一般而言，温度的提高有助于加快反应速度。根据文献报道，大多数菌种的腈水合 酶的最大反应速率发生在40-50°C，有些嗜热细菌的温度条件要高一些[29],但我们所使 用的诺卡氏菌在稍高的温度条件下，当温度大于28°C后酶的失活很快，所以只研究低 于28°C的情况。研究结果可见，随着温度降低，反应速率明显减小。在28°C下测定 的酶活为5659utmL的菌液，在5°C时的反应速率仅为28°C时的11.72%，由反应速率 折算的表观酶活仅为663utmL。大多数酶对热敏感，在较高的温度下易变性失活。为研 究水合温度对于腈水合酶的影响，将酶液(Enzyme Solution，ES)和菌体重悬液(Cell Suspension，cs)在不同的温度下保温，定时取样测量其酶活。不同时刻的酶活与初始 酶活的比值为相对酶活，可以得出，在高温下，腈水合酶的相对酶活迅速降低，这说明 温度导致腈水合酶失活。在相同的温度下，菌体重悬液的酶活衰减速率明显低于酶液， 这说明在菌体内可能存在可以稳定腈水合酶的物质。腈水合酶的热失活过程是一级反 应，即：Lnr=-kt.(3-8)

 

失活半衰期为：ti/2=ln2 / k.(3-9)

 

由式(4.7)求得40°C下菌体重悬液中腈水合酶的失活半衰期为59. 9 h.催化过程 中，水合温度一般低于40°C ,水合时间也远少于59. 9 h。因此，实验结果证明，菌 体内的腈水合酶在水合条件下具有较好的热稳定性，单纯的温度因素不是导致腈水合酶 失活的主要原因。

 

进一步通过Arrhenius公式：lnk=-E/RT+lnA，（3-10)

 

将Ink与T-1拟合，求得酶液和菌体重悬液中腈水合酶失活的活化能分别是123. 5 和164. OkJ/mol.菌体重悬液中腈水合酶失活的活化能大于酶液，说明胞内腈水合 酶的失活对温度的升高更敏感，这可能是由于温度升高对于胞内稳定组分有破坏作用。

 

3.2.4.生化法水合反应中丙烯酰胺浓度对酶反应的影响在初始的反应体系中加入一定浓度的产物丙烯酰胺，反应后通过底物丙烯腈的减2量确定酶反应初速度。为了排除温度的影响，选择了较低的反应温度10°c。研究对象 是菌体悬浮液。以丙烯酰胺浓度为0时的初速度为1，可以看出，反应速率随着丙烯酰 胺浓度增大而减小。丙烯酰胺浓度为l〇〇g/L时，腈水合酶的表观活性仅为丙烯酰胺浓 度为〇时的78. 2%，而当丙烯酰胺浓度达到500 g / L时，表观酶活下降到37. 1%。 因此，水合产生的产物丙烯酰胺对于腈水合酶有着较强的抑制作用，这种抑制作用随着 产物浓度的升高而增强。

 

3.2.5生化法水合反应中pH值对酶反应的影响在腈水合酶催化丙烯腈水合生成丙烯酰胺的过程中，当反应体系中丙烯酰胺浓度从 〇升高到500 g / L时，pH值相应地从7. 02升高到7. 71。为研究pH值对反应速率的影 响，利用不同pH值的25 mmol/L的磷酸钾缓冲液作为反应体系，测定同一菌体重悬液 中的腈水合酶酶活。参考实际生产体系，采用菌体重悬液，不同pH值的反应体系中加 入的酶量一致。以pH 7. 2的酶反应速率为1，求出不同pH值下的相对速率r。可以看 出，pH值在7?8之间变化时，腈水合酶的酶反应速率基本不受影响。

 

3.2.6生化法水合反应中丙烯腈浓度对酶反应的影响丙烯腈浓度有两方面的影响，低浓度时降低酶反应速率，高浓度对酶反应有抑制作 用。实验测定了不同底物浓度下的腈水合酶的催化反应初速度。为了更好地反映酶反应 的初速度，将反应时间减少到1 min，防止丙烯腈浓度较低时由于底物完全消耗而影响 测量结果的准确。考察相同的菌体悬浮液中的腈水合酶在不同的底物浓度下的酶反应速 率，以50 g/L时的酶反应初速率为1，求出不同底物浓度下的相对速率r。可以看出， 底物丙烯腈的浓度对于酶反应速率的影响比较显着。底物浓度低于10 g/L时，酶反应 速率与底物浓度成正比，底物浓度超过75 g/L后，酶反应速率降低，这说明高浓度的 底物对于腈水合酶有抑制作用，一定浓度（10—75 g / L)的丙烯腈有助于提高反应速率。

