(57)【要約】【課題】生体触媒を用いてアクリロニトリルからアクリルアミドを製造する方法において、工業的な反応スケールでありながら反応熱を効率的に除熱することができる、低コストでかつ生産性の高いアクリルアミドの製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、生体触媒の存在下でアクリロニトリルを反応させて、アクリルアミドを製造する方法であり、該反応を、管式熱交換器を備えた反応容積１ｍ３以上の反応器を用い、かつ該熱交換器に導入する冷却水の温度と反応温度との差を５〜２０℃に保持して行うことを特徴とする方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体触媒の存在下でアクリロニトリルを反応させて、アクリルアミドを製造する方法において、該反応を、管式熱交換器を備えた反応容積１ｍ３以上の反応器を用い、かつ該熱交換器に導入する冷却水の温度と反応温度との差を５〜２０℃に保持して行うことを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記反応が連続反応である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記反応器の入口と出口とにおける反応混合物中アクリルアミドの濃度差（重量％）を、前記冷却水の温度と前記反応温度との差（℃）で除した値が、１．５〜２．５の範囲内となるように保持して前記反応を行う、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記管式熱交換器が２重以上のコイル式熱交換器である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記管式熱交換器が多管式熱交換器である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記多管式熱交換器がＵ字管式熱交換器である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記Ｕ字管式熱交換器の流路数が２〜６である、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記Ｕ字管式熱交換器が、前記反応器内に縦置き型で設置されている、請求項６又は７記載の方法。
【請求項９】
前記Ｕ字管式熱交換器の管束が取り外しできる構造である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体触媒を用いてアクリロニトリルからアクリルアミドを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体触媒を利用して目的の化合物を製造する方法は、反応条件が穏和であること、副生物が少なく反応生成物の純度が高いこと、製造プロセスを簡略化できること等の利点があるため、生体触媒は、多くの化合物の製造に利用されている。アミド化合物の製造においては、ニトリル化合物をアミド化合物に変換する酵素であるニトリルヒドラターゼが見出されて以来、該酵素を含む生体触媒が広く利用されている。
このような生体触媒を工業的に利用するには、低コストでアミド化合物を製造することが必要不可欠である。一般に、生体触媒は熱に対して失活しやすいため、反応熱の除熱が充分でないと、触媒供給量が増えてしまい、触媒コストが増加する。また、除熱に用いる冷却水の温度を下げたり、冷却水の供給量を増やすなど、エネルギーコストが高くなり、結果として低コストでアクリルアミドを製造することが困難となる。【０００３】
反応熱を除熱する方法としては、例えば、反応器外部に設けた熱交換器に反応液を循環させて冷却する方法（特許文献１）や、プラグフロー型の反応器で２重管形式やシェルアンドチューブ形式を用いる方法（特許文献２）や、反応槽にジャケットや冷却コイルを装備させる方法（特許文献３）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２４０４７号公報
【特許文献２】特開２００１−３４００９１号公報
【特許文献３】国際公開第０３／００９１４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１（特表２００４−５２４０４７号公報）に記載の方法では、装置が複雑になるため設備コストが高くなるだけでなく、反応液を循環させるために多大なエネルギーを消費し、製造コストは高くなる。また、上記特許文献２及び３（特開２００１−３４００９１号公報；国際公開第０３／００９１４号パンフレット）に記載の方法では、反応器当たりの生産性を上げた場合、過大な熱交換器が必要となり設備の経済的負荷が高くなる。また、これらの方法は、小スケールの反応器で検討されており、工業的なスケールでの除熱効果が考慮されていない。反応器内に熱交換器を設置する場合、工業的なスケールアップを考えると、反応器の容積が大きくなるほど、容積あたりの冷却に用いる伝熱面積の割合は小さくなるため、除熱はさらに困難になる。【０００６】
