(57)【要約】      （修正有）【課題】プラグフロー性の流域を有する反応器を用いて、ニトリル化合物を高転化率で水和し、高濃度アミド化合物水溶液を連続的に製造する方法に於いて、安価で簡便にスケールアップ可能な反応プロセスの提供。【解決手段】ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体又はその菌体処理物を水性媒体中でニトリル化合物と接触させた後、得られたアミド化合物を含む反応液を、除熱設備を持たず、かつプラグフロー性の流域を有する反応器を用いてさらに反応させ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微生物菌体又はその菌体処理物を、第一の反応器において水性媒体中でニトリル化合物と接触させた後、得られたアミド化合物を含む反応液を、除熱設備を持たず、かつプラグフロー性の流域を有する第二の反応器を用いてさらに反応させることを特徴とするアミド化合物の製造方法。
【請求項２】
プラグフロー性の流域を有する反応器を用いてさらに反応させるアミド化合物の製造方法において、前段の反応器におけるニトリル化合物の転化率を制御し、当該反応器での温度上昇を抑制することを特徴とするアミド化合物の製造方法。
【請求項３】
第一の反応器においてニトリル化合物の転化率を60％〜99.5％に制御する請求項１または２記載のアミド化合物の製造方法。
【請求項４】
第一の反応器においてニトリル化合物の転化率を９０％〜９６％に制御する請求項３記載のアミド化合物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアミド化合物の製造方法に関するものであり、より詳しくは、プラグフロー性の流域を有する反応器を用いて、ニトリル化合物を高転化率で水和し、高濃度アミド化合物水溶液を連続的に製造する方法に於いて、安価で簡便にスケールアップ可能な反応プロセスの提供を課題とする。
【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、特にアクリルアミドは、古くからラネー銅等の金属銅触媒、あるいは近年ではニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体およびその菌体処理物等の水和触媒により、アクリロニトリルを原料として製造されることが知られている。
特にニトリルヒドラターゼを利用して水とアクリロニトリルを反応させ、アクリルアミドを製造する方法は、ラネー銅等の金属銅触媒を用いたプロセスに比べ、反応条件が穏和であること、高純度の製品が得られること、製造プロセスを簡略化できること等の利点が挙げられる。
【０００３】
上記製造方法の一例として、特開2001-340091号公報（特許文献１）にはニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体又はその菌体処理物を水性媒体中でニトリル化合物と接触させた後、得られたアミド化合物を含む反応液を、二重管形式やシェル＆チューブなどの管型反応器を用いてさらに反応させることで、ニトリル化合物を高い転化率で水和して高濃度アミド化合物水溶液を連続的に得られる旨が記載されている。
前述した菌体触媒は耐熱性が低く、水とアクリロニトリルの水和で生じる反応熱を除去しなければ、触媒活性が低下してしまうことが知られている。したがって、特許文献２に記載されているように、菌体触媒存在下で水とアクリロニトリルを接触させる場合、熱交換器などの除熱設備を有する反応器が一般的に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３４００９１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１０／０３８８３２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】
以上のように微生物菌体を用いて水とニトリル化合物との反応によりアミド化合物を製造する方法において、プラグフロー性の流域を有する管型反応器を用いて転化率を向上させる技術が提案されている。しかしながら、コストダウンやスケールアップが容易な製造設備がさらに求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは前記課題につき検討し、除熱設備を有しないプラグフロー性反応器を用いることで工業的運転のコストダウンやスケールアップを実現できることを見出して本発明を完成させた。すなわち本発明は、ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体又はその菌体処理物を水性媒体中でニトリル化合物と接触させた後、得られたアミド化合物を含む反応液を、除熱設備を有しない、かつプラグフロー性の流域を有する反応器を用いてさらに反応させることを特徴とするアミド化合物の製造方法である。
【０００７】
さらに一方で、本発明者らは反応熱により微生物菌体が失活するという金属触媒にはない問題点を解決すべく、鋭意検討の結果、上記除熱設備を有しないプラグフロー性の流域を有する第2の反応器を用いてさらに反応させるアミド化合物の製造方法において、前段の第１の反応器におけるニトリル化合物の転化率を制御し、当該第2の反応器での温度上昇を抑制することが好ましいことを見出して本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明は、
ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体又はその菌体処理物を、第一の反応器において水性媒体中でニトリル化合物と接触させた後、得られたアミド化合物を含む反応液を、除熱設備を持たず、かつプラグフロー性の流域を有する第二の反応器を用いてさらに反応させることを特徴とするアミド化合物の製造方法である。