 

3.2.7生化法水合反应中丙烯酿胺与温度的协同作用在腈水合酶细胞催化的水合过程中，腈水合酶和丙烯酰胺有直接接触。已知丙烯酰 胺是一种可使蛋白质变性的物质，可能使酶失活，因此研究了丙烯酰胺与温度的协同作 用。研究测定了在不同温度、不同丙烯酰胺浓度下腈水合酶酶活随时间变化的曲线。测 定方法是将菌体悬浮在一定浓度和温度的丙烯酰胺溶液中，定时取样，将丙烯酰胺洗净 测酶活。以0时刻的初始酶活为1，可知lnr与时间t呈线性关系。用式（1)求出失活 常数k，不同丙烯酰胺浓度和温度下的失活常数。可以看出，在相同的温度下，随丙烯 酰胺浓度增大，腈水合酶的失活常数k也增大。同时可以看出，在相同的丙烯酰胺浓度 下，随温度升高腈水合酶的失活常数显着增大。结合前文的结果可知，在酶的失活过程 中，温度和丙烯酰胺具有协同作用。由此可知，丙烯酰胺和温度的协同作用也是使腈水 合酶失活的重要因素，这种因素的影响随着温度和丙烯酰胺浓度的升高而增强。

 

3.2.8生化法丙烯酿胺水溶液的精制生化法丙烯酰胺水溶液的精制由：离心分离、膜过滤、离子交换三个主要环节构成。 工艺流程如图3-11所示。

 

反彦液 离心机分离(固液分离，离心分离、错流过滤）

 

膜过滤离子交换_(离子交换反应，吸附导电离子）

 

图3-11生物法丙烯酰胺精制工艺3. 2. 8. 1离心机的应用：离心机是利用离心力对混合液（含有固形物）进行分离和沉淀的一种专用仪器，是 用来分离制备生物大分子必不可少的重要工具。工业用离心机按结构和分离要求，可分 为过滤离心机、沉降离心机和分离机三类。离心机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒， 称为转鼓，通常由电动机驱动。悬浮液(或乳浊液)加入转鼓后，被迅速带动与转鼓同速 旋转，在离心力作用下各组分分离，并分别排出。通常，转鼓转速越高，分离效果也越 好。

 

精制工艺的第一个必要步骤就是固液分离，其目的在于分离细胞、菌体和其他悬浮 颗粒（细胞碎片、核酸和蛋白质的沉淀物）。催化剂用量不同的反应液流变特性不同、 生产菌种个体小、菌体以及破碎细胞的存在造成过滤速度极慢不能采用直接过滤，因此 装置固液分离工艺首先利用离心机从悬浮液中分离固形物，分离质量主要决定于离心机 的分离因数及离心过程排渣周期控制。本装置反应液离心采用的是南京绿洲718型碟片 离心机，分离因数较高。

 

3. 2. 8. 2膜过滤系统的应用：膜分离技术是一种广泛应用于溶液或气体物质分离、浓缩和提纯的分离技术。它利 用具有选择透过能力的薄膜做分离介质，膜壁密布微空，原液在一定压力下通过膜的一 侧，溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液，而较大分子溶质被膜截留，从而达到物质分 离及浓缩的目的。膜分离过程为动态过滤过程，大分子溶质被膜壁阻隔，随浓缩液流出 膜组件，膜不易被堵塞，可连续长期使用。过滤过程可在常温、低压下运行，无相态r 化，高效节能。

 

膜技术应用于微生物法丙烯酰胺是一种新的发展趋势。该方法包含的工序有微生物 菌体培养、菌体重悬液的制备、用游离菌体作生物催化剂进行丙烯腈水合反应、分离反 应所得的丙烯酰胺水合液[3()]。与固定化细胞法工艺相比，游离细胞法采用膜直接分离菌 体，工艺简单，省去了固定化材料、造粒、固化、固定化细胞粒子洗涤等工序，反应液 电导率低，从而减轻了后续精制负荷。其特征是用超滤膜来分离丙烯酰胺水合液中的生 物杂质。采用该工艺生产丙烯酰胺可以明显提高生产效率和菌体利用率，同时水合液产 品中的生物杂质含量降低，得到的丙烯酰胺质量好、纯度高。

 

反应液经离心机进行初步分离后，利用卷式超滤进行错流过滤，如图3-12所示。

 

