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qxa.docx

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1、pH值在在微生物物法丙烯烯酰胺、聚聚丙烯酰酰胺生产中的的影响及其其控制常惠联 常万万叶（张家口口麦尔生生化有限限公司，河河北 张张家口 07762550）摘要：论论述了ppH值在在微生物物法丙烯烯酰胺、聚聚丙烯酰酰胺生产产中的影影响及其其控制。关键词：pH值值 微生生物法 丙烯烯酰胺 聚丙丙烯酰胺胺控制pH vvaluue iin tthe miccrobbiollogiicall meethood oof aacryylammidee, ppolyyacrrylaamidde aand itss coontrrol of thee prroduuctiionChanng HHuilliann

2、 Chhangg Waanye(Zhhanggjiaakouu Maaierr Biiochhemiicall Coo., Ltdd., Hebbei Zhaangjjiakkou 0766250)Absstraact: Thhe ppapeer ddisccussses theepH vallue in thee miicroobioologgicaal mmethhod of acrrylaamidde, pollyaccryllamiide prooducctioon aand itss coontrrol.Key worrds: pHH ，miccrobbiollogyy，Acrryl

3、aamidde ，Pollyaccryllamiide，conntrool.丙烯酰酰胺是一一种用途途广泛的的重要精精细有机机化工原原料。工工业上直直接使用用丙烯酰酰胺的厂厂家不多, 大大多用来来生产丙丙烯酰胺胺及其衍衍生物的的均聚物物和共聚聚物,其中以以聚丙烯烯酰胺数数量最大大、用途途最广。聚聚丙烯酰酰胺作为为增稠剂剂、絮凝凝剂、增增强剂等等,广泛应应用于石石油、造造纸、采采矿、洗洗煤、冶冶金、环环保、建建材、涂涂料、食食品等领领域。丙丙烯酰胺胺于18893 年由Mooureeu用丙丙烯酰氯氯与氨在在低温下下制成。世世界上工工业化生生产丙烯烯酰胺都都是以丙丙烯腈为为原料, 进行行催化水水合。1

4、19544 年美美国氰胺胺公司首首先开发发了硫酸酸水解法法生产丙丙烯酰胺胺技术。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

5、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) 。在微生物物法丙烯烯酰胺、聚聚丙烯酰酰胺生产产工艺中中pH值一一系列的的控制，包括菌体体的培养养pH值、腈水水台酶水水合反应应pH值、丙丙烯酰胺胺精制ppH值、丙丙烯酰胺胺聚合pp

6、H值的的控制是是技术关关键。张张家口麦麦尔生化化有限公公司目前前在5吨吨的发酵酵罐中的的腈水合合酶平均酶酶活性为为3300万gh.mLL菌液，是目前前工业发发酵罐报报道最高高的酶活活性，聚聚丙烯酰酰胺产品品（阴离离子型）分子量可达3200万。1. ppH对发发酵的影影响 发发酵培养养基的ppH值，对对微生物物生长繁繁殖和代代谢产物物有明显显影响，其其主要原原因如下下：（1）发发酵液的的pH值的的改变，影影响了微微生物细细胞原生生质膜的的电荷发发生改变变。原生生质膜具具有胶体体性质，在在一定ppH值的的原生质质膜可以以带正电电荷，而而另一ppH值中中带负电电荷这种种电荷的的改变同同时就会会引起原

7、原生质膜膜对个别别离子渗渗透性的的改变，从从而影响响微生物物对培养养基中营营养物质质吸收及及代谢产产物的泄泄露，从从而影响响新陈代代谢的正正常进行行。（2）发发酵液的的pH值直直接影响响酶的活活性因为为不同的的酶要求求在不同同的pHH值下才才能发挥挥最大的的活性。因因此，在在不适宜宜的pHH值下，微微生物细细胞中某某些酶的的活性受受到抑制制，从而而影响微微生物的的生长繁繁殖和新新陈代谢谢。（3）发发酵液的的pH值影影响培养养基某些些重要的的营养物物质和中中间代谢谢产物的的离解，从从而影响响微生物物对这些些物质的的利用。微微生物的的生命活活动是和和水分不不开的，构构成微生生物的各各种物质质大多在

8、在一边解解离，但但又一边边保持一一定的平平衡。但但水的解解离又和和氢离子子有关，所所以氢离离子的浓浓度对这这些物质质的解离离影响很很大，从从而影响响着微生生物的营营养吸收收、酶的的活性，影影响其分分解和合合成代谢谢，因此此，pHH值的改改变，往往往引起起微生物物的代谢谢过程的的改变，从从而使代代谢产物物的质量量和比例例发生改改变。 由于于pH的高高低对菌菌体生长长和产物物的合成成能产生生上述明明显的影影响，所所以在工工业发酵酵中，维维持所需需最适ppH已成成为发酵酵生产成成败的关关键因素素之一。1.1 pH的变变化 在在发酵过过程中ppH值变变化决定定与微生生物种类类、基础础培养基基的组成成和

