転換体を得ることができる。
【００２４】
上述のようなニトリルヒドラターゼを産生する菌体は、公知の方法により、適宜培養し増殖させ、ニトリルヒドラターゼを産生させても良い。この場合使用される培地としては炭素源、窒素源、無機塩類およびその他の栄養素を適量含有する培地であれば合成培地または天然培地のいずれも使用可能である。例えば、ＬＢ培地、Ｍ９培地等の通常の液体培地に、菌体を植菌した後、適当な培養温度（一般的には２０℃〜５０℃であるが、好熱菌の場合は５０℃以上でも良い。）で培養させることにより調製できる。培養は前記培養成分を含有する液体培地中で振とう培養、通気攪拌培養、連続培養、流加培養等の通常の培養方法を用いて行うことができる。形質転換体の培養温度としては、１５〜３７℃が好ましい。培養条件は、特に限定されるものではなく、培養の種類、培養方法により適宜選択すれば良く、菌株が生育しニトリルヒドラターゼを産生することが出来れば良い。
【００２５】
本発明では上述のニトリルヒドラターゼを産生する菌体を、ニトリル化合物と反応させるために、遠心等による集菌や、破砕し菌体破砕物を作製する等、さまざまな処理を行っても良く、これらのなんらかの処理を施した菌体を菌体処理物と総称する。
【００２６】
破砕される菌体の形態としては、ニトリルヒドラターゼを産生する菌体を含む限り特に限定はされず、例えば、該菌体を含む培養液そのもの、その培養液を遠心分離して分離・回収された集菌体、さらにこの集菌体を生理食塩水等で洗浄したものが挙げられる。
【００２７】
＜ニトリル化合物＞
ニトリル化合物としては、例えば、炭素数２〜２０の脂肪族ニトリル化合物、炭素数６〜２０の芳香族ニトリル化合物が挙げられ、一種で用いても二種以上を併用しても良い。
【００２８】
脂肪族ニトリル化合物としては、例えば、炭素数２〜６の飽和または不飽和ニトリルが挙げられ；具体的には、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、バレロニトリル、イソバレロニトリル、カプロニトリル等の脂肪族飽和モノニトリル；マロノニトリル、サクシノニトリル、アジポニトリル等の脂肪族飽和ジニトリル；アクリロニトリル、メタクリロニトリル、クロトンニトリル等の脂肪族不飽和ニトリルが挙げられる。
芳香族ニトリル化合物としては、例えば、ベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−クロロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−フルオロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−ニトロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−トルニトリル、ｏ−，ｍ−またはｐ−シアノピリジン、ベンジルシアナイドが挙げられる。
【００２９】
ニトリル化合物の中でも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましい。
【００３０】
＜水（原料水）＞
原料水は特に限定されず、蒸留水、イオン交換水等の精製水を用いることができる。
【００３１】
＜ｐＨ調節剤＞
ｐＨ調節剤は、反応混合物のｐＨを菌体触媒の活性を良好に保つための好適な範囲に調節するために用いられる。
【００３２】
反応に好適なｐＨが７よりも小さい場合には、ｐＨ調節剤として酸を用いることができる。
【００３３】
ｐＨ調節剤として用いる酸としては、無機酸、有機酸のいずれも用いることができる。無機酸としては、例えば、塩化水素、臭化水素、沃化水素等のハロゲン化水素酸、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、次亜臭素酸、亜臭素酸、臭素酸、過臭素酸、次亜沃素酸、亜沃素酸、沃素酸、過沃素酸等のハロゲン化オキソ酸、硫酸、硝酸、燐酸、硼酸が挙げられる。有機酸としては、例えば、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、蓚酸、マロン酸、フマル酸、マレイン酸、クエン酸、乳酸、安息香酸等のカルボン酸やメタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ｐ−トルエンスルホン酸等のスルホン酸が挙げられる。