3. 2. 8. 3离子交换技术的应用离子交换技术作为一种液相组分独特的分离技术，具有优异的分离选择性与很高的 浓缩倍数，操作方便，效果突出。因此，在各种回收、富集与纯化作业中得到广泛应用。 特别是第二次世界大战后期，强碱性阴离子交换树脂在核燃料提炼过程中取得的巨大成 功，以及作为换代技术，离子交换树脂继沸石，磺化煤之后，在热电站给水工程中的大 规模应用，使离子交换技术很快推广到许多现代工业的分离工程中，发挥了卓越的技术 功能。例如，在化工、医药、食品、水处理、湿法冶金、环境保护，以及核燃料后处理 等方面，离子交换技术作为一种新型提取、浓缩、精制手段，得到广泛应用和迅速发展， 展现了广阔的前景。离子交换树脂是进行离子交换分离操作的物质基础。树脂性能的优 劣，对于分离效果的好坏，起着决定性的作用。目前，我国已能大量生产适合于各种工 艺目的，应用于各种操作条件的工业树脂。随着离子交换树脂的发展，树脂应用技术也 在不断改善，开始是间歇式工艺，很快就发展到固定床工艺，六十年代后逆流技术及连 续式离子交换工艺，双层床技术等获得了很快的发展，这些新的应用技术和工艺的开发， 使离子交换树脂在许多领域的应用更加有效和经济。生产规模与设备的大型化，是近代 工业技术进步的重要标志之一P目前，工业离子交换设备的直径可达4?6m，处理能力 达103?104m3/h。离子交换分离技术已跻身于成熟化工单元过程之列，成为继蒸馏、萃 取、吸收等典型化工过程之后，新崛起的一种高效化工分离技术。

 

由于生物法丙烯酰胺采用游离的细胞酶进行催化反应，在菌体受到热、某些化学夺 质、杂菌等破坏时，产生部分对聚合有害的离子，如大分子蛋白、有机酸等，而且，1生物培养中，需引入大量无机离子，这些杂质的存在，将严重影响最终产品的质量。因 此，离子交换技术在生化法丙烯酰胺的生产中尤为关键。

 

3.2.9实验部分3.2.9.1实验药品及仪器设备表3_11试验药品名称规格生产厂家丙烯腈纯度彡99%大庆炼化公司丙烯酰胺23?27%水溶液大庆炼化公司葡萄糖总糖彡90. %河北圣雪酵母膏总氮彡60%广东江门尿素工业一级大庆乙烯石化总厂味精食用级哈尔滨活性中心(Ssjz)

 

其它微量辅料及化验药品分析纯自制表3-12设备及仪器双层摇床SPY-50上海离心机械研究所离心机DBP500/38-22-30南京绿洲机械厂种子罐、发酵罐、水合釜无锡太湖石化设备厂膜分离系统星达过滤技术有限公司AM精制系统中宇节能净化设备公司恒温水浴WMZK-01辽阳恒温仪器厂离心机（实验室）80-2上海手术器械厂离心机（现场）南京绿洲机械设备公司分光光度计7230G上海精密科学仪器有限公司气相色谱GC-14B曰本岛津电导率仪DDS-11A上海雷磁新泾仪器有限公司PH计SevenEssyS20K梅特勒-托利多仪器有限公司精密电子天平FA-1104上海天平仪表厂500ml磨口瓶，各种型号容晕瓶、移液管、烧杯，乳胶管、洗耳球、橡胶塞等3.2.9.2实验方法及内容丙烯酰胺的制备：将摇床培养的腈水合酶菌种接种至种子罐，控制培养参数，采用 两级培养方式，获得具有足够酶活的菌体。按酶活计算，将定量的腈水合酶菌种转移至 水合釜，按一定速度加入丙烯腈（同时控制搅拌桨转速及反应温度），当丙烯酰胺浓度 达到28-30%时结束水合反应；利用离心机和膜分离系统去除水合液中所含的菌体及大 于1000分子量的杂质，经离子交换系统精制，获得适用于聚丙烯酰胺生产的丙烯酰胺 水溶液；同时，对上述各环节的丙烯酰胺水溶液中的各种组分进行分析。离子交换树脂 实验方法：首先对树脂进行预处理：将阳离子树脂500ml置于2%的盐酸溶液中浸泡12 小时，然后用除盐水冲洗至流出水为中性。将阴离子树脂l〇〇〇ml置于2%的氢氧化钠溶 液中浸泡12小时，然后用除盐水冲洗至流出水为中性。将处理好的树脂装入树脂柱内 用除盐水冲洗干净备用。利用计量泵控制经膜分离系统过滤后的丙烯酰胺水溶液3 2500ml/h流量条件上，使待处理的丙烯酰胺水溶液按照阳树脂柱一阴树脂柱一混合树 脂柱的方式通过离子交换试验系统，每20分钟采集一次液样进行电导、PH值及组分测 试，比较不同树脂的交换能力。树脂饱和后，分别对所用实验树脂进行静态再生，用再 生后的树脂再进行离子交换实验测试其交换能力变化。

