小议丙烯酰胺单体制备的工艺

2023-03-01

丙烯酰胺是一种白色晶体化学物质, 也是一种不饱和酰胺, 在工业上是生产聚丙烯酰胺的原料。聚丙烯酰胺是一类用途非常广泛的聚合物, 具有优良的水溶性。通常作为纤维改性剂, 增强剂, 增稠剂等, 在造纸、纺织、建筑、石油化工、水污染处理等许多领域。随着经济的发展, 众多领域对聚丙烯酰胺的需求每年都在增加, 这就要求聚丙烯酰胺行业提高产能、降低成本, 未来还会有更大的发展空间。

为了提高聚丙烯酰胺的产量, 就需要聚合物单体丙烯酰胺的产量跟上, 就需要选择合适的生产方法。目前通常的生产方法是水合法, 即在生物酶催化剂催化下丙烯腈和水进行水合反应。根据20世纪丙烯酰胺生产工艺经历了不同的发展阶段。由原来的硫酸催化水合法发展到铜系催化剂催化水合法, 再进一步发展到微生物催化水合法制备[1]。

一、生物酶催化水合

此水合法一生物酶作为催化剂, 降低丙烯腈和水反应的活化能, 微生物生物酶具有较高的生物活性, 催化选择性更高。具有环境友好、成本低、催化活性高、反应条件温和等诸多优势。生物酶催化剂的选择性很高, 产物单一。反应方程式可表示为:

二、固定发酵液

总所周知, 生物酶催化剂是经过发酵程序制备的, 通常状态为液态。由于反应原料也是液态, 为了丙烯腈和水反应后容易分离, 需要一种多相催化环境。因此, 需要将生物酶催化剂制成固定状态, 可以把生物酶包裹起来, 变为固定相。固定化后既有较高的反应选择性, 又容易和反应相分离。提高产品质量, 循环利用催化剂, 降低成本[2]。通过比较不同的包埋方法, 分析几种不同方法的优缺点。

1. 聚丙酰胺法

搅拌状态下将已有发酵液、交联剂1.0%、丙烯酰胺10.0%和催化剂0.030%按顺序逐次均匀混合, 然后再加入0.30%的引发剂 (NH4) 2S2O4, 室温静置过夜, 制成薄片, 切成边长为3mm的立方体, 去离子水洗涤三次后既得产品。

2. 海藻酸钙法

搅拌状态下将已有发酵液与3.0% (w/v) 的海藻酸钠均匀混合, 然后加入到氯化钙溶液中, 静置过夜固化, 去离子水洗涤三次后既得产品[3]。

3. 卡拉胶法

搅拌状态下将已有发酵液与4.0%的卡拉胶均匀混合, 然后加入到氯化钙溶液中, 静置过夜固化, 去离子水洗涤三次后既得产品。

4. 海藻酸钡法

搅拌状态下将已有发酵液与4.0%的海藻酸钠均匀混合, 然后加入到氯化钙溶液中, 静置过夜固化, 去离子水洗涤三次后既得产品。

对于不同方法得到的固定化生物酶催化剂, 加入相同量的反应物, 设置相同的反应条件, 在反应器中进行反应。每次反应结束后都需要回收催化剂和产物, 进行不同次数的套用, 并计算产物产率。实验结果见表1:

结论

通过对比不同方法制备催化剂的结果可知, 海藻酸钡和海藻酸钙法制备的催化剂活性较好, 而且机械强度也较高。其中, 由于海藻酸钡的成本较高, 因此工业上主要用海藻酸钙法固定生物酶催化剂。而聚丙烯酰胺法和卡拉胶法的催化活性相对较低, 不适合工业化应用。

海藻酸钙法所用的海藻酸钠是从马尾藻、海带等藻类植物中提取的物质, 是一种非常重要的海洋资源, 来源广泛, 成本较低。通过使用海藻酸钙法制备生物酶催化剂已逐渐成熟, 成本低, 活性高, 完全能够满足工业化需要, 适合大规模推广。

摘要：在丙烯酰胺的工业化生产过程中, 通常的生产方法是水合法, 即丙烯腈和水进行水合。此水合法以生物酶作为催化剂, 可以显著降低丙烯腈和水反应的活化能, 微生物生物酶具有较高的生物活性, 催化选择性更高。具有环境友好、成本低、催化活性高、反应条件温和等诸多优势。为了丙烯腈和水反应后容易分离, 需要一种多相催化环境。因此, 需要将生物酶催化剂制成固定状态, 可以把生物酶包裹起来, 变为固定相。通过对不同方法制备的生物酶催化剂进行实验比较, 发现使用海藻酸钙法制备生物酶催化剂成本低, 活性高, 而且机械强度高, 能够满足工业化需要。

关键词：丙烯酰胺,催化,微生物