9、培养养条件。在在菌体代代谢过程程中，自自身有造造成生长长最适ppH值的能能力，但但外界条条件发生生较大变变化时，pH值将会不断波动。 已已知发酵酵液的ppH变化化乃是菌菌体产酸酸和产碱碱的代谢谢反应的的综合结结果。在在发酵过过程中，要要选择好好发酵培培养基的的成分及及其配比比，并控控制好发发酵工艺艺条件，才才能保证证pH不会会产生明明显的波波动，维维持在最最佳的范范围内，得得到良好好的结果果。1.2 发酵酵pH的确确定和控控制1.2.1发酵酵pH的确确定微生物生生长的ppH范围围很广，大大多数在在pH59之间间，与温温度对微微生物的的影响相相似，微微生物活活动的ppH范围围也存在在最高、最最适

10、、最最低三基基点，其其对微生物的的影响主主要是影影响微生生物活动动环境的的离子强强度、细细胞膜的的透性及及膜上的的带电性性和氧化化-还原原电位、酶酶活性。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。 合合适pHH是根据据实验结结果来确确定的。将将发酵培培养基调调节成不不同的出出发pHH，进行行发酵，在在发酵过过程中，定定时测定定和调节节pH，以以分别维维持出发发pH值，或或者利用用缓冲液液来配制制培养基基以维持

11、持之。到到时观察察菌体的的生长情情况，以以菌体生生长达到到最高值值的pHH值为菌菌体生长长的合适适pH。以以同样的的方法，可可测得产产物合成成的合适适pH值。另另外，在在确定合合适发酵酵pH时，还还要考虑虑培养温温度的影影响，若若温度提提高或降降低，合合适pHH也可能能发生变变动。1.2.2pH的调节节和控制制 一般般说来，培培养基中中的碳/氮值（CC/N值值）高则则发酵液液倾向于于酸性，反反之则倾倾向于碱碱性或中中性。发发酵液的的pH值是是发酵现现象的综综合指标标。如果果培养基基中糖和和脂肪被被利用，培培养基的的pH值便便会随其其氧化的的程度而而波动。在在通气充充足时，糖糖和脂肪肪得到完完全

12、氧化化，产物物为二氧氧化碳和和水；在在通气不不充足时时，糖和和脂肪的的氧化不不完全产产生有机机酸类的的中间产产物，这这些都使使培养基基的pHH 值下下降，其其差别仅仅是下降降程度不不同。如如果无机机氮源被被同化，则则培养基基pH值也也会随其其种类而而变化。属属于生理理酸性盐盐（被微微生物利利用后生生酸的盐盐）的铵铵盐利用用后，使使pH值下下降；属属于生理理碱性盐盐的硝酸酸盐（或或有机酸酸盐）被被利用后后，使其其pH值上升升。如果果有机氮氮源被利利用，则则培养液液的pHH值随酶酶作用的的情况不不同也有有不同的的结果。在在发酵的的前期，调调节pHH值，应应有利于于菌体生生长，发发酵的中中、后期期，

13、调节节pH值，应应是与产产物合成成有关的的酶活性性最大时时的最适适pH值。总总之，ppH值变变化的情情况决定定于菌体体的特性性，培养养基的组组成和工工艺条件件。菌种种不同，所所含酶系系其活性性不同，培培养基中中糖、氮氮的种类类和配比比不同，以以及通风风、搅拌拌强度、调调节pHH值方法法等不同同，pHH值的变变化也就就不同。但但是；在在这些条条件一定定时，在在正常发发酵情况况下其ppH值的的变化具具有一定定的规律律性，因因此，应应该根据据具体情情况调节节控制ppH值。 在实实际生产产中，调调节pHH值的方方法应根根据具体体情况加加以选用用。如调调节培养养基的原原始pHH值或加加入缓冲冲剂（如如磷

14、酸盐盐）制成成缓冲能能力强、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 微生物法法丙烯酰酰胺腈水水合酶的的生产采用微生生物法生生产丙烯烯酰胺,腈水合合酶的工工业发酵酵效果是是决定生生产过程程是否稳稳定的关关键因