 

3.2.9.3分析方法总糖的测定：准确称取50毫克无水葡萄糖，于50毫升容量瓶中，用蒸馏水溶解并稀释到刻度， 摇匀，得1000微克/毫升溶液，再从中吸5毫升到100毫升容量瓶，用蒸馏水稀释到刻 度得50微克/毫升标准液。

 

取5支25毫升试管，其中4支分别吸取2、1.5、1、0.5毫升的50微克/毫升葡萄 糖标准液，并依次吸入〇、0.5、1、1.5毫升蒸馏水分别配成50、37. 5、25、12. 5微克 /2毫升葡萄糖标准溶液，另取1支25毫升试管加2毫升蒸馏水作空白，每个试管中分 别加入0.5毫升2. 5%苯酚溶液，然后置冷水中冷却，然后缓慢沿壁加入5毫升浓硫酸， 快速摇匀后放入沸水中煮3分钟，现移入冷水中，冷却10分钟后在波长560nm处进行 比色，测得其光密度，作标准曲线：将待测液离心后，用吸管吸取0.1毫升上清液于50毫升容量瓶，加蒸馏水到刻度， 然后吸2毫升于25ml试管中，再加入0.5毫升2. 5%苯酚溶液，在冷水浴中冷却，再加 5毫升浓硫酸，快速摇匀后立即放入沸水中煮沸3分钟，再移入冷水中冷却10分钟， 在波长560nm处进行比色，测得其光密度，根据光密度读数在标准曲线上查葡萄糖微克数。

 

计算：总糖含量用微克/毫升表示被测样品浓度（微克/毫升）：被测样品的光密度相应葡萄糖的微克数X稀释倍数。 氨基氮的测定：吸取待测液2毫升于150毫升三角瓶中，然后加20毫升蒸馏水，加入1%甲基红指 示剂一滴，用〇。 5N硫酸调节至红色，用0. 02N氢氧化钠调节至橙色，即为中性加入50% 中性甲醛溶液2毫升，放置15分钟加入1%酚酞指示剂1滴后，用标定过的0. 02858N 的氢氧化钠滴定至红色，读其用去的毫升数。

 

计算：氨基氮（毫克/毫升）=滴定用去氢氧化钠毫升数X0. 2酶活性的测定：开启恒温水浴槽调温至28°C，在50毫升三角瓶中加入1毫升待测液，0. 025M磷酸 缓冲液19毫升，充分混匀后放入水浴槽，恒温5分钟，以精密移液器加入1000微升丙 烯腈，并以秒表计时5分钟，反应结束后，取出加入200微升18NHC1溶液中止水合反 应，将反应液倒入试管中于3000rPm在离心机内离心20分钟，上清液调节PH至中性P近。

 

从上述离心管中以1毫升移液管取上清液1毫升，于样品瓶中，再以1毫升移液管 加入1毫升5.0%乙酰胺溶液的内标物，3毫升蒸馏水，混合后摇匀，以色谱测定之后生 成的丙烯酰胺。

 

计算：酶活（ug丙烯酰胺/小时）=丙烯酰胺浓度X12X20 丙烯酰胺浓度的测定：色谱柱：PorapakQ (80-100 目） 3. 2mmX 1. 1M 玻璃柱柱温：220°C 气化及检测温度：240°C 氮气流速：lOOKpa 氢气流速：50Kpa 空气流速：50Kpa内标溶液配制：称取5克乙酰胺于100ml容量瓶中，蒸馏水定容，相当于0.05克/ 毫升。备用于青霉素瓶中。

 

精确称取（准确至0.0002克）0.05克丙烯酰胺标样，吸1毫升乙酰胺内标液，加 4毫升蒸馏水。在色谱条件下，取0.6微升注入色谱仪分析，重复数次求平均值。以内 标物相对响应值为1,用下式计算丙烯酰胺的相对校正因子（F):F=W标/W内XA内/A标 式中：W标：丙烯酰胺标准品重量 A标：丙烯酰胺标准品峰面积 W内：乙酰胺内标物重量 A内：乙酰胺内标物峰面积精确吸取1毫升样品水溶液，1毫升内标溶液，加3毫升蒸馏水，摇匀，取0.6微 升注入色谱仪分析。用下式计算丙烯酰胺样品的实际含量：C%=F X W 内 /W 样 X A 样/A 内 X 100%式中：F:丙烯酰胺标样的相对校正因子 A样：丙烯酰胺样品的峰面积 W样：丙烯酰胺样品的重量丙烯腈、丙烯酸浓度测定：反测校正因子，进丙烯腈，丙烯酸标样1微升若干次，直至校正因子平行后取平均 值输入ID表，其中SPL. WT=100。

