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Dokumentenidentifikation DE10120555A1 31.10.2002
Titel Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung mit einem Biokataysator
Anmelder Stockhausen GmbH & Co. KG, 47805 Krefeld, DE
Erfinder Petersen, Olaf, Dr., 40667 Meerbusch, DE;
Theis, Burkhard, 47447 Moers, DE;
Colberg, Michael, 47877 Willich, DE
Vertreter Kutzenberger & Wolff, 50668 Köln
DE-Anmeldedatum 26.04.2001
DE-Aktenzeichen 10120555
Offenlegungstag 31.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2002
IPC-Hauptklasse C12P 13/02
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators.

Die Umsetzung von Acrylnitril zu Acrylamid in Gegenwart eines geeigneten Biokatalysators in Wasser ist seit vielen Jahren bekannt und wird beispielsweise in der DE 30 17 005 C2 beschrieben, wobei bei diesem Verfahren der Biokatalysator immobilisiert ist. In der DE 44 80 132 C2 und in der EP 0 188 316 B1 werden spezielle Biokatalysatoren zur Umsetzung von Acrylnitril in Acrylamid beschrieben. Die US 5,334,519 lehrt die Hydratisierung von Acrylnitril zu Acrylamid in der Gegenwart von Biokatalysatoren und Kobalt-Ionen. Alle diese Lehren haben den Nachteil, daß ungewünschte Nebenprodukte entstehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein möglichst umweltfreundliches Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem Nebenprodukte minimiert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators gelöst, bei dem der Biokatalysator innerhalb von ≤ 2 Stunden, vorzugsweise innerhalb von ≤ 1 Stunde, nach Beendigung der Reaktion von der wässrigen Acrylamidlösung abgetrennt wird.

Zum Reaktionsstart werden in dem Reaktor Wasser und der Biokatalysator vorgelegt und auf eine Temperatur von 15 bis 25°C, vorzugsweise 16 bis 20°C, aufgewärmt. Nachdem die Temperatur erreicht ist, wird das Acrylnitril in den Reaktor dosiert und die Umsetzung zu Acrylamid beginnt. Vorzugsweise erfolgt die gesamte Umsetzung isotherm, wobei während der gesamten Umsetzung gekühlt werden muß, um die Reaktionswärme abzuführen. Bezüglich der Kühlung des Reaktionsgemisches wird auf die Parallelanmeldung mit dem internen Aktenzeichen ST0031 verwiesen, die hiermit als Referenz eingeführt wird und somit als Teil der Offenbarung gilt. Die Konzentration der Biomasse beträgt bei Reaktionsbeginn vorzugsweise 0,03-2,5 g/l, besonders bevorzugt 0,05-1 g/l, und der pH-Wert vorzugsweise 6,0-8,0, besonders bevorzugt 6,8-7,5.

Nach Beendigung der Acrylnitrildosierung ist eine Nachreaktion von vorzugsweise 4 bis 20 Minuten, besonders bevorzugt 5 bis 10 Minuten, erforderlich, um das Acrylnitril möglichst vollständig umzusetzen.

Die Reaktion ist im Sinne der Erfindung beendet, wenn der Restgehalt an Acrylnitril in der Acrylamidlösung kleiner 10 ppm, vorzugsweise kleiner 5 ppm ist.

Erfindungsgemäß wird der Biokatalysator nach Beendigung der Reaktion innerhalb von ≤ 2 Stunden, vorzugsweise innerhalb von ≤ 1 Stunde, von der wässrigen Acrylamidlösung abgetrennt.

Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung des Biokatalysators mit einer Röhrenzentrifuge, wie sie beispielsweise von Dr.-Ing. Heinz Hemfort in "Separatoren", Technischwissenschaftliche Dokumentation, beschrieben ist. Die Dokumentation ist bei der Firma GEA Westfalia Separator AG, Werner-Habig-Straße 1, D-59302 Oelde erhältlich und wird hiermit als Referenz eingeführt und gilt somit als Teil der Offenbarung.