そこで、本発明は、生体触媒を用いてアクリロニトリルからアクリルアミドを製造する方法において、工業的な反応スケールでありながら反応熱を効率的に除熱することができる、低コストでかつ生産性の高いアクリルアミドの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った。その結果、反応器として管式熱交換器を備えた工業的スケールの反応器を用い、かつ、反応温度と該熱交換器に導入する冷却水の温度との温度差を一定の範囲に保持すれば、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。【０００８】
すなわち、本発明は以下の通りである。
生体触媒の存在下でアクリロニトリルを反応させて、アクリルアミドを製造する方法において、該反応を、管式熱交換器を備えた反応容積１ｍ３以上の反応器を用い、かつ該熱交換器に導入する冷却水の温度と反応温度との差を５〜２０℃に保持して行うことを特徴とする、前記方法。
本発明の方法において、前記反応としては、例えば、連続反応が挙げられる。また、当該連続反応は、例えば、反応器の入口と出口とにおける反応混合物中アクリルアミドの濃度差（重量％）を、冷却水の温度と反応温度との差（℃）で除した値（重量％／℃）が、１．５〜２．５の範囲内となるように保持して行うことができる。【０００９】
さらに、本発明の方法においては、前記管式熱交換器として、例えば、多管式熱交換器や２重以上のコイル式熱交換器を用いることができる。多管式熱交換器では、例えば、Ｕ字管式熱交換器を用いることができる。当該多管式熱交換器（特にＵ字管式熱交換器）は、例えば、流路数が２〜６のものや、前記反応器内に縦置き型で設置されているものや、管束が取り外しできる構造のものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、生体触媒を用いてアクリロニトリルからアクリルアミドを製造するにあたり、工業的スケールの反応器において効率的に反応熱を除熱することができ、低コストでかつ生産性の高いアクリルアミドの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の反応熱を効率的に除熱する多管式熱交換器（Ｕ字管式）を内部に設置した反応器の一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のアクリルアミドの製造方法を詳細に説明する。本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し実施することができる。なお、本明細書は、本願優先権主張の基礎となる特願2008-258240号明細書（2008年10月3日出願）の全体を包含する。また、本明細書において引用された全ての先行技術文献及び公開公報、特許公報その他の特許文献は、参照として本明細書に組み入れられる。【００１３】
本発明のアクリルアミドの製造方法は、前述した通り、生体触媒の存在下でアクリロニトリルを反応させて、アクリルアミドを製造する方法において、該反応を、管式熱交換器を備えた反応容積１ｍ３以上の反応器を用い、かつ該熱交換器に導入する冷却水の温度と反応温度との差を５〜２０℃に保持して行うことを特徴とする方法である。【００１４】
本発明の方法に使用される生体触媒としては、例えば、目的とする反応を触媒する酵素を含有する動物細胞、植物細胞、細胞小器官、及び菌体（生菌体又は死滅体）、並びにこれらの処理物等が挙げられる。処理物としては、細胞から抽出された粗酵素又は精製酵素、さらに動物細胞、植物細胞、細胞小器官、菌体（生菌体又は死滅体）又は酵素自体を包括法、架橋法、担体結合法等で固定化したものが挙げられる。ここで、包括法とは、菌体又は酵素を高分子ゲルの微細な格子の中に包み込むか、半透膜性の高分子の皮膜によって被覆する方法である。また、架橋法とは、酵素を２個又はそれ以上の官能基を持った試薬（多官能性架橋剤）で架橋する方法である。さらに、担体結合法とは、水不溶性の担体に酵素を結合させる方法である。
固定化に用いる固定化担体としては、例えば、ガラスビーズ、シリカゲル、ポリウレタン、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、カラギーナン、アルギン酸、寒天、ゼラチン等が挙げられる。【００１５】