 

取待测样品1微升注入进样口，出结果后，升温赶除丙烯酰胺峰后，降柱温至基线 平直后方可再次进样。

 

丙烯腈(酸)含量(mg. m-3)=峰面积X丙烯腈(酸)校正因子在发酵过程中除了满足生产菌种的营养需要外，还需要维持菌的适当培养条件，其 中之一就是保持菌种生长和合成产物所需要的最适温度。随着温度的上升，细胞的生长 繁殖加快。但随着温度的上升，菌体衰老提前发酵周期缩短，这对整个发酵生产及后续 水合是不利的。

 

(1)影响发酵过程温度的主要因素生物热随菌体培养基成分和发酵周期的不同而异，菌种对培养基利用的速率越大、 培养基成分越丰富，产生生物热就越大。发酵旺盛期的生物热大于其他时间的生物热。 对装置现有生产菌而言，以转种后开始记时温度变化曲线如图3-13所示。

 

图3_13发酵过程温度随培养基利用变化曲线 1-温度变化曲线2-氨基氮3-葡萄糖由图3-13可直接观察到发酵过程中温度变化随培养基浓度变化过程，发酵高峰期 糖、氮消耗速率增大，生物热产生较大、温度调节频繁，特别是在48小时以前生物热 产生较为集中，另外还发现高酶活批号发酵罐产生的温度调节频率高于低酶活批号发酵 罐，图3-14。

 

根据实际收集温度调节频次批号为1发酵罐温度调节频次为27. 7次/小时，而批€ 为2发酵罐温度调节频次为21. 4次/小时，由此可见丙烯腈水合酶合成时的新陈代谢-分旺盛。

 

(2)温度的控制温度对生产菌生长和生产的影响是各种因素综合表现的结果。温度升高生物生长代 谢加快，生产期提前，但酶本身容易因热失去活性，温度越高，酶失活也越快，表现在 菌体易于衰老，发酵周期缩短，影响丙烯腈水合酶发酵单位。温度变化对不同时期菌种 生长影响对照表3-13。

 

表3-13发酵温度对菌种生长的影响温度13小时生物量培养时间酶活最终酶活23〇C0. 5%36小时257. 6 万294. 2 万25〇C0. 7%36小时317. 2 万344. 0 万28 °C0. 9 %36小时369.6 万974. 4 万30 °C1. 2%36小时453. 6 73609. 0 %由对照表3-13分析，在发酵罐转种初期由于菌丝还未长浓，这时应优先考虑适宜 的生长温度保证菌种的萌发。但在实际生产中由于发酵过程监控不够及时，初期温度略 高虽益于菌体萌发，但菌体初期生长速度过快，营养消耗过大培养环境不易控制，不能 保证后期产酶的稳定。因此通过实验比较，温度稳定在28°C有利于发酵过程以及酶活 单位的稳定。

 

3.2.10.2溶解氧对发酵的影响和控制在发酵系统中有效保证发酵过程中氧的供给，满足生产菌对氧的需求，使氧的供需 成为稳定和提高生产、降低成本的关键之一。在生产中因供氧不足引起的酶活单位低的 现象在以往是屡见不鲜的，但由于发酵液成分的复杂以及没有相应的技术手段来分析发 酵过程发酵液中溶解氧浓度，因此只能从温度、压力、通气量、搅拌速度以及搅拌方式 上进行调整，改变氧的供给量以及供给方式来调整发酵液中溶解氧的浓度。表3-14溶 解氧控制方法的比较。表3-15与氧控传递有关的工程参数。

 