Ebenfalls bevorzugt erfolgt die Abtrennung des Biokatalysators mit einer zumindest teilkontinuierlich arbeitenden, selbstentleerenden Zentrifuge. Besonders bevorzugt ist diese Zentrifuge eine Ringspaltzentrifuge, wie sie beispielsweise von Dr.-Ing. Heinz Hemfort in "Separatoren", Technisch-wissenschaftliche Dokumentation, beschrieben ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Klarlauf der Zentrifuge mit einem optischen Mittel überwacht. Dieses optische Mittel ist vorzugsweise eine Lichtschranke, die auf den gewünschten Trübungsgrad des Acrylamids im Klarlauf eingestellt ist. Die Lichtschranke ist in einer Ablaufarmatur der Zentrifuge eingebaut und durchstrahlt die ablaufende wässrige Acrylamidlösung. Die Lichtschranke besteht aus einer Lichtquelle und einem Empfänger. Die Lichtintensität der Lichtquelle wird vorzugsweise so eingestellt, daß der durch die Absorption in der durchleuchteten, wässrigen Acrylamidlösung geschwächte Lichtstrahl gerade noch am Empfänger mit einer Restintensität ankommt, die ausreicht, um dem Empfänger zu signalisieren, daß die Abtrennung des Biokatalysators hinreichend ist. Wird durch beginnende Eintrübung durch den Biokatalysator die Lichtabsorption größer, vermindert sich die Lichtintensität und der Empfänger sendet ein Signal aus, daß die Abtrennung des Biokatalysators nicht mehr ausreichend ist. Dieses Signal wird vorzugsweise zur Steuerung der Zentrifugen eingesetzt. Vorzugsweise werden mit diesem Signal die Entleerungs- oder Reinigungsintervalle der Zentrifugen geregelt.

Vorteilhafterweise wird der Biokatalysator vor der Abtrennung geflockt. Die Flockung kann in dem Reaktor, in dem auch das Acrylnitril zu Acrylamid umgesetzt wird, erfolgen. Vorzugsweise wird die Flockung jedoch in einem separaten Flockungsbehälter durchgeführt. Die Flockung kann mit jedem geeigneten Flockungsmittel durchgeführt werden. Vorteilhafterweise wird die Flockung jedoch mit Aluminiumsulfat und/oder mit einem anionischen Polymer durchgeführt. Geeignete anionische Polymere sind beispielsweise die Produkte Praestol® 2510 oder Praestol® 2530 der Anmelderin.

Vorzugsweise wird die Flockung bei einem pH-Wert von 6,8 bis 8,0, besonders bevorzugt bei einem pH-Wert von 7,0 bis 7,5, durchgeführt.

Nachdem der Biokatalysator, die Biomasse, von der wässrigen Acrylamidlösung befreit worden ist, wird die Acrylamidlösung vorzugsweise auf einen pH-Wert von 4,5 bis 7,0, besonders bevorzugt von 5,5 bis 6,5, eingestellt.

Der Biokatalysator wird in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch zumindest einmaliges, besonders bevorzugt mehrmaliges Waschen und Abtrennen des Waschwassers von Acrylamid zumindest weitgehend befreit. Vorzugsweise erfolgt das Waschen mit vollentsalztem Wasser. Ebenfalls bevorzugt wird der Biokatalysator so oft gewaschen, bis die Acrylamidkonzentration in dem Biokatalysator < 10 ppm, besonders bevorzugt < 5 ppm, beträgt.

Das mit Acrylamid beladene Waschwasser wird in den Prozeß rezykliert und beispielsweise in dem Reaktor vorgelegt. In diesem Wasser wird dann der Biokatalysator suspendiert, bevor die eigentliche Umsetzung des Acrylnitrils zu Acrylamid beginnt.