菌体としては、例えば、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、シュードモナス（Pseudomonas）属、ミクロコッカス（Micrococcus）属、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（Enterobavter）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、シュードノカルディア（Pseudonocardia）属に属する微生物等が挙げられる。【００１６】
酵素としては、例えば、前記微生物が産生するニトリルヒドラターゼが挙げられる。
生体触媒の使用量は、用いる生体触媒の種類や形態によって異なるが、反応器中に添加する生体触媒の活性が、反応温度１０℃で乾燥菌体１ｍｇ当たり５０〜２００U程度となるように調整することが好ましい。ただし、前記単位U（ユニット）とは、１分間にアクリロニトリルからアクリルアミドを１マイクロモル生成させる酵素量を意味し、製造に用いるアクリロニトリルを用いて測定した値である。【００１７】
本発明の製造方法には、(i) 反応原料（生体触媒、アクリロニトリル、原料水を含む）を反応器に一度に全量仕込んでから反応させる方法（回分反応）、(ii) 反応原料の一部を反応器に仕込んだ後、連続的又は間歇的に残りの反応原料を供給して反応させる方法（半回分反応）、及び(iii) 反応原料の連続的又は間歇的な供給と、反応混合物（反応原料及び生成したアクリルアミドを含む）の連続的又は間歇的な取り出しを行いながら、反応器内の反応混合物を全量抜き出すことなく連続的に製造する方法（連続反応）のいずれの反応を適用することもできる。工業的にアクリルアミドを大量にかつ効率的に製造しやすい点で、連続反応が好ましい。また、反応器は１つのみを使用してもよいし、複数個を併用してもよい。複数の反応器を用いて連続的に反応を行う際には、生体触媒、アクリロニトリルの供給は、反応の効率等を悪化させすぎない範囲内であれば、最も上流に位置する反応器のみには限定されず、それよりも下流の反応器に導入してもよい。本発明の製造方法における反応温度（反応混合物温度）は、限定はされないが、１０〜４０℃であることが好ましく、２０〜３５℃であることがより好ましい。反応温度が１０℃以上であれば、生体触媒の反応活性を充分に高められるだけでなく、冷却水温度を上げることができるため、冷凍機に替えて冷水塔を利用することができ、冷却水の冷却エネルギーを低減することができる。また、反応温度が４０℃以下であれば、生体触媒の失活を抑制しやすい。
また、本発明の製造方法における反応時間は、限定はされないが、例えば、１〜５０時間であることが好ましく、より好ましくは３〜２０時間である。
本発明の製造方法に用いる管式熱交換器としては、例えば、多管式熱交換器及び２重以上のコイル式熱交換器等が好ましく挙げられる。【００１８】
上記多管式熱交換器とは、多数の伝熱管を管板に溶接などで固定した構造の熱交換器を示す。伝熱管の内側に冷却水を導入し、伝熱管壁を通して反応混合物と熱交換を行う構造の熱交換器である。伝熱管の配列方法は、特に限定されるものではなく、例えば、三角配列や四角配列などの方法が挙げられる。また、伝熱管の配列において、互いに隣り合う管と管との中心距離は管外径の１〜５倍とすることが好ましく、より好ましくは１．２５倍〜３倍である。冷却水の伝熱管内における流速は、０．５〜５ｍ／ｓであることが好ましく、より好ましくは１〜３ｍ／ｓである。
多管式熱交換器としては、例えば、Ｕ字管式熱交換器及び直管式熱交換器等が好ましく挙げられ、中でも、Ｕ字管式熱交換器がより好ましい。
Ｕ字管式熱交換器とは、伝熱管をＵ字形に曲げ管端を管板に取り付けた熱交換器である。Ｕ字管の曲げの最小半径は、伝熱管外径の１〜３倍が好ましく、より好ましくは１．５倍〜２．５倍である。【００１９】
Ｕ字管式熱交換器は、管端が一つの管板に固定されているので、流体の温度による伝熱管の伸縮を自由にでき、反応温度と冷却水の温度との組み合わせを容易に幅広く設定することができる。また、簡単な構造であるため、比較的安価に製造又は入手することができ、さらに、管束を引き出して清掃や点検をすることができるためメンテンス性にも優れる。