表3-14溶解氧控制方法的比较方法投资运转成本效果对生产作用气体成分中到低闻好好搅拌速度闻低好好挡板中低好好搅拌桨中低良好通气速率低低不明显罐压中到高低不明显好温度低低不明显不一定表3-15与氧控传递有关的工程参数项目参数内容项目参数内容搅拌1.搅拌器形式：封闭式、开放式搅拌转速1.雷诺准数2.叶片形状：弯叶或平叶2. KW/t3.搅拌器直径或罐直径3. “K”因子空气流速4.挡板数和挡板宽度 5.搅拌挡数和位置 1.每分钟体积比（V/V.inin) 2.空气分布器类型和位置罐压MPa通过表3-14、3-15结合对比，在生产中以现有条件可进行溶氧调节的手段有调整 通气量以及搅拌转速和罐压，由于温度对菌体生长代谢影响较大因此培养温度不宜变 化。通过调整通气、转速以及罐压进行对比得到了现有的工艺参数0?13小时转速为 200 rpm/通气量为200?220m3/h; 13以后小时转速为170 rpm/通气量为160m3/h。它 在固定培养基配方基础上，将酶活单位稳定在800万技术转让指标，并在催化水合反应 中表现出催化反应稳定、副产物低的特性。

 

表3-16参数调整对照表（2006.12至2007.8工艺参数变化对照）

 

转速通气量120rpm180m3/h180rpm120m3/hPH值8.9—7.5生物量2%方案3PH值7.5—4.8生物量7%0—13小时13小时后转速通气量转速通气量200rpm180m3/h120rpm120m3/hPH 值 8.9—8.2 生物量 0.5%方案4PH值8.2—4.6生物量5%0—13小时13小时后转速通气量转速通气量200rpm180m3/h160rpm150m3/hPH 值 8.9—8.2 生物量 0.5%方案5PH值8.2—4.8生物量6%0—18小时18小时后转速通气量转速通气量200rpm220m3/h170rpm160m3/hPH 值 8.9—8.2 生物量 0.4%PH 值 8.2—5.0 生物量 6.5%方案10—18小时18小时后转速 通气量转速通气量180rpm 180m3/h120rpm120m3/hPH k 8.9—6.7 生物量 7%PH值6.7—4.0生物量10%方案20 —13小时13小时后转速通气量酶活结果500?600万酶活结果550?650万酶活结果650?700万酶活结果700?800万酶活结果900?1000 万调整过程分析：菌种在生长代谢过程中需氧量是有一定规律的，在发酵的不同阶段， 需氧和供氧情况都在变化（由PH值变化进行对比）。发酵前期菌种处于生长阶段，溶氧 水平对菌种生长起一种自动调节作用。培养基中氧的不足造成菌体萌发较快，引起培养 基酸环境倾向抑制了后期丙烯腈水合酶的合成；通过加大通气量、提高转速给予生产菌 充足的溶解氧，虽然菌体生长速度较慢，但是氧的合理分配使得生产菌数量稳步増加 达到一定数量时正处于培养基环境适宜丙烯腈水合酶的合成，此时得到了生产的优化表3-17分离参数调整对照/h/h3 3mm31Ivnv vnv vnv vnv vnv vnv vnv vnv vnv vnv vvnv vnv vnv vnv vvnv vnv Ivnv Ivnv tvo vnv Vo/7夕 /7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7 /7 /7/T" 000000050505555505000 312 3 33312232222211111秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒秒 ,2221.4.822221.2.4.6.822.4.6.8T生物量69.5% 生物量57.2% 生物量65.2% 生物量79.3% 生物量81.8% 生物量80.1% 生物量79.5% 生物量59.6% 生物量65.7% 生物量72.2% 生物量79.8% 生物量81.9% 生物量80.7% 生物量80.5% 生物量79.9% 生物量79.7% 生物量58.2% 生物量59.4% 生物量80.2% 生物量79.8% 生物量79.5%青青青青青青青青青青名青青青青青青-ft:fi青青、7~y '7— '7— '7— NT— NT— NT— NT— NT— NT— Nvt Nvt澄澄澄澄澄澄澄澄澄澄_澄澄澄澄澄澄静鲜澄澄进液指标进液流量分离时间 开启水时间排渣指标出液指标由表3-17可见，通过对排渣周期以及排渣方式的调节能够对分离后丙烯酰胺溶液 固体含量进行有效控制，因此得到最佳分离参数：在离心进液流量控制在3m3/h?5m3/h;排澄周期为15min?25min;排渣水开启时间为1. 4?1. 6秒。

 

当进液固体含量为一定时起决定作用的是分离时间、开启水时间，通过对两个参数 进行合理调节利于反应液分离质量的控制，使分离液指标控制在规定范围内。这样渣液 生物量相对稳定，清液外观澄清透明。用高速离心机对清液进行沉降物检验，固形物氺 0.002%。能够去除绝大部分细胞体以及破碎细胞残留物、部分蛋白质。

 

若能够将离心机分离信号引入DCS系统，将进料、清洗脱盐水、密封水、开启水参 数实现瞬控调节将有利于控制生产成本。如图3-15。

 