ｐＨ調節剤として用いる酸は、気体、固体、液体いずれの状態でも用いることができるが、反応槽への供給の容易性を考慮すると、液体の状態のものを用いることは好ましく、気体あるいは固体の状態の酸は水溶液として用いることはより好ましい。反応槽のｐＨ調節の制御性を考慮すると、液体の状態の酸も水溶液として用いることはより好ましい。水溶液として用いる場合の酸の濃度は、特に制限はないが、高濃度の水溶液を用いるとｐＨ調節が困難となるため、好ましくは０．１ｗｔ％以上９９ｗｔ％以下、より好ましくは１ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下、さらに好ましくは１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下である。
【００３４】
反応に好適なｐＨが７よりも大きい場合には、ｐＨ調節剤として塩基を用いることができる。
【００３５】
ｐＨ調節剤として用いる塩基としては、無機塩基、有機塩基のいずれも用いることができる。無機塩基としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等のアルカリ金属の炭酸水素塩、アンモニアが挙げられる。有機塩基としては、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、アニリン、ピリジンが挙げられる。ｐＨ調節剤として用いる塩基は、気体、固体、液体いずれの状態でも用いることができるが、反応槽への供給の容易性を考慮すると、液体の状態のものを用いることは好ましく、気体あるいは固体の状態の塩基は水溶液として用いることはより好ましい。反応槽のｐＨ調節の制御性を考慮すると、液体の状態の塩基も水溶液として用いることはより好ましい。水溶液として用いる場合の塩基の濃度は、特に制限はないが、高濃度の水溶液を用いるとｐＨ調節が困難となるため、好ましくは０．１ｗｔ％以上９９ｗｔ％以下、より好ましくは１ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下、さらに好ましくは１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下である。
【００３６】
＜反応槽＞
反応槽としては、一つの反応器から構成される単段の反応槽を用いても良く、複数の反応器から構成される多段の反応槽を用いても良い。反応器としては、槽型反応器を用いても良く、管型反応器を用いても良い。槽型反応器としては、撹拌機を備える反応器が好ましい。槽型反応器が攪拌機を有する場合の攪拌機の攪拌翼は任意の形状のものを選択でき、例えば、プロペラ翼、フラットパドル翼、ピッチドパドル翼、フラットタービン翼、ピッチドタービン翼、リボン翼、アンカー翼、フルゾーン翼が挙げられる。攪拌翼は、１枚であっても良く、複数枚備えていても良い。
【００３７】
反応槽には、循環ポンプを備えた外部循環ラインが設置されていても良い。循環ポンプを備えた外部循環ラインは、反応槽に一つ設置されていても、複数設置されていても良い。
【００３８】
反応槽にポンプを備えた外部循環ラインを設置する場合の、外部循環ラインに備えられたポンプは、特に限定されるものではなく、例えば、遠心ポンプ、傾斜ポンプあるいは軸流ポンプ等のターボ式ポンプや、往復ポンプや回転ポンプ等の容積型ポンプが挙げられる。
【００３９】
反応槽にポンプを備えた外部循環ラインを設置する場合には、外部循環ラインに備えられたポンプを用いて、反応混合物の一部が反応槽内から取り出され、外部循環ラインを経由して反応槽へ戻される。反応槽に設置された外部循環ラインには、温度制御装置が設置されていることは好ましい。温度制御装置としては、好ましくは熱交換器が挙げられる。熱交換器としては、例えば、多管円筒式、渦巻管式、渦巻板式、プレート式、二重管式等の形態のものが挙げられる。
【００４０】
複数の反応器から構成される多段の反応槽にポンプを備えた外部循環ラインを設置する場合には、ポンプを備えた外部循環ラインは各々の反応器に全て設置されていても良く、いずれか一つの反応器にのみ設置されていても良い。複数の反応器から構成される場合において、ポンプを備えた外部循環ラインがいずれか一つの反応器にのみ設置される場合には、一段目の反応器（最も上流に位置する反応器）に設置されることが好ましい。