本発明で用いる多管式熱交換器（特にＵ字管式熱交換器）においては、例えば、流路数が、２〜６であることが好ましく、より好ましくは２〜４である。通常、熱交換器の伝熱管における冷却水の出入口には、仕切り室があり、その内部には冷却水を導くための仕切り板が取り付けられているが、流路数とは、この仕切り板によって仕切り室が仕切られた数（以下、Ｎと表記する。）を意味する（例えば、プロセス機器構造設計シリーズ１  熱交換器  化学工学協会編  Ｐ２３（丸善株式会社）を参照）。具体的には、例えば、Ｎが２のときは流路数２であり、Ｎが３のときは流路数４であり、Ｎが４のときは流路数６である。なお、構造上、Ｕ字管式熱交換器の流路数は、２以上である。流路数が６より大きくなると、仕切り数が多くなり、熱交換の構造が複雑になるため、安価に製造又は入手することができない。【００２０】
本発明で用いる多管式熱交換器（特にＵ字管式熱交換器）においては、例えば、管束が取り外しできる構造であることが好ましい。該構造は、フランジボルトで締め付けるなどして反応器に固定された管束を、反応器から取り外すことのできる構造のことを意味する。管束を取り外し可能なことにより、反応器外部で伝熱管に付着した汚れを、容易に且つ安全に洗浄することができる。なお、管束とは、多数の伝熱管や伝熱管の補強材を管板に組み込んだ状態のものを意味する。
本発明の製造方法に用いる反応器が、多管式熱交換器を（内部に）備えたものである場合は、反応原料が供給される反応器の内部で、反応混合物と冷却水との熱交換が管式熱交換器の伝熱管を介して行われる。攪拌などによる混合操作で、反応混合物の流れは多管式熱交換器が障害物となり乱されるため、伝熱管の伝熱係数は増大する。これにより、ジャケット式冷却や反応器内部に設置した１重コイル式熱交換器に比べて、より効率的な熱交換を行うことができる。【００２１】
また、本発明で使用する反応器が、多管式熱交換器を備えたものである場合は、反応器内部に、多管式熱交換器（特にＵ字管式熱交換器）が縦置き型で設置されたものであることが好ましい。ここで、縦置き型とは、熱交換器の伝熱管の長手方向を垂直にして反応器内に設置する形式を意味する。熱交換器を縦置き型で設置することにより、攪拌等による反応混合物の混合操作において、熱交換器が反応混合物の流れを乱し、これにより伝熱管の外側（反応混合物と接触する側）の伝熱係数が増大するため、反応混合物の冷却効率を向上させることができる。
前記２重以上のコイル式熱交換器とは、２本以上の伝熱管をコイル状に巻いた管束を反応器内に備えたものであり、蛇管式熱交換器とも言う。コイルは、通常、銅、鋼及び特殊鋼などの管をらせん状に巻いた構造である。
本発明で用いるコイル数は、２重以上であればよく、特に限定はされないが、例えば、２〜３重が好ましく、より好ましくは２重である。同一の伝熱面積で比較して、コイル数が１つ（１重コイル）では、必要な伝熱面積を確保するために、らせん状に巻かれた高さ方向の隣り合う伝熱管の距離（コイルピッチ）が小さくなる。そのため、攪拌などによる混合操作で、らせん状に巻かれたコイルの内側と外側との反応混合物の流れが抑制されるため効率的な熱交換を行うことができない。【００２２】
また、本発明では、反応器外部に設置した熱交換器で冷却する方法に比べて、反応混合物を外部熱交換器へ導入するための循環装置及び配管の設備コスト、並びに循環装置を駆動させるためのエネルギーコストが不要になるため、低コスト化を達成することができる。
本発明で使用する反応器は、管式熱交換器を内部に設置できる形状であればよく、例えば槽型反応器が挙げられる。
本発明で使用する反応器は、反応容積が１ｍ３以上であり、好ましくは２ｍ３以上、より好ましくは５ｍ３以上である。ここで、反応容積とは、反応器内に導入（仕込み）可能な反応混合物の正味容量を意味し、多槽連続反応器の場合、１槽当たりの反応混合物の正味容量を意味する。
本発明の製造方法において、冷却水とは、反応の際に生成する反応熱を除熱する目的で、管式熱交換器に（詳しくは該熱交換器の伝熱管に）導入するために用いられるものであり、その種類は特に限定されるものではなく、例えば塩化カルシウム液、塩化ナトリウム液、塩化マグネシウム液などの塩化物溶液や、エチレングリコール液などのアルコール液、工業用水などを使用することができる。【００２３】
本発明の製造方法においては、冷却水の温度と反応温度（反応混合物温度）との温度差（℃）（以下、ΔＴと表記する。）を、反応中、５〜２０℃（好ましくは４〜１８℃、より好ましくは３〜１５℃）に保持することが重要である。ΔＴが５℃よりも小さくなると冷却水の流量や熱交換器の伝熱面積が過大に必要となり、ポンプや配管などの設備コストが増加するだけでなくポンプを循環させるエネルギーコストが増大し、経済負荷が大きくなる。また、ΔＴが２０℃よりも大きくなると、冷却水の温度を０℃以下に下げる必要が生じる場合もあり、冷凍機などの冷却装置の運転効率が低下し、エネルギーコストが増加する。ΔＴの制御方法は、限定はされないが、例えば、熱交換器に導入する冷却水の流量（流速）を適宜調整することで行うことができる。なお、冷却水の温度及び反応温度は、通常、伝熱面の各箇所で変化するため、本発明では、ΔＴとは平均温度差を意味することとする。ここで、平均温度差としては、例えば、化学工学便覧  改訂六版  Ｐ３９２（丸善株式会社発行）に記載されている対数平均温度差を用いることができる。【００２４】