Nach dem Waschen wird der Biokatalysator vorzugsweise sterilisiert und dann als normaler Biomüll entsorgt. Die Sterilisierung erfolgt vorzugsweise durch kurzzeitiges Erhitzen des Biokatalysators auf Temperaturen > 80°C.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jedem Biokatalysator durchgeführt werden, der die Umsetzung von Acrylnitril zu Acrylamid katalysiert. Vorzugsweise ist der Biokatalysator jedoch ein Rhodococcus rhodochrous, der unter der Hinterlegungsbezeichnung 14230 bei der DSMZ, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Deutschland, hinterlegt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß weniger Nebenprodukte anfallen, daß die Umsetzung des Acrylnitrils zumindest nahezu vollständig erfolgt und daß eine bis zu 50 Gew.-%ige Acrylamidlösung erzielbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und kostengünstig durchzuführen. Der Biokatalysator wird optimal ausgenutzt und kann als Biomüll entsorgt werden. Das Wasser, das zum Waschen des Biokatalysators eingesetzt wird, kann in den Prozeß rezykliert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einer Vorrichtung zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators mit einem Reaktor und einer Röhrenzentrifuge zur Abtrennung des Biokatalysators von der wässrigen Acrylamidlösung durchgeführt. Diese Vorrichtung ist deshalb ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Röhrenzentrifugen sind von Dr.-Ing. Heinz Hemfort in "Separatoren", Technisch-wissenschaftliche Dokumentation, beschrieben.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators mit einem Reaktor und einer selbstentleerenden, zumindest teilkontinuierlich arbeitenden Zentrifuge zur Abtrennung des Biokatalysators von der wässrigen Acrylamidlösung.

Vorzugsweise ist die zumindest teilkontinuierlich arbeitende Zentrifuge eine selbstentleerende Ringspaltzentrifuge oder Ringspalttellerzentrifuge, wie sie beispielsweise von Dr.-Ing. Heinz Hemfort in "Separatoren", Technischwissenschaftliche Dokumentation, beschrieben sind.

Bezüglich der Regelung der Zentrifugen wird auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß weniger Nebenprodukte anfallen, daß die Umsetzung des Acrylnitrils zumindest nahezu vollständig erfolgt und daß eine bis zu 50 Gew.-%ige Acrylamidlösung erzielbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und kostengünstig durchzuführen. Der Biokatalysator wird optimal ausgenutzt und kann als Biomüll entsorgt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand Fig. 1 erläutert. Diese Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.

Fig. 1 zeigt ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Vor dem Beginn der eigentlichen Umsetzung des Acrylnitrils zu Acrylamid wird in den Reaktor 3 vollensalztes Wasser 1 und eine Suspension 2, die den Biokatalysator enthält, vorgelegt. Der Reaktor 3 wird mit einem motorgetriebenen Rührer 16 homogen durchmischt. An der Außenseite des Reaktors 3 sind Kühlschlangen 17, die mit dem Kaltwasserzulauf 5 und dem Kaltwasserrücklauf 4 verbunden sind. Der Fachmann erkennt, daß mit diesen Kühlschlangen auch das Reaktorgemisch vor dem Beginn der eigentlichen Reaktion auf eine bestimmte Temperatur vorgewärmt werden kann.

Des weiteren weist der Reaktor 3 einen Umpumpkreislauf 18 auf, durch den ein Teil des Reaktorinhalts mittels der magnetisch gekuppelten Seitenkanalpumpe 7 im Kreis gefördert wird. In dem Umpumpkreislauf 18 sind drei parallel geschaltete Rohrbündelwärmetauscher 6 angeordnet, mit denen der Reaktorinhalt erwärmt bzw. gekühlt werden kann. Die Wärmetauscher 6 sind ebenfalls mit dem Kaltwasservorlauf bzw. -rücklauf verbunden. Weiterhin weist der Umpumpkreislauf den Bypass 15 auf, mit dem die Wärmetauscher 6 umfahren werden können. Die entsprechenden Ventile sind nicht dargestellt. In dem Umpumpkreislauf ist außerdem das Fourier-Transformations-Infrarot-Gerät (FT-IR Gerät) 9 zur Online-Messung der Acrylnitril- und der Acrylamidkonzentration in dem Umlaufstrom und damit in dem Reaktor vorgesehen. Der Probenstrom wird dem Umpumpkreislauf 18 entnommen und mit der Kolben-Membranpumpe 8 in das FT-IR Gerät 9 gefördert und dort analysiert. Die Analysedaten werden zur Steuerung des Verfahrens herangezogen. Kurz bevor der Umpumpkreislauf wieder in den Reaktor eintritt, wird ihm das umzusetzende Acrylnitril mit der Membrandosierpumpe 11 aus der Acrylnitrilvorlage 10 zudosiert. Die Acrylnitrilvorlage 10 und der Reaktor 3 sind über eine Pendelleitung 19 gasseitig miteinander verbunden. Die Leitung 19 wird vor dem Dosierungsbeginn des Acrylnitrils in den Reaktor geöffnet und nach Beendigung der Dosierung wieder geschlossen. Nach Beendigung der Dosierung des Acrylnitrils ist eine Nachreaktionszeit von 5-20 Minuten erforderlich, um das Acrylnitril zumindest nahezu vollständig umzusetzen. Die Reaktion gilt als abgeschlossen, wenn Acrylamidkonzentration in dem Biokatalysator < 10 ppm beträgt.