图3-15反应液离心分离控制图设定FT001进料控制为5m3/h，设定FV001计时20min;设定FT002进水控制为5m3/h; 设定FV002计时5秒；设定FV011计时20秒；设定FV012计时2秒。其控制分组如图 3-16所示。

 

!? FV001 开启 开始进料FV.011开启计时20min 卜FV001关闭计时5秒? FV002 开启? FV0|2 关闭? FVO^l 关闭FV012开启FV012 关闭 <FV011 开启 <计时2秒图3-16离心机瞬控图分离过程的排渣间期，利用脱盐水将离心机转鼓腔内残余物料冲顶至循环罐，可实 现废渣中丙烯酰胺有效回收、降低外排液中的丙烯酰胺含量、减小污水处理的难度、提 高丙烯酰胺收率，有效控制生产成本。

 

3.2.10.4超滤膜过滤系统实验及工艺优化(1)进料压力表3-18生产实际数据压力温度通量压力温度通量0. 26MPa10°C97L/min0. 32MPa10 °C123L/min0. 28MPa10°C112L/min0. 34MPa10 °c123L/min0.30MPa10°C119L/min0.36MPa10 °c123L/min由上面数据得到，当压力较低时膜表面未形成浓差极限，此时压力与通量呈正比± 大；当压力逐渐增大时通量随压力増大的速度开始减慢；当压力继续增大时通量不随I力改变。主要原因是当压力持续增大时，虽暂时可使通量增加，但阻力也同时随着增大， 因而迫使通量恢复至原值。从而得到生产中超滤系统的压力应控制在〇。28MPa?

 

0. 32MPa〇

 

(2)进料浓度表3-19生产实际数据（这里循环液温度一定，将浓度以生物量形式表示)

 

浓度通量浓度通量浓度通量^0. 01%122 L/min0. 50%113 L/min1. 79%89 L/min0. 12%119 L/inin0. 75%104 L/min2. 11%67 L/min0.21%117 L/min1. 35%95 L/inin2. 5%52 L/min从上表中分析得出浓度与通量呈反比，当物料浓度增大时极限通量减小。根据这一 现象，发现保障通量的条件之一就是保证循环液的生物量小于一定值。因此，保证新鲜 循环液的补充、定期进行二次离心处理，有效保证循环液的生物量不超过允许范围。根 据实际经验的出，循环液的生物量应控制在>0. 5%。

 

(3)进料温度温度的升高会导致通量增大，温度升高后循环液黏度降低并且膜扩散系数增大，但 是会对膜过滤后的产品质量产生影响，因此操作温度选择原则是：在不影响料液和膜的 稳定性范围内，尽量选择较高的温度。因此，我们将循环液温度规定在10?20°C。

 

(4)进料流速增大流速，使流体处于湍流状态，减少悬浮物在膜表面的附着，能减小浓差极化层 厚度，进而使通量增大。在末次改造中，超滤系统为保证单支膜流速控制在16m3/h， 同时减少投资费用，采用了以下方法：将原有单套14支膜并联组合改造为单套4组并联组合，其中每组由3支8040膜串 联构成；将循环泵更换为Q=80m3/h、H=100IIU保证了单组膜的流速，进而提高了膜系 统的通量、提高了膜系统的产能；在管道布置上尽量减少出入口管道的弯头数量，由原 有的14个弯头减少至了 8个降低了管损；为了保证膜的满液操作，在膜壳的设计上采 用了底进高出形式，同时能够保证停工后物料的放净，减小滞留物料对膜系统的污染。

 

(5)污染本装置膜污染是超滤过程中的主要障碍，超滤系统污染的主要原因是：细胞碎片、 核酸和蛋白质的沉淀物附着在膜表面引起的膜通量下降。为了减少膜的污染在膜使用过 程中我们规定单次运行时间>12小时，并且停运后要立即进行清洗。经清洗后清水通 量达到或接近原来指标。但水清洗无法保证膜通量的稳定，因此经实验确定了清洗方法。 通过加热、调节PH值的方法进行膜清洗，能够缓解蛋白质吸附污染，清洗后膜通量提 高到原通量的1.5倍。通过调节清洗液的PH值远离等电点使吸附作用减弱、切断了离 子结合、减轻了膜污染。

 

