PH值值在微生物丙烯酰胺、聚丙烯酰胺生产中的影响及其控制

pH值在微生物法丙烯酰胺、聚丙烯酰胺生产中的影响及其控制常惠联常万叶（张家口麦尔生化有限公司，河北张家口076250）摘要：论述了pH值在微生物法丙烯酰胺、聚丙烯酰胺生产中的影响及其控制。关键词：pH值微生物法丙烯酰胺聚丙烯酰胺控制pHvalueinthemicrobiologicalmethodofacrylamide,polyacrylamideanditscontroloftheproductionChangHuilianChangWanye(ZhangjiakouMaierBiochemicalCo.,Ltd.,HebeiZhangjiakou076250)Abstract:ThepaperdiscussesthepHvalueinthemicrobiologicalmethodofacrylamide,polyacrylamideproductionanditscontrol.Keywords:pH，microbiology，Acrylamide，Polyacrylamide，control.丙烯酰胺是一种用途广泛的重要精细有机化工原料。工业上直接使用丙烯酰胺的厂家不多,大多用来生产丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物,其中以聚丙烯酰胺数量最大、用途最广。聚丙烯酰胺作为增稠剂、絮凝剂、增强剂等,广泛应用于石油、造纸、采矿、洗煤、冶金、环保、建材、涂料、食品等领域。丙烯酰胺于1893年由Moureu用丙烯酰氯与氨在低温下制成。世界上工业化生产丙烯酰胺都是以丙烯腈为原料,进行催化水合。1954年美国氰胺公司首先开发了硫酸水解法生产丙烯酰胺技术。70年代中期,铜系催化剂问世,它相对于硫酸水合法，工艺得到了巨大改进，环境污染减小，转化率提高，副产物减少、但反应条件需要在高温下进行．由于铜催化剂的在丙烯酰胺反应液中残留有铜离子，使生产的丙烯酰胺难以合成超高分子量的聚丙烯酰胺。1985年,日本日东公司利用日本京都大学山田研究室的成果,首先建成了世界上第一个微生物法生产丙烯酰胺的工业装置,使丙烯酰胺工业化生产技术更加先进。我国从1984年开始进行微生物法生产丙烯酰胺的研究工作,主要研究单位有上海农药研究所(即原化工部上海生物化学工程研究中心)、中国科学院微生物研究所、上海交通大学、北京石油化工研究院。微生物法与铜催化法相比较,有很多优点:(1)反应在常温、常压下进行,降低了能耗,操作简单、安全;(2)丙烯腈转化率达99.9%,省去了丙烯腈真空闪蒸回收工序和铜分离工序;(3)反应产物丙烯酰胺浓度为33%～35%,省去了蒸发浓缩工序;(4)产品中不含铜离子,产品纯度高,特别适合于生产“三次采油”用超高分子量聚丙烯酰胺[1](分子量≥2300万)。在微生物法丙烯酰胺、聚丙烯酰胺生产工艺中pH值一系列的控制，包括菌体的培养pH值、腈水台酶水合反应pH值、丙烯酰胺精制pH值、丙烯酰胺聚合pH值的控制是技术关键。张家口麦尔生化有限公司目前在5吨的发酵罐中的腈水合酶平均酶活性为3300万μg／h.mL菌液，是目前工业发酵罐报道最高的酶活性，聚丙烯酰胺产品（阴离子型）分子量可达3200万。1.pH对发酵的影响发酵培养基的pH值，对微生物生长繁殖和代谢产物有明显影响，其主要原因如下：（1）发酵液的pH值的改变，影响了微生物细胞原生质膜的电荷发生改变。原生质膜具有胶体性质，在一定pH值的原生质膜可以带正电荷，而另一pH值中带负电荷这种电荷的改变同时就会引起原生质膜对个别离子渗透性的改变，从而影响微生物对培养基中营养物质吸收及代谢产物的泄露，从而影响新陈代谢的正常进行。（2）发酵液的pH值直接影响酶的活性因为不同的酶要求在不同的pH值下才能发挥最大的活性。因此，在不适宜的pH值下，微生物细胞中某些酶的活性受到抑制，从而影响微生物的生长繁殖和新陈代谢。（3）发酵液的pH值影响培养基某些重要的营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。