【０００９】
本発明の好ましい形態は、第一の反応器にて、アミド化合物への転化率を通常６０％〜９９．５％、好ましくは８０〜９８％、より好ましくは９０％〜９６％とする上記製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明で重要な点は、除熱設備を有さない安価で簡便なプラグフロー反応器を用い経済的に有利な製造を可能にすることであり、第2に、プラグフロー反応器において反応熱を除熱せずとも、発熱による触媒の失活を抑制できる点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明にいうニトリルヒドラターゼとは、ニトリル化合物を水和し、対応するアミド化合物を生成する能力をもつ酵素をいう。ここで、ニトリルヒドラターゼを含有する微生物としては、ニトリル化合物を水和して対応するアミド化合物を生成する能力を有するニトリルヒドラターゼを産生し、かつ３０重量％のアクリルアミド水溶液中でニトリルヒドラターゼの活性を保持している微生物であれば、特に制限されるものではない。具体的には、ノカルディア(Nocardia)属、コリネバクテリウ(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)属に属する微生物を好適な例として挙げることができる。
【００１２】
また、該微生物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発現させた形質転換体も本発明でいう微生物に含まれる。なお、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のものではなく、枯草菌(Bacillus subtilis)等のバチルス属菌、酵母や放線菌等の他の微生物菌株も含まれる。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に受託番号ＦＥＲＭ ＢＰ−５７８５として、特許手続き上の微生物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。また、組換えＤＮＡ技術を用いて該酵素の構成アミノ酸の１個または２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、アクリルアミド耐性やアクリロニトリル耐性、温度耐性をさら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も、本発明でいう微生物に含まれる。
【００１３】
上記したような微生物を用い、アミド化合物を製造するに際しては通常、該微生物の菌体あるいは菌体処理物を用いる。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を利用して調製すればよい。例えば、ＬＢ培地やＭ９培地等の通常液体培地に該微生物を植菌した後、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℃以上でもよい）で生育させ、続いて、該微生物を遠心分離によって培養液より分離、回収して得る方法が挙げられる。
【００１４】
また、本発明における微生物の菌体処理物は、上記微生物菌体の抽出物や磨砕物、該抽出物や磨砕物のニトリルヒドラターゼ活性画分を分離精製して得られる後分離物、該微生物菌体や該菌体の抽出物、磨砕物、後分離物を適当な担体を用いて固定化した固定化物等を指し、これらはニトリルヒドラターゼの活性を有している限りは本発明の菌体処理物に相当するものである。これらは、単一の種類を用いてもよいし、２種類以上の異なる形態のものを同時あるいは交互に用いてもよい。
【００１５】
本発明において、ニトリル化合物の種類については特に限定されるものではなく、具体的には炭素数が２〜２０程度のニトリル化合物であり、広い範囲のニトリル、たとえば脂肪族ニトリル、芳香族ニトリルなどが含まれる。脂肪族ニトリルとしては、炭素数２〜６の飽和または不飽和ニトリル、たとえば、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、バレルニトリル、イソバレロニトリル、カプロニトリルなどの脂肪族飽和モノニトリル類；マロノニトリル、サクシノニトリル、アジポニトリルなどの脂肪族飽和ジニトリル類；アクリロニトリル、メタアクリロニトリル、クロトンニトリルなどの脂肪族不飽和ニトリルなどが挙げられる。芳香族ニトリルとしては、ベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−，およびｐ−クロロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−，およびｐ−フルオロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−，およびｐ−ニトロベンゾニトリル、ｏ−，ｍ−，およびｐ−トルニトリル、ベンジルシアナイド等が挙げられる。中でもアクリロニトリル、メタクリロニトリル、およびクロトンニトリル等が好適な例として挙げられ、アクリロニトリルがとりわけ好ましい。
【００１６】
また、本発明における水性媒体とは、水、またはリン酸塩等の緩衝剤、硫酸塩や炭酸塩等の無機塩、アルカリ金属の水酸化物、もしくはアミド化合物等を適当な濃度で溶解させた水溶液をいう。
【００１７】
本発明において、ニトリルヒドラターゼを含有する微生物菌体、あるいはその微生物菌体の処理物を用いて、ニトリル化合物からアミド化合物を得る場合の反応形式は、２基以上の反応器が用いられ、第一の反応器に、微生物の菌体もしくは菌体処理物、ニトリル化合物および水性媒体が供給される。この際の反応形としては、特に限定するものではなく、例えば懸濁床として行ってもよいし、固定床であってもよいが、通常は、反応熱の除熱の容易さから、攪拌機を備えた槽形反応器での懸濁床がより好ましく用いられる。