15、素素之一,因此掌掌握腈水水合酶的的工业发发酵技术术是实现现微生物物法丙烯烯酰胺生生产高产产高质的的根本保保证。我公司采采用原化化工部上上海生物物化学工工程研究究中心(即上海海农药研研究所)菌种SSP-1163菌菌种，工工业生产产研究发发现：发酵生生产过程程中pH值对腈腈水合酶酶的活性性有特别别重要影影响。当菌体体pH值处处于7.0 左右右,腈水合合酶的活活性与ppH值在在5.5 以下下时相比比会成倍倍地提高高。腈水合酶酶生产菌菌体发酵酵开始配配制培养养基时的pH值控制在7.55,经杀杀毒、灭灭菌后的的pH 值在在8.8,随着菌菌体迅速速生长对对葡萄糖糖的利用用,菌体通通过代谢谢活动将将消耗的的

16、葡萄糖糖转化为为细胞组组分和代代谢所需需能量,同时产产生大量量丙酮酸酸等有机机酸,使得培培养基的的pH值迅迅速下降降,通过对对发酵过过程pHH值的生产产研究发发现,一般发酵酵培养基基的pHH值在培培养周期期内会降到到5.44左右,以后随随着葡萄萄糖逐渐渐耗尽,菌体出出于自身身代谢的的需要会会将一部部分有机机酸分解解利用,此外老老化自溶溶的菌体体的pHH值会保保持稳定定或略有有升高,如下表一、图所示。表一 时间与与pH值值、生物物量、酶酶活性时间生物量pH值酶活性103万万单位008.8 01027.5 01667.0 022106.7 0.633128116.6 1.077434115.8 1

17、.622540115.8 2.155446125.7 2.977252126.0 3.54422 pH对丙丙烯腈催催化水合合反应的的影响微生物法法生产丙丙烯酰胺胺，是丙丙烯腈和和水在生生物催化化剂腈水合合酶的催催化作用用下，生生成丙烯烯酰胺。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，会使使生物催催

18、化剂腈水合合酶中毒毒（或称称酶失活活），从从而减缓缓或终止止反应，影影响正常常生产。由于丙丙烯腈催催化反应应过程中中，会生生成微量量丙烯酸酸000.022%，降降低反应应的pHH值，实际反应应的pHH值控制制在7.5。因因此，在在催化反反应开始始时，对反反应体系系用5%NaOOH溶液液进行调调节pHH值在77.5，保保证整个个催化反反应过程程能顺利利进行。3 pH对丙丙烯酰胺胺精制的的影响我国催化化法生产产的丙烯烯酰胺水水溶液，其其杂质来来源有三三个途径径：一是是从原料料丙烯腈腈带来的的杂质，如如丙酮、丙丙烯醛、乙乙腈、过过氧化物物、阻聚聚剂等；二是催催化水合合反应时时催化剂剂带来的的杂质，如

19、如化学法法生产带带来了铜铜离子，微微生物生生产带来来了蛋白白质、氨氨基氮、海海藻胶和和无机盐盐等；三三是催化化水合反反应时新新生成的的杂质，如如丙烯酸酸、乙酰酰胺等腈腈类水合合反应产产物。在在丙烯酰酰胺溶液液中杂质质超过一一定的量量，则不不能得到到质量稳稳定且合合格的聚聚丙烯酰酰胺。丙丙烯腈中中的杂质质首先影影响催化化反应。特特别是微微生物催催化法，它它还能使使微生物物催化剂剂中毒，给给生产带带来很大大影响。丙丙烯腈中中的杂质质有的还还能进行行水合反反应，生生成副产产物。丙丙烯腈中中的杂质质其次影影响聚合合产品质质量，不不同的丙丙烯腈生生产厂在在催化水水合和聚聚合工艺艺不变的的情况下下，生产产

20、出的聚聚丙烯酰酰胺质量量有很大大的差别别，分子子量相差差20003000万，且且溶解性性相差很很大。质质量好的的丙烯腈腈产出的的聚丙烯烯酰胺分分子量高高且溶解解性好。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丙丙烯酰胺胺水溶液液精制工艺艺丙烯酰胺胺溶液阳离子子树脂交交换柱阴阴离子树树脂交换换柱混柱柱精制液液聚合反反应釜3.2丙丙烯酰胺胺水溶液液精制ppH的控控制离子交换换树脂的的种类对对丙烯酰酰胺中杂杂质有很很大的影影响：大大孔树脂脂较凝胶胶型树脂脂效果好好，大孔孔强碱树树脂较大大孔弱碱碱树脂效效果好，大大孔强酸酸性树脂脂

21、较大孔孔弱酸性性树脂效效果好。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阳离离子树脂脂交换柱柱pH的控控制阳柱中选选用强酸酸型D0001阳阳离子树树脂，树树脂装料系数为为0.75。阳柱柱再生可可采取逆逆流再生生或顺流流再生。再再生剂：3HCLL，再生生剂使用用量：树树脂体积积的23倍。阳柱再生后洗水pH：5.06.0。3.2.2阴离离子树脂脂交换柱柱pH的控控制阴柱中选选用强碱碱型 DD2011阴离子子树脂，树脂装装料系数数为0.75。阴柱再生生可采取取逆流再再生或顺顺流再生生。再生生剂：33NaOOH，再再生剂使使用量：树脂体体积的223倍倍。阴柱再生