微生物的生命活动是和水分不开的，构成微生物的各种物质大多在一边解离，但又一边保持一定的平衡。但水的解离又和氢离子有关，所以氢离子的浓度对这些物质的解离影响很大，从而影响着微生物的营养吸收、酶的活性，影响其分解和合成代谢，因此，pH值的改变，往往引起微生物的代谢过程的改变，从而使代谢产物的质量和比例发生改变。由于pH的高低对菌体生长和产物的合成能产生上述明显的影响，所以在工业发酵中，维持所需最适pH已成为发酵生产成败的关键因素之一。1.1pH的变化在发酵过程中pH值变化决定与微生物种类、基础培养基的组成和培养条件。在菌体代谢过程中，自身有造成生长最适pH值的能力，但外界条件发生较大变化时，pH值将会不断波动。已知发酵液的pH变化乃是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果。在发酵过程中，要选择好发酵培养基的成分及其配比，并控制好发酵工艺条件，才能保证pH不会产生明显的波动，维持在最佳的范围内，得到良好的结果。1.2发酵pH的确定和控制1.2.1发酵pH的确定微生物生长的pH范围很广，大多数在pH5～9之间，与温度对微生物的影响相似，微生物活动的pH范围也存在最高、最适、最低三基点，其对微生物的影响主要是影响微生物活动环境的离子强度、细胞膜的透性及膜上的带电性和氧化-还原电位、酶活性。但发酵的pH值又随菌种和产品不同而不同。由于发酵是多酶复合反应系统，各酶的最适pH也不相同，因此，同一菌种，生长最适pH可能和产物合成的最适pH是不一样的。因此，应该按发酵过程的不同阶段分别控制不同pH范围，使产物的产量达到最大。合适pH是根据实验结果来确定的。将发酵培养基调节成不同的出发pH，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基以维持之。到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH。以同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。另外，在确定合适发酵pH时，还要考虑培养温度的影响，若温度提高或降低，合适pH也可能发生变动。1.2.2pH的调节和控制一般说来，培养基中的碳/氮值（C/N值）高则发酵液倾向于酸性，反之则倾向于碱性或中性。发酵液的pH值是发酵现象的综合指标。如果培养基中糖和脂肪被利用，培养基的pH值便会随其氧化的程度而波动。在通气充足时，糖和脂肪得到完全氧化，产物为二氧化碳和水；在通气不充足时，糖和脂肪的氧化不完全产生有机酸类的中间产物，这些都使培养基的pH值下降，其差别仅是下降程度不同。如果无机氮源被同化，则培养基pH值也会随其种类而变化。属于生理酸性盐（被微生物利用后生酸的盐）的铵盐利用后，使pH值下降；属于生理碱性盐的硝酸盐（或有机酸盐）被利用后，使其pH值上升。如果有机氮源被利用，则培养液的pH值随酶作用的情况不同也有不同的结果。在发酵的前期，调节pH值，应有利于菌体生长，发酵的中、后期，调节pH值，应是与产物合成有关的酶活性最大时的最适pH值。总之，pH值变化的情况决定于菌体的特性，培养基的组成和工艺条件。菌种不同，所含酶系其活性不同，培养基中糖、氮的种类和配比不同，以及通风、搅拌强度、调节pH值方法等不同，pH值的变化也就不同。但是；在这些条件一定时，在正常发酵情况下其pH值的变化具有一定的规律性，因此，应该根据具体情况调节控制pH值。在实际生产中，调节pH值的方法应根据具体情况加以选用。如调节培养基的原始pH值或加入缓冲剂（如磷酸盐）制成缓冲能力强、pH值改变不大的培养基（注意灭菌对pH下降的影响），或使盐类和碳源的配比平衡，则不必加缓冲剂。也可在发酵过程中加弱酸或弱碱进行调节pH值，合理地控制发酵条件，尤其是调节通气量来控制pH值。此外，补料也是一个较好的调节pH值的方法，既调节培养液的pH值，有利于灭菌，又可补充营养，增加培养基的浓度和减少阻遏作用，进一步提高发酵产物的产率。pH是菌体代谢变化的综合反应，也是确定补料速率的依据，把两者紧密结合起来可实现高产的目的。