【００４１】
一段目の槽型反応器と二段目の管型反応器とから構成される反応槽を用い、槽型反応器から取り出される反応液を管型反応器で更に反応させる形態とし、槽型反応器にポンプを備えた外部循環ラインを設置する反応槽は、転化率を向上できるのでより好ましい。
【００４２】
槽型反応器および管型反応器は、菌体触媒の活性が維持される温度に保たれる限り、熱交換器を備えていてもいなくても良いが、後述する反応槽温度を制御するため、前記反応器は熱交換器を備えることが好ましい。熱交換器としては、例えば、多管円筒式、渦巻管式、渦巻板式、プレート式、二重管式等の形態のものを外部循環ライン上に設置することは好ましく、それ以外にも、ジャケット式、コイル式等の反応器に直接設置する形態のものが挙げられる。反応器が管型反応器である場合は、反応器自体を多管円筒式あるいは二重管式の熱交換器で構成することが可能である。
【００４３】
反応方法は、菌体触媒、反応原料（ニトリル化合物および原料水）およびｐＨ調節剤の連続的または間欠的な供給と、反応液（菌体触媒、未反応原料、ｐＨ調節剤および生成したアミド化合物等を含む）の連続的または間欠的な取り出しを行いながら、反応槽内の反応液を全量取り出すことなく連続的に反応を行う方法(本明細書において「連続反応」と呼称する場合がある。)をとり、連続反応を開始する前に、反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う。
【００４４】
複数の反応器から構成される多段の反応槽を用いる場合には、すべての反応器の反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う。
【００４５】
反応は、菌体触媒の存在下で行われる。菌体触媒の使用形態として、好ましくは懸濁床であり、菌体触媒の懸濁液を調製し、懸濁液を反応槽に供給すれば良い。
【００４６】
なお、反応槽として複数の反応器から構成される多段の反応槽を用いる場合、その構成としては、（ａ）菌体触媒、反応原料（ニトリル化合物および原料水）およびｐＨ調節剤を上段の反応器に供給し、上段の反応器から取り出された反応液（菌体触媒、未反応原料、ｐＨ調節剤および生成したアミド化合物等を含む。）を、下段の反応器に供給する直列式態様、（ｂ）菌体触媒、反応原料（ニトリル化合物および原料水）およびｐＨ調節剤を二以上の反応器に（他の反応器を経由せずに）直接供給する並列式態様が挙げられる。なお、上述の多段の反応槽を用いる場合、連続反応における「反応液の連続的または間欠的な取り出し」とは、それぞれの反応器からの取り出しを意味する。
【００４７】
反応槽内の液温である反応槽温度は、菌体触媒の耐熱性にもよるが、通常０〜５０℃に設定され、好ましくは１０〜４０℃に設定される。反応槽温度が前記範囲にあると、菌体触媒の活性を良好に維持できる点で好ましい。
【００４８】
反応槽温度とは、反応槽が一つの反応器のみから構成される場合は、当該反応器内の液温を指し、反応槽が複数の反応器から構成される場合は、各々の反応器内の液温を指す。反応槽温度は、例えば、熱電対法（例：Ｋタイプ）により測定することができる。反応槽温度は、反応槽内の任意の場所で測定可能であり、具体的には反応槽出口（反応液取り出し口）で測定可能である。
【００４９】
反応槽の容積は、特に限定するものではないが、工業的な生産を考慮すると、通常０．１ｍ3以上、好ましくは１〜１００ｍ3、より好ましくは５〜５０ｍ3である。反応槽が複数の反応器から構成される場合、前記容積は各々の反応器の容積を指す。
【００５０】
反応は、一般的には常圧下で行われるが、ニトリル化合物の溶解度を高めるために加圧下で行うこともできる。反応槽内のｐＨは、菌体触媒の活性を良好に保つための好適な範囲であれば特に限定されないが、好ましくはｐＨ５〜ｐＨ１０の範囲にある。ｐＨが前記範囲にあると、菌体触媒の活性を良好に維持できる点で好ましい。
【００５１】