22、后后洗水ppH：9.00-11.5。丙烯烯酰胺精精制阳柱柱和阴柱柱串联，因因此只控控制阴柱柱出口指指标。丙丙烯酰胺胺溶液精精制柱阴阴柱出口口溶液控控制指标标：电导导率1000us/cm ，pHH：100.011.5 ，阻聚聚剂：5ppmm 。若若有一项项超标，则则表明离离子交换换柱失效效，须停停止精制制工作。3.2.3混柱柱pH的控控制混柱中加加强酸型型D0001阳离离子树脂脂和强碱碱型 DD2011阴离子子树脂，体体积比为为1：22。混柱柱再生可可采用一一步法或或二步法法。再生生后洗水水pH：6.57.5。丙烯酰酰胺溶液液精制液液（即混混柱）控控制指标标：电导导率5us/cm ，pHH：7.

23、088.5 ，阻聚聚剂：0ppmm 。若若有一项项超标，则则表明离离子交换换柱失效效，须停停止精制制工作。4 pH对丙丙烯酰胺胺聚合的的影响聚丙烯酰酰胺是丙丙烯酰胺胺均聚或或与其它它单体共共聚而制制得，根根据不同同的电性性，聚丙丙烯酰胺胺可相应应划分为为非离子子型聚丙丙烯酰胺胺、阴离离子型聚聚丙烯酰酰胺、阳阳离子型型聚丙烯烯酰胺、两两性离子子型聚丙丙烯酰胺胺。本文文重点阐阐述阴离离子型聚聚丙烯酰酰胺。聚丙烯酰酰胺分子子量随pH 值的增增大而降降低,pH 值低时时,聚丙烯烯酰胺溶溶解性变变差。因为,在较低低pH 值时,聚合易易伴生分分子内和和分子间间的亚酰酰胺化反反应,形成支支链或交交联型产产物

24、,导致产产物溶解解性变差差;而pH 值高时时,溶液中中单体丙丙烯酰胺胺能产生生水解反反应,生成NHH3 ,丙烯烯酰胺与与NH3反应生生成氮川川丙酰胺胺NTPP。 NTTP 的的生成速速率随碱碱性增强强而加快快,在氧化化还原引引发体系系中,NNTP 既是还还原剂又又是链转转移剂. 因此此,随碱性性的增强强,NTTP 值值升高,而聚丙丙烯酰胺胺分子量量降低,溶解性性变好3。实际际生产中中要综合合考虑聚聚丙烯酰酰胺分子子量与溶溶解性、水水解度指指标。4.1采采用前加加碱均聚聚合共水水解方法法体系在高高pH值下聚聚合, 不会因因pH 值过过低产生生交联产产物44。因为体体系在聚聚合前加加入碳酸酸钠，保

25、保证聚丙丙烯酰胺胺的水解解度控制制在255%左右右。合适的的pH 值可控制制在10.511.5。4.2采采用共聚聚合方法法体系在丙丙烯酰胺胺和丙烯烯酸共聚合,不需要要进行水水解，但但聚合前前必须调调节控制制pH值。合适的的pH 值可控制制在9.510.5 。4.3采采用均聚聚合后水水解方法法体系在丙丙烯酰胺胺均聚后后进行加加碱水解解。丙烯烯酰胺精精制液ppH要求求控制在在7.008.5。参考文献献1常常惠联常常万叶，微微生物法法生产丙丙烯酰胺胺技术JJ.河北化化工,19999,(2):3436.2常常惠联，丙丙烯酰胺胺的精制制J.化工科技技市场,20003,(10):2022.3匡匡洞庭刘立新

26、新姜涛，超高相相对分子子质量聚聚丙烯酰酰胺合成成参数的的确定J.19999.33,Vol. 233 ,No. 1 :29931.4 冯志强强, 辛伟, 徐鹏鹏等，三三次采油油用速溶溶型超高高分子量量聚丙烯烯酰胺的的合成J. 长江江大学学学报(自科版版) 220055 ,(7),Vool.22,No.7/ 理工卷卷Voll.2,No.3:20082211.作者简介介:常惠联联,大学学,工程程师。现现任张家家口麦尔尔生化有有限公司司总工程程师,长长期从事事微生物物法丙烯烯酰胺、聚聚丙烯酰酰胺工业业化生产产和研究。电话：003133-422303386 133303313886988传真：003133-422303380E-maail：chll82009188.ccom地址:河河北省万万全县孔孔家庄镇镇新华街街1号邮编:00762250