【００１８】
本発明において、第一の反応器に供給するニトリル化合物の濃度は、反応開始時において該ニトリル化合物の飽和濃度以上の濃度である。その濃度の上限は特に制限されるものではないが、あまりに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の触媒量および過大な容積をもつ反応器、および除熱のための過大な熱交換器等が必要となり、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濃度としては、それが全て対応するアミド化合物に転化したときにその理論的な生成液濃度が、アクリルアミドの場合は４０〜８０重量％の範囲となるように、より具体的には水１重量部に対しアクリロニトリル０．４〜１．５重量部として供給することが好ましい。
【００１９】
本発明における第二の反応器は除熱設備を有さない管型または塔型反応器であり、内液がプラグフロー性を有するものであれば形態は問わない。ここで、除熱設備とは外部熱交換機やジャケットなど、反応熱を除去する機能を有する設備を指す。プラグフロー性を有していればアップフローやダウンフローなど液フィードの方式は問わない。また、プラグフロー性を持たせる目的で、多孔板や充填物を備えたものでも構わない。
【００２０】
上記したように設備上の制約が少ないため、充填または棚段型の蒸留塔や精製塔などをプラグフロー性反応器として転用することも可能である。  除熱設備を有さない反応器は１基に限られるものではなく、触媒の失活が許容できる範囲で温度を管理できるならば、複数の反応器が直列または並列に並べられた形式であっても構わない。
【００２１】
本発明において好適に用いられるアクリルニトリルと水の水和反応は発熱反応であるため、除熱設備を有さない第二の反応器を用いる本発明においては、温度上昇が大きくなり触媒の活性低下を招くことがある。このため前段（第一の反応器）にて、アクリルニトリルからアクリルアミドへの転化率を一定範囲に制御することにより、第二の反応器にフィードされるアクリルニトリルの量を抑え反応液温を制御することが好ましい。第一の反応器におけるアクリルアミドへの転化率は具体的に６０％〜９９．５％、好ましくは８０〜９８％、より好ましくは９０％〜９６％である。
【００２２】
第一の反応器にてアクリルニトリルからアクリルアミドへの転化率と反応液温を制御する方法について述べる。
【００２３】
アクリルアミドへの転化率の制御は、反応器へ添加される触媒のフィード量を調節することで達成される。触媒の使用量については、反応条件や触媒の種類、およびその形態により変化するが、通常は該微生物乾燥菌体重量換算で、反応液に対し、１０〜５００００重量ppm、好ましくは５０〜３００００重量ppmである。反応液温は反応熱による温度上昇を考慮し、晶出しない範囲で限りなく低い温度が望ましく、具体的には１０℃〜２５℃、好ましくは１５℃から１８℃の範囲で運転可能なように触媒の供給量を調節する。除熱設備を有する反応器における反応時間は全体の反応時間の２０〜９９％、好ましくは５０〜９７％であり、より好ましくは６０〜９０％である。
【００２４】
除熱設備を有さない反応器内での液温は触媒の失活を抑制する為に、１５℃〜３５℃、好ましくは１８℃〜２５℃とするのが望ましい。除熱設備を有さない反応器の反応時間は、全体の反応時間の１〜８０％、好ましくは３〜５０％であり、より好ましくは１０〜４０％である。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって何等限定されるものではない。
【００２６】
特開２００１−３４００９１記載の方法で培養し、得られた湿菌体２重量部を０．３ｍＭ-ＮａＯＨ水溶液９８重量部に懸濁し、この懸濁液とアクリロニトリル（ＡＮ）を各々６２ｇ／ｈ、３８ｇ／ｈで、第１反応器として予め７００ｇの水を仕込んだ１Ｌガラス製フラスコで攪拌を行いながら連続的にフィードし、液面レベルを一定に保つように１００ｇ／ｈづつ反応液を連続的に抜き出した。第１反応器の平均滞留時間は７．０時間とした。その液を第２反応器として内径５ｍｍのテフロン（登録商標）製チューブ１８ｍに連続的にフィードした。第二反応器の平均滞留時間は３．５時間とした。第１反応器温度は、いずれも約１０〜２０℃の水浴中に浸漬し、内部の液温が１５℃になるように制御した。第二反応器は水浴による除熱を行わず、液温の測定を実施した。反応開始から２００時間後にＨＰＬＣ分析により、第一反応器出口と第２反応器出口での反応液の分析を行った。第一反応器出口からは３００００重量ｐｐｍのアクリロニトリルが検出された。第二反応器出口の反応液温は22℃で、アクリルアミドのみが存在（濃度＝５０重量％）しており、アクリロニトリルは検出限界（１００重量ｐｐｍ）以下であった。
［参考例］
【００２７】
第１反応器内部の液量を５０ｇに変更し、平均滞留時間を０．５ｈとした以外は、実施例と同様に操作した。反応開始から２００時間後にＨＰＬＣ分析により、第一反応器出口と第２反応器出口での反応液の分析を行った。第一反応器出口からは１８０，０００重量ｐｐｍのアクリロニトリルが検出された。第二反応器出口の反応液温は38℃で、アクリロニトリルは１７６，０００重量ｐｐｍ検出され、液温の上昇により触媒の活性が低下し、第二反応器での反応が殆ど進んでいないことが確認された。
【００２８】
【表１】
2013162746.tif 000002
【００２９】
本発明によれば反応工程における除熱設備を最小限に抑え、かつ安価で簡便な反応器を用いることにより高濃度アクリルアミド水溶液を製造することが可能であり、本発明の方法は、工業的なアミド化合物の製法として好適に用いることができる。