反応槽のｐＨとは、反応槽が一つの反応器のみから構成される場合は、当該反応器内のｐＨを指し、反応槽が複数の反応器から構成される場合は、各々の反応器内のｐＨを指す。反応槽のｐＨは、例えば、指示薬法、水素電極法、キンヒドロン電極法、アンチモン電極法、ガラス電極法により測定することができる。反応槽のｐＨは、反応槽内の任意の場所で測定可能であり、具体的には反応槽出口（反応液取り出し口）で測定可能である。
【００５２】
＜菌体触媒貯槽＞
菌体触媒貯槽とは、菌体触媒の懸濁液を保有し、菌体触媒の懸濁液を反応槽に供給する触媒供給管を有する。菌体触媒貯槽は、温度制御装置を有していても良く、温度制御装置を有していなくても良いが、菌体触媒の懸濁液の液温を制御する観点から、温度制御装置を有することは好ましい。
【００５３】
菌体触媒貯槽が温度制御装置を有する場合の温度制御装置は、菌体触媒貯槽が有しても良い外部循環ライン上に設けても良く、菌体触媒貯槽自体に設けても良い。菌体触媒貯槽における温度制御装置としては、例えば、熱交換器が挙げられる。熱交換器としては、例えば、多管円筒式熱交換器、渦巻管式熱交換器、渦巻板式熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換等の菌体触媒貯槽の外部循環ラインに設置する形態のもの、あるいはジャケット式熱交換器、コイル式熱交換器等の菌体触媒貯槽に直接設置する形態のものが挙げられる。
【００５４】
菌体触媒貯槽は攪拌機を有していても良く、攪拌機を有していなくても良いが、菌体触媒の液温を制御する観点から、攪拌機を有することは好ましい。菌体触媒貯槽が攪拌機を有する場合の攪拌機の攪拌翼は任意の形状のものを選択でき、例えば、プロペラ翼、フラットパドル翼、ピッチドパドル翼、フラットタービン翼、ピッチドタービン翼、リボン翼、アンカー翼、フルゾーン翼が挙げられる。攪拌翼は、一枚であっても良く、複数枚備えていても良い。
【００５５】
本発明に係るアミド化合物の製造方法は、菌体触媒を用いてアミド化合物を連続的に製造する方法において、連続反応を開始する前に反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う工程を有する。
【００５６】
連続反応を開始する前のバッチ反応とは、例えば以下の様に実施できる。反応槽に菌体触媒、反応原料（ニトリル化合物および原料水）およびｐＨ調節剤を供給し、反応を開始した後に反応液（菌体触媒、未反応原料、ｐＨ調節剤および生成したアミド化合物を含む）を取り出すことなく反応を終了させる。複数の反応器から構成される多段の反応槽を用いる場合には、すべての反応器のそれぞれに菌体触媒、反応原料およびｐＨ調節剤を供給し、反応を開始した後に反応液を取り出すことなく反応を終了させる。あるいは、例えば、二基の反応器を有する二段の反応槽の場合には、一段目の反応器から取り出した反応液を二段目の反応器に供給し、二段目の反応器から取り出した反応液を一段目の反応器へ戻し、循環運転を行うことにより反応を終了させることもできる。
【００５７】
本発明において、バッチ反応で得られるアミド化合物の濃度は、最終製品のアミド化合物の濃度以上であれば、上限は特に制限されないが、大過剰のニトリル化合物の供給は、反応を完結させるために多く触媒量、過大な容積を有する反応器、および徐熱のための過大な熱交換器などが必要となり、設備面での経済的負担が大きくなる。このため、ニトリル化合物の供給量としては、ニトリル化合物が全て対応するアミド化合物となった場合に、反応液のアミド化合物の理論的な生成液濃度が、１２〜８０重量％の範囲となるように添加することが好ましく、より具体的には、原料水１重量部に対してニトリル化合物０．０９〜１．５重量部に範囲で添加することが好ましい。
【００５８】
菌体触媒の使用量は、所望の濃度のアミド化合物が得られれば良く、また、反応条件、触媒の種類、その形態により適宜決定すれば良いが、乾燥菌体重量換算で、原料水に対し通常１０〜５０，０００重量ｐｐｍ、好ましくは５０〜３０，０００重量ｐｐｍである。
【００５９】
また、上記バッチ反応の反応時間も、所望の濃度のアミド化合物が得られれば良く、特に制限されない。具体的には上記バッチ反応時間は触媒の使用量および温度などの条件にも依存するが、通常０．１〜４０時間の範囲であり、好ましくは０．５〜２０時間、より好ましくは１〜１０時間の範囲である。
【００６０】