1.3微生物法丙烯酰胺腈水合酶的生产采用微生物法生产丙烯酰胺,腈水合酶的工业发酵效果是决定生产过程是否稳定的关键因素之一,因此掌握腈水合酶的工业发酵技术是实现微生物法丙烯酰胺生产高产高质的根本保证。我公司采用原化工部上海生物化学工程研究中心(即上海农药研究所)菌种SP-163菌种，工业生产研究发现：发酵生产过程中pH值对腈水合酶的活性有特别重要影响。当菌体pH值处于7.0左右,腈水合酶的活性与pH值在5.5以下时相比会成倍地提高。腈水合酶生产菌体发酵开始配制培养基时的pH值控制在7.5,经杀毒、灭菌后的pH值在8.8,随着菌体迅速生长对葡萄糖的利用,菌体通过代谢活动将消耗的葡萄糖转化为细胞组分和代谢所需能量,同时产生大量丙酮酸等有机酸,使得培养基的pH值迅速下降,通过对发酵过程pH值的生产研究发现,一般发酵培养基的pH值在培养周期内会降到5.4左右,以后随着葡萄糖逐渐耗尽,菌体出于自身代谢的需要会将一部分有机酸分解利用,此外老化自溶的菌体的pH值会保持稳定或略有升高,如下表一、图所示。表一时间与pH值、生物量、酶活性时间生物量pH值酶活性×103万单位008.801027.501667.0022106.70.63128116.61.07434115.81.62540115.82.15446125.72.97252126.03.542pH值与时间、生物量、酶活性024681012140204060时间酶活性、pH值生物量pH值酶活性×103万单位2pH对丙烯腈催化水合反应的影响微生物法生产丙烯酰胺，是丙烯腈和水在生物催化剂—腈水合酶的催化作用下，生成丙烯酰胺。工业生产中，水和生物催化剂按一定的比例加入催化反应釜，控制反应温度，开始流加丙烯腈，中间控制丙烯腈在反应液中的浓度＜1%,达到最终丙烯酰胺浓度36%、丙烯腈残留0.05%时停止反应,开始放料。催化反应的pH范围也存在最高、最适、最低三基点。生产实践表明：催化反应的pH值最高为8.0、最适为7.2、最低为6.5。当反应的pH值＞8或pH值＜6.5时，会使生物催化剂—腈水合酶中毒（或称酶失活），从而减缓或终止反应，影响正常生产。由于丙烯腈催化反应过程中，会生成微量丙烯酸0～0.02%，降低反应的pH值，实际反应的pH值控制在7.5。因此，在催化反应开始时，对反应体系用5%NaOH溶液进行调节pH值在7.5，保证整个催化反应过程能顺利进行。3pH对丙烯酰胺精制的影响我国催化法生产的丙烯酰胺水溶液，其杂质来源有三个途径：一是从原料丙烯腈带来的杂质，如丙酮、丙烯醛、乙腈、过氧化物、阻聚剂等；二是催化水合反应时催化剂带来的杂质，如化学法生产带来了铜离子，微生物生产带来了蛋白质、氨基氮、海藻胶和无机盐等；三是催化水合反应时新生成的杂质，如丙烯酸、乙酰胺等腈类水合反应产物。在丙烯酰胺溶液中杂质超过一定的量，则不能得到质量稳定且合格的聚丙烯酰胺。丙烯腈中的杂质首先影响催化反应。特别是微生物催化法，它还能使微生物催化剂中毒，给生产带来很大影响。丙烯腈中的杂质有的还能进行水合反应，生成副产物。丙烯腈中的杂质其次影响聚合产品质量，不同的丙烯腈生产厂在催化水合和聚合工艺不变的情况下，生产出的聚丙烯酰胺质量有很大的差别，分子量相差200－300万，且溶解性相差很大。质量好的丙烯腈产出的聚丙烯酰胺分子量高且溶解性好。无论生产丙烯酰胺晶体或生产高质量的聚丙烯酰胺,除去丙烯酰胺溶液中的杂质是必须的，即对丙烯酰胺溶液进行精制[2]。3.1丙烯酰胺水溶液精制工艺丙烯酰胺溶液阳离子树脂交换柱阴离子树脂交换柱混柱精制液聚合反应釜3.2丙烯酰胺水溶液精制pH的控制离子交换树脂的种类对丙烯酰胺中杂质有很大的影响：大孔树脂较凝胶型树脂效果好，大孔强碱树脂较大孔弱碱树脂效果好，大孔强酸性树脂较大孔弱酸性树脂效果好。阳柱中加强碱型D001阴离子树脂,阴柱中加强碱型D201阴离子树脂。3.2.1阳离子树脂交换柱pH的控制阳柱中选用强酸型D001阳离子树脂，树脂装料系数为0.75。阳柱再生可采取逆流再生或顺流再生。再生剂：3％HCL，再生剂使用量：树脂体积的