本発明の連続反応においては、反応器の入口と出口とにおける反応混合物中のアクリルアミドの濃度差（重量％）（以下、ΔＣと表記する）をΔＴで除した値（重量％／℃）（以下、ΔＣ／ΔＴと表記する。）が、１．５〜２．５の範囲内となるようにして行うことが好ましく、１．６〜２．２の範囲内とすることがより好ましい。反応器入口の濃度とは、反応の上流側から反応器の入口へ流入してくる反応混合物中のアクリルアミド濃度を意味し、反応器出口の濃度とは、反応器の出口から下流側へ流出する反応混合物中のアクリルアミド濃度を意味する。
反応で生じる発熱量はΔＣに比例し、熱交換器の除熱量はΔＴに比例する。ΔＣ／ΔＴの値が２．５よりも大きいと、反応器当たりのアクリルアミド生産性が高過ぎるため、除熱に過大な伝熱面積が必要となるだけでなく、反応効率が低下して触媒の供給量が増大し、安価にアクリルアミドを製造することができなくなる。
本発明の製造方法においては、原料化合物であるアクリロニトリルから目的生成物であるアクリルアミドへの変換率は、例えば、重量濃度基準で、８５％以上であることが好ましく、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上である。
本発明の製造方法において、反応後のアクリルアミドの回収及び精製は、例えば、濃縮操作（蒸発濃縮等）、活性炭処理、イオン交換処理、ろ過処理及び晶析操作等により行うことができる。【００２５】
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
生体触媒の調製
ニトリルヒドラターゼ活性を有するロドコッカス・ロドクロウス  Ｒｏｄｏｃｏｃｃｕｓ  ｒｈｏｄｏｃｈｒｏｕｓＪ１株（受託番号：ＦＥＲＭ  ＢＰ−１４７８として独立行政法人  産業技術総合研究所  特許生物寄託センター（日本国茨城県つくば市東１丁目１番地１中央第６）に１９８７年９月１８日に国際寄託されている）を、グルコース２％、尿素１％、ペプトン０．５％、酵母エキス０．３％、塩化コバルト０．０５％（何れも質量％）を含む培地（ｐＨ７．０）により３０℃で好気的に培養した。これを遠心分離機及び５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を用いて、集菌洗浄し、生体触媒としての菌体懸濁液（乾燥菌体１５質量％）を調製した。【００２７】
アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応
（反応容積２ｍ３、Ｕ字管式熱交換器でのアクリルアミド生成反応、ΔＴ＝２０℃）
ＳＵＳ製ジャケット付反応器（内径１．３ｍ、高さ２．０ｍ、底面１／４半楕円）にＵ字管式熱交換器（伝熱管外径８ｍｍ、伝熱管本数５０本、流路数４、伝熱面積３．０ｍ２）を２器設置した。
反応器に、５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を８００Ｌ／ｈｒ、アクリロニトリルを３５０Ｌ／ｈｒ、上記調製後の菌体懸濁液を２．５Ｌ／ｈｒで連続的に添加し、反応器内の反応混合物の液量が２ｍ３となるように、反応器出口の抜き出し流量をコントロールした。【００２８】
Ｕ字管式熱交換器に冷却水（１０％エチレングリコール水溶液）を導入し、熱交換器の入口側及び出口側に設置した温度計により、冷却水の温度を測定した。反応器内の液温（反応温度）が２５℃に保たれるように、冷却水流量をコントロールした。なお、ジャケットには冷却水を流していない。熱交換器の入口及び出口における冷却水の温度は、それぞれ３℃及び６．５℃であった（ΔＴ＝２０℃）。
反応開始から１０時間後、反応器から流出してくる反応液（２５℃）を、ガスクロマトグラフィー（カラム：Ｗａｔｅｒｓ社製  ＰｏｒａＰａｋ−ＰＳ、１ｍ、１８０℃、キャリアガス：ヘリウム、検出器：ＦＩＤ）及び屈折計（ＡＴＡＧＯ、ＲＸ−１０００）により測定し、予め測定した検量線により、反応液中のアクリロニトリル及びアクリルアミド濃度を算出したところ、アクリロニトリル１．１重量％、アクリルアミド３３．４重量％（ΔＣ／ΔＴ＝１．７）であり、反応器に供給したアクリロニトリルのうちの９６％以上がアクリルアミドに変換された。
【実施例２】