本発明に係るアミド化合物の製造方法によって製造されたアミド化合物は、通常、反応工程で得られた反応液から不純物を除去させて最終製品としてのアミド化合物水溶液を得る。
【００６１】
上記不純物としては、例えば、溶解している菌体触媒や菌体の死骸などの固形物が挙げられる。
【００６２】
上記溶解している菌体触媒の除去方法としては、特開２００１−２７０８５７号公報に記載されているように、酸性下で反応液と活性炭を接触させ、次いで活性炭を除去する方法が好適に用いられる。上記接触においてｐＨ調節のための水溶液が反応液に加えられるため、最終製品中のアミド化合物の濃度が低下する。
【００６３】
また、上記固形物を除去するためには、濾過、遠心分離、膜分離などを用いても良い。例えば、濾過の場合には、洗浄水がアミド化合物反応液に加わるために、最終製品中のアミド化合物の濃度は低下する。
【００６４】
上記のようにして、反応工程で得られた反応液から不純物を除去した最終製品としてのアミド化合物が得られる。最終製品として得られたアミド化合物水溶液は、例えば、アクリルアミドの場合にはアミド系重合体の原料として用いることが可能である。アミド系重合体の原料として用いる場合には、最終製品としてのアクリルアミド水溶液の濃度は、通常４０〜６０重量％であるが、アミド化合物（アクリルアミド以外のアミド化合物も含む）の最終製品の濃度は、１０〜９０重量％の範囲内であってもよい。
【００６５】
ここで、アミド化合物の反応液中や最終製品中のアミド化合物の濃度は、高速液体クロマトグラフ法、ガスクロマトグラフ法、屈折率法などの常法を用いて測定することができる。
【００６６】
このように、本発明では菌体触媒を用いてアミド化合物を連続的に製造する方法において、連続反応を開始する前に反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行う工程を有し、バッチ反応での反応液中のアミド化合物の濃度は最終製品であるアミド化合物水溶液中のアミド化合物の濃度よりも２〜２０重量％多いことが好ましい。バッチ反応工程において最終製品のアミド化合物の濃度以上とし、続く連続反応においてもアミド化合物の濃度を維持することで、精製工程で発生するアミド化合物の濃度が低下するが、さらに水の蒸留などによる水の除去工程を行わなくても、水溶液の最終製品として、また、結晶品の場合は、晶析用原液として好適に用いられる。
【実施例】
【００６７】
次に本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６８】
［実施例１］
〔ニトリルヒドラターゼを含有する菌体の調製〕
特開２００１−３４００９１号公報の実施例１に記載の方法に従いＮｏ．３クローン菌体を取得し、同じく、同実施例１の方法で培養してニトリルヒドラターゼを含有する湿菌体を得た。
【００６９】
〔アクリルアミドの製造〕
最終製品として、水溶液中のアクリルアミド濃度が５０重量％以上の製品を得るため、以下の条件で反応を行った。
【００７０】
第１反応器として攪拌機を備えた、槽内径１ｍ、直胴部長さ１．５ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型反応器（容積：１ｍ３）、第２反応器として容積０．５ｍ３のＳＵＳ製二重管型反応器を準備した。原料水の供給管、ｐＨ調節剤の供給管、アクリロニトリルの供給管および菌体触媒の供給管はそれぞれ第１反応器へ直接接続している。第１反応器には反応液供給ポンプを備えた反応液供給ラインが設置され、反応液供給ラインは第２反応器へ接続している。
【００７１】
上記ニトリルヒドラターゼを含有する菌体の調整で得られた湿菌体を純水に懸濁し、湿菌体濃度０．１ｗｔ％の懸濁液を得た。第１反応器に、この懸濁液を４００ｋｇ供給した。ｐＨ調節剤として０．１Ｍ−ＮａＯＨ水溶液を用い、反応液のｐＨが８．０となるようにｐＨ調節剤の供給管を介し、第１反応器へ供給した。その後、純度９９．８％のアクリロニトリルを１００ｋｇ／ｈの速度でアクリロニトリル供給管を介し、第１反応器へ３時間かけて３００ｋｇの量を供給した。第２反応器には、予め５００ｋｇの水を仕込んだ。その後、第１反応器へのアクリロニトリルの供給を継続し、第１反応器から反応液を２００ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第２反応器へ連続的に供給した。第２反応器出口配管を第１反応器へ接続し、第２反応器から反応液を２００ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第１反応器へ連続的に供給することにより循環を行った。循環を行いつつ第１反応器へアクリロニトリルを１００ｋｇ／ｈの速度で３時間かけて３００ｋｇの量を供給した。アクリロニトリルの供給量は合計６００ｋｇとなった。