清洗前通量清洗剂成分清洗液指标清洗时间清洗液温度清洗后指标1.8in3/hNaOHpH 值 8. 0180inin40 °C2. 32 in3/h1. 8m3/h氨水pH 值 8. 0180min40 °C2. 01m3/h1. 8m3/hNaOHpH 值 9. 0180min40 °C2.48 m3/h1. 8m3/hNaOHpH 值 10. 0180min40 °C2.70 m3/h1. 8m3/hNaOHpH 值 10 , 0180min50 °C2.71 m3/h1. 8in3/hNaOHpH 值 11_0180inin40 °C2. 71 in3/h1. 8m3/hNaOHpH 值 11. 0180min50 °C2. 73 m3/h通过实验最终确定膜清洗工艺参数为：pH值范围：级别AR调整清洗水pH值为10?11。清洗温度：40?50°C。清洗压力： 0.6MPa。清洗方式：手动脉冲1次/5分钟间歇15分钟进行。通过化学清洗与手动脉冲 机械清洗互相结合，增加了清洗强度加速切断离子结合，促进等电点吸附作用的破坏。 增大了膜通量，提高了膜系统产能、延长了膜使用寿命。

 

3.2.10.5离子交换技术实验及工艺优化为保证精制后的丙烯酰胺水溶液能够满足聚合生产，我们在树脂选型上进行了细致 的实验。

 

表3-21离子交换树脂实验数据表树脂型号样品指标处理量出液指标阳树脂阴树脂PH值电导率mlPH值电导率D71DN1207.410401600010.618.56001X7201X77.3910531960010.3323.9D71D2137.911202650010.6716.4D71D2137.779302600010.512D71D2137.59363800010.389.12D71D2138.265305200010.614.5D71D2138.35555330010.412D71D2138.268233740010.3612.72D71D2138.1111802600010.513ND744ND7315.9639280009.689.4ND744ND7317.69751700010.249.6ND744ND7317.83980105009.3824.1ND744ND7318.157731000010.4424.5ND744ND7318.263972150010.2716.1ND744ND7318.376872600010.123.71ND744ND7318.46202900010.2112.2表3-22离子交换树脂实验数据表进液指标阳柱阴柱混合柱出液指标pH值电导 流速压力流速压力流速压力u/古 电导 pH值u s/cmu s/cm m/h MPam/hMPam/hMPa7.361152 ][〇 0.670.5120.410.51 8.79 0.66.30.510.80.410.39 9.18 0.55.60.49.60.310.21 10.77 0.55.00.48.40.310.19 10.966 0.44.50.37.20.29.71 12.35 0.44.10.360.29.39 15.64 0.33.70.24.80.19.19 18.873 0.33.30.23.60.18.73 22.35本实验中，膜过滤后的水合液电导率平均为975us/cm,pH值为7. 39，丙烯腈含量为18mg. In 3，丙烯酸含量为834mg. m 3,氨基酸等蛋白类为73mg. m3，糖为 8mg. m 3。

 

表3-23离子交换树脂实验数据表树脂型号处理量出液指标阳树脂阴树脂1pH电导丙烯腈丙烯酸 蛋白 糖D71DN120195.618.51403 2001X7201X7115.3323.916020 7D71D213276.249.11305 3ND744ND219286.189.61405 3003763105.4510.316013 8经过实验数据积累得出：DH与D213组合、D744与D731组合，交换过程平稳，电 导指标稳定，PH值变化较平稳，交换量较大；交换过程中颜色变化明显，能够直观的 分辨出失效层、交换层、待交换层。相对处理量优于以前生产使用树脂。

 

D71与D213、ND744与ND731树脂组合均为大孔型树脂，粒度为0. 4 — 1. 2mm。通过 比较：大孔树脂与普通凝胶树脂不同，孔隙大，树脂内部表面积大，因而适于吸附大分 子；由于孔隙大，能够让有机离子自由通过，在实验中同时体现了这两种树脂抗有机污 染能力强的特性，被有机物污染后再生容易，并且机械强度好不易破碎；通过数据比较 D71与D213组合更适与本装置生产使用。

 

分析其原因认为：生物法生产丙烯酰胺的过程中，因其本身工艺特点，造成产品中 存在有大量有机酸、碱，以及蛋白、糖等，其中有机酸、碱在溶液中离解为离子状态存 在，带有功能基团的离子交换树脂于水合液接触时与溶液中的离子发生交换反应，从而 起到对水合液精制的作用。但是，蛋白、糖等杂质仅部分甚或不发生离解，而且其分子 尺寸较大，因此凝胶型的离子交换树脂无法将该部分杂质完全去除。

 

而大孔型离子交换树脂在树脂的球粒内具有毛细孔结构，是非均相凝胶结构。其孔 体积为0.5ml/g左右，比表面积达数百平方米每克，毛细孔径从几纳米到几万纳米。因 此，大孔型离子交换树脂在精制体系中，不仅与水合液中的有机酸、碱发生功能基团r 换