Nach Abschluß der Reaktion wird Suspension in einen separaten Behälter (nicht dargestellt) gepumpt und der Biokatalysator bei einem pH-Wert von 7,0 bis 7,5 mit Aluminiumsulfat geflockt. Danach wird der Biokatalysator in einer teilkontinuierlich arbeitenden, selbstentleerenden Ringspaltzentrifuge 12 der Firma GEA Westfalia Separator AG, Werner-Habig-Straße 1, D-59302, F. R. Germany von dem Acrylamid abgetrennt, wobei die Abtrennung spätestens eine Stunde nach Beendigung der Reaktion abgeschlossen ist. Die Ringspaltzentrifuge wird mit dem Signal einer Lichtschranke (nicht dargestellt), die sich in der Leitung 20 befindet, geregelt. Insbesondere wird mit dem Signal der Lichtschranke die teilkontinuierliche Entleerung der Zentrifuge geregelt. Das wässrige Acrylamid wird in der Vorlage 13 aufgefangen und auf einen pH-Wert von 5,5 bis 6,5 eingestellt. Der Biokatalysator wird in der Vorlage 14 aufgefangen und danach mehrmals mit vollentsalztem Wasser gewaschen und entwässert, um den Biokatalysator von Acrylamid zu befreien. Das Waschwasser wird über die Leitung 1 wieder in den Prozeß rezykliert. Der gewaschene Biokatalysator wird mit Dampf sterilisiert und als Biomüll entsorgt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator innerhalb von 2 Stunden, vorzugsweise innerhalb von 1 Stunde, nach Beendigung der Reaktion von der wässrigen Acrylamidlösung abgetrennt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator mit einer Röhrenzentrifuge abgetrennt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator mit einer zumindest teilkontinuierlich arbeitenden, selbstentleerenden Zentrifuge abgetrennt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge eine Ringspaltzentrifuge ist.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Klarlauf der Zentrifuge vorzugsweise mit einem optischen Mittel, besonders bevorzugt mit einer Lichtschranke, überwacht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung zur Steuerung der Zentrifugen eingesetzt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator vor der Abtrennung geflockt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Flockungsmittel Aluminiumsulfat verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Flockungsmittel ein anionisches Polymer verwendet wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flockung bei einem pH-Wert von 6,8 bis 8,0, vorzugsweise von 7,0 bis 7,5, durchgeführt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von Biokatalysator befreite Acrylamidlösung auf einen pH-Wert von 4,5 bis 7,0, vorzugsweise 5,5 bis 6,5, eingestellt wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetrennte Biokatalysator durch zumindest einmaliges, vorzugsweise mehrmaliges Waschen und Abtrennen von Acrylamid befreit wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschen mit vollentsalztem Wasser erfolgt.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Acrylamidkonzentration in dem Biokatalysator < 10 ppm, vorzugsweise < 5 ppm, beträgt.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschwasser in den Prozeß rezykliert wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Biokatalysator nach dem Waschen sterilisiert wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Biokatalysator Rhodococcus rhodochrous ist, der unter der Hinterlegungsbezeichnung 14230 bei der DSMZ, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Deutschland, hinterlegt ist.
  18. 18. Vorrichtung zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators mit einem Reaktor und einer Röhrenzentrifuge zur Abtrennung des Biokatalysators von der wässrigen Acrylamidlösung.
  19. 19. Vorrichtung zur Herstellung einer wässrigen Acrylamidlösung durch Hydratisierung von Acrylnitril in einer wässrigen Lösung in Gegenwart eines Biokatalysators mit einem Reaktor und einer selbstentleerenden, zumindest teilkontinuierlich arbeitenden Zentrifuge zur Abtrennung des Biokatalysators von der wässrigen Acrylamidlösung.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge eine Ringspaltzentrifuge ist.
  21. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Klarlauf der Zentrifuge mit einem optischen Mittel überwacht wird.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal zur Steuerung der Zentrifuge herangezogen wird.






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