【００７２】
アクリロニトリル供給終了後、第１反応器から反応液を２００ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第２反応器へ連続的に供給し、第２反応器から反応液を２００ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第１反応器へ供給することにより循環を行うことでバッチ反応を実施した。
【００７３】
反応中の反応液の温度は２０℃となるように、第１反応器のジャケット式熱交換器および第２反応器の二重管に５℃の冷却水を流通して温度制御を行った。バッチ反応開始から３時間後に以下のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、反応液のアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）であり、バッチ反応の完了を確認した。また、反応液のアクリルアミド濃度は５３重量％であった。
【００７４】
バッチ反応完了後、第２反応器出口配管は第１反応器から切り離し反応液の抜き出し口とした。第１反応器に湿菌体の懸濁液を１２ｋｇ／ｈの速度で連続的に供給した。また、純度９９．８％のアクリロニトリルを４０ｋｇ／ｈの速度でアクリロニトリルの供給管を介し、第１反応器へ連続的に供給した。純水を４８ｋｇ／ｈの速度で純水の供給管を介し、第１反応器へ連続的に供給した。
【００７５】
反応中の反応液の液面を槽底面から１．２７ｍの高さとなるように、反応液を第１反応器から１００ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第２反応器に連続的に供給して、第２反応器内でさらに反応を進行させ、第２反応器出口配管から反応液を抜き出すことで連続反応を開始した。
【００７６】
連続反応開始から１時間後に以下のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度は検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）であり、アクリルアミド濃度は５３重量％であった。
【００７７】
連続反応開始後１０時間後に以下のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）であり、アクリルアミド濃度は５３重量％であった。
【００７８】
〔アクリルアミドの精製〕
精製処理槽として攪拌機を備えた、槽内径０．８ｍ、直胴部長さ１ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型精製処理槽（容積：０．５ｍ３）を準備した。第２反応器出口配管、ｐＨ調節剤の供給管、および活性炭の供給管はそれぞれ精製処理槽へ直接接続している。
【００７９】
上記製造方法で得られた菌体触媒を含有する反応混合物を１００ｋｇ／ｈの速度で連続的に精製処理槽に供給した。ｐＨ調節剤として０．５重量％−アクリル酸水溶液を使用し、精製処理液のｐＨが４．９〜５．１となるように供給量を調節し、精製処理槽へ供給した。精製処理液のｐＨは精製処理槽出口においてガラス電極法を用いて測定した。クラレケミカル株式会社製  粉末活性炭ＰＭ−ＳＸを０．３ｋｇ／ｈの速度で精製処理槽へ連続的に供給した。精製処理液の温度は２０℃となるように、精製処理槽のジャケット式熱交換器に１５℃の冷却水を流通して温度制御を行った。精製処理液を精製処理槽から１００ｋｇ／ｈの速度で連続的に取り出し、加圧濾過を行った。濾塊を純水で洗浄を行い、洗浄水を濾液と混合した後に０．１Ｍ−ＮａＯＨ水溶液を用い、ｐＨが７．０となるように中和することで最終製品であるアクリルアミド水溶液を得た。