【００２９】
反応容積２ｍ３、２重コイル式熱交換器、ΔＴ＝２０℃
Ｕ字管式熱交換器を２重コイル式熱交換器（伝熱管外径３４．０ｍｍ、外側コイル：コイル巻き径１．０ｍ−１０段巻き、内側コイル：コイル巻き径０．７ｍ−１０段巻き、伝熱面積６．０ｍ２）へ変更した以外は、実施例１と同様にして、アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応を行った。
反応開始から１０時間後、反応器から流出してくる反応液（２５℃）を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で分析したところ、アクリロニトリル１．３重量％、アクリルアミド３３．２重量％（ΔＣ／ΔＴ＝１．７）であり、反応器に導入したアクリロニトリルのうちの９５％以上がアクリルアミドに変換された。
【比較例１】
【００３０】
ジャケット式熱交換器、ΔＴ＝２０℃
２重コイル式熱交換器を反応器から取り外し、反応器のジャケット（伝熱面積６．０ｍ２）に冷却水を流した以外は、実施例２と同様にして、アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応を行った。
反応開始から１０時間後、ジャケット式熱交換器では伝熱係数が低いため十分に反応熱を除熱できなかったため、反応温度は２８℃（ΔＴ≒２３℃）まで上昇した。反応器から流出してくる反応液を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で分析した。温度上昇により生体触媒が失活したため、アクリロニトリル４．８重量％、アクリルアミド２８．５重量％（ΔＣ／ΔＴ＝１．２）となり、反応器に供給したアクリロニトリルのうちの８２％しかアクリルアミドに変換されなかった。
【比較例２】
【００３１】
１重コイル式熱交換器、ΔＴ＝２０℃
反応器内に１重コイル式熱交換器（伝熱管外径３４．０ｍｍ、コイル巻き径１．０ｍ−１８段巻き、伝熱面積６．０ｍ２）を設置し流した以外は、実施例２と同様にして、アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応を行った。
反応開始から１０時間後、比較例１と同様に、反応温度を２５℃に維持することができず、反応温度は２７℃（ΔＴ≒２２℃）まで上昇した。反応器から流出してくる反応液を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で分析した。温度上昇により生体触媒が失活したため、アクリロニトリル４．１重量％、アクリルアミド２９．４重量％（ΔＣ／ΔＴ＝１．３）であり、反応器に供給したアクリロニトリルのうちの８４％しかアクリルアミドに変換されなかった。
【実施例３】
【００３２】
反応容積２ｍ３、Ｕ字管式熱交換器、ΔＴ＝５℃
実施例１と同様のＵ字管式熱交換器を用いて、反応器に、５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を１２００Ｌ／ｈｒ、アクリロニトリルを１４０Ｌ／ｈｒ、上記調製後の菌体懸濁液を０．９Ｌ／ｈｒで連続的に添加し、反応器内の反応混合物の液量が２ｍ３となるように、反応器出口の抜き出し流量をコントロールした。
Ｕ字管式熱交換器に冷却水（１０％エチレングリコール水溶液）を導入し、熱交換器の入口側及び出口側に設置した温度計により、冷却水の温度を測定した。反応器内の液温（反応温度）が２５℃に保たれるように、冷却水流量をコントロールした。なお、ジャケットには冷却水を流していない。熱交換器の入口及び出口における冷却水の温度は、それぞれ１７℃及び２２℃であった（ΔＴ＝５℃）。アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応を行った。【００３３】
反応開始から１０時間後、反応器から流出してくる反応液（２５℃）を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で分析したところ、アクリロニトリル０．４重量％、アクリルアミド１１．０重量％（ΔＴ／ΔＣ＝２．２）であり、反応器に導入したアクリロニトリルのうちの９５％以上がアクリルアミドに変換された。
【実施例４】
【００３４】
反応容積２ｍ３、２重コイル式熱交換器、ΔＴ＝５℃
実施例２と同様の２重コイル式熱交換器を用いた以外は、実施例３と同様にして、アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応を行った。