【００８０】
得られた最終製品中を以下のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、アクリルアミド濃度は５１％であった。
【００８１】
ここで分析条件は以下のとおりであった。
・アクリルアミド分析条件：
高速液体クロマトグラフ装置：ＬＣ−１０Ａシステム
（株式会社島津製作所製）
（ＵＶ検出器波長２５０ｎｍ、カラム温度４０℃）
分離カラム            ：ＳＣＲ-１０１Ｈ  （株式会社島津製作所製）
溶離液                ：０．０５％（容積基準）−リン酸水溶液
・アクリロニトリル分析条件：
高速液体クロマトグラフ装置：ＬＣ−１０Ａシステム
（株式会社島津製作所製）
（ＵＶ検出器波長２００ｎｍ、カラム温度４０℃）
分離カラム：Ｗａｋｏｓｉｌ-ＩＩ  ５Ｃ１８ＨＧ  （和光純薬製）
溶離液      ：７％（容積基準）−アセトニトリル、０．１ｍＭ−酢酸、
０．２ｍＭ−酢酸ナトリウムを各濃度で含有する水溶液。
【００８２】
［比較例１］
実施例１のアクリルアミドの製造において、連続反応を開始する前に反応液のアミド化合物の濃度を最終製品のアミド化合物の濃度以上とするバッチ反応を行うことなく連続反応を行った以外は、実施例１と同様にしてアクリルアミドの製造を行った。すなわち、撹拌反応器として攪拌機を備えた、槽内径１ｍ、直胴部長さ１．５ｍのＳＵＳ製ジャケット式熱交換器付槽型反応器（容積：１ｍ３）、第２反応器として容積０．５ｍ３のＳＵＳ製二重管型反応器を準備した。原料水の供給管、ｐＨ調節剤の供給管、アクリロニトリルの供給管および菌体触媒の供給管はそれぞれ第１反応器へ直接接続している。第１反応器には反応液供給ポンプを備えた反応液供給ラインが設置され、反応液供給ラインは第２反応器へ接続している。
【００８３】
第１反応器には、予め４００ｋｇの水を仕込んだ。特開２００１−３４００９１号公報の実施例１に記載の培養方法で得られた湿菌体を純水に懸濁し、湿菌体濃度０．１ｗｔ％の懸濁液を得た。第１反応器を撹拌しながら、この懸濁液を１２ｋｇ／ｈの速度で連続的に供給した。また、純度９９．８％のアクリロニトリルを４０ｋｇ／ｈの速度でアクリロニトリルの供給管を介し、第１反応器へ連続的に供給した。純水を４８ｋｇ／ｈの速度で純水の供給管を介し、第１反応器へ連続的に供給した。反応中の反応液の温度は２０℃となるように、第１反応器のジャケット式熱交換器に５℃の冷却水を流通して温度制御を行った。ｐＨ調節剤として０．１Ｍ−ＮａＯＨ水溶液を用い、反応液のｐＨが７．５〜８．５となるように供給量を調節し、ｐＨ調節剤の供給管を介し、第１反応器へ連続的に供給した。反応液のｐＨは第１反応器出口においてガラス電極法を用いて測定した。
【００８４】
第１反応器への反応原料の供給開始から６時間後に、第１反応器の反応液の液面が槽底面から１．２７ｍの高さとなった。反応液の液面が槽底面から１．２７ｍの高さを維持するように、反応液を第１反応器から１００ｋｇ／ｈの速度で連続的に抜き出し、第２反応器へ連続的に供給した。第２反応器へ反応液の供給を開始してから５時間後に第２反応器出口から反応液の流出が始まったことより、連続反応を開始した。反応中の反応液の温度は２０℃となるように、第２反応器の二重管に５℃の冷却水を流通して温度制御を行った。
【００８５】
連続反応開始から１時間後に実施例１に記載のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度は検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）であり、アクリルアミド濃度は３２重量％であった。
【００８６】
連続反応開始後１０時間後に実施例１に記載のＨＰＬＣ条件にて分析を行ったところ、第２反応器出口でのアクリロニトリル濃度が検出限界以下（１０重量ｐｐｍ以下）であり、アクリルアミド濃度は４５重量％であった。最終製品としてのアクリルアミド濃度が５０重量％を得るためには反応液のアクリルアミド濃度が不足しているので連続反応を継続して行った。
【００８７】
実施例１と同等のアクリルアミド濃度５３重量％の反応液を得るまでには連続反応を開始した後に３３時間の反応時間が必要であった。