反応開始から１０時間後、反応器から流出してくる反応液（２５℃）を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で分析したところ、アクリロニトリル０．６重量％、アクリルアミド１０．７重量％（ΔＣ／ΔＴ＝２．１）であり、反応器に導入したアクリロニトリルのうちの９３％以上がアクリルアミドに変換された。
【比較例３】
【００３５】
外部循環式熱交換器、ΔＴ＝５℃
２重コイル式熱交換器を反応器から取り外し、反応器の外部に反応液の循環路を設け、循環路内に循環ポンプ及び固定管板式熱交換器（伝熱管外径１３．９ｍｍ、長さ２．５ｍ、伝熱管本数５５本、伝熱面積６．０ｍ２）を設置し、反応液を伝熱管内部に流入させ、冷却水を胴側に流した以外は実施例４と同様にして、アクリロニトリルからアクリルアミドへの反応を行った。
反応開始から１０時間後、反応器から流出してくる反応液（２５℃）を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で分析した。反応液の循環により生体触媒が失活したため、アクリロニトリル１．２重量％、アクリルアミド９．９重量％（ΔＣ／ΔＴ＝２．０）であり、反応器に供給したアクリロニトリルのうちの８６％しかアクリルアミドに変換されなかった。
また、反応液を循環させるポンプや配管などの付帯設備費や循環動力コストは、実施例３及び４の場合よりも大幅に増加した。
【比較例４】
【００３６】
反応容積１５Ｌ、ジャケット式熱交換器でのアクリルアミド生成反応
ＳＵＳ製ジャケット付反応器（内径２５ｃｍ、高さ４０ｃｍ、ジャケット伝熱面積２３６０ｃｍ２）
５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を９．０Ｌ／ｈｒ、アクリロニトリルを１．０５Ｌ／ｈｒ、実施例１で作成した菌体懸濁液を５０ｍＭリン酸緩衝液で１００倍希釈した希釈液を２００ｇ／ｈｒで連続的に添加し、反応器内の反応混合物の液量が１５Ｌとなるように、反応器出口の抜き出し流量をコントロールした。
【００３７】
ジャケットに冷却水を流して、反応混合物の温度が２５℃となるようにコントロールした。
ジャケットの入口及び出口における冷却水の温度をそれぞれ１７℃及び２２℃とした（ΔＴ＝５℃）。反応開始から１０時間後、反応器から流出してくる反応液（２５℃）を、ガスクロマトグラフィー及び屈折計で測定したところ、アクリロニトリル０．３重量％、アクリルアミド１１．１重量％（ΔＣ／ΔＴ＝２．２）であり、反応器に供給したアクリロニトリルのうちの９５％以上がアクリルアミドに変換された。
【００３８】
以上の実施例及び比較例における、ΔＴ、温度制御性、及び反応器から取り出した反応液の分析等の結果を、表１に示す。
【００３９】
【表１】
2010038832.tif 000002
【００４０】
表１に示すように、本発明の製造方法である実施例１〜４では、工業スケールである２ｍ３反応において、反応熱の除熱を効率的に行うことができ、アクリロニトリルからアクリルアミドへの変換率も９０％以上を達成することができた。
一方、比較例１及び２では、２ｍ３反応において、反応熱を十分に除熱することができず、アクリロニトリルからアクリルアミドへの変換率も低下した。
比較例３では、２ｍ３スケールの反応において、反応熱を除熱することができたが、反応液の循環により触媒が失活したため、アクリロニトリルからアクリルアミドへの変換率が低下した。また、反応液を外部循環させるための設備コストや循環エネルギーコストが増加し、実施例３及び４の場合に比べて、アクリルアミド製造コストが大幅に増加した。
比較例４では、工業スケールよりかなり小さな１５Ｌスケールの反応であったため、ジャケット式冷却でも反応熱を除熱することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の製造方法は、生体触媒を用いたアクリルアミドの工業的スケールでの製造時において、効率的に反応熱を除熱することができるので、冷却のエネルギーコストを低減させることができ、且つ、アクリロニトリルからアクリルアミドへの変換率を高めることができるため、低コストでかつ高い生産性でアクリルアミドを製造することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：    伝熱管
２：    反応器
３：    仕切り板（仕切り数３，流路数４）
４：    固定用支持板
５：    仕切り室
６：    管板
【図１】
2010038832.tif 000003
【国際調査報告】
2010038832.tif 000004
2010038832.tif 000005
2010038832.tif 000006
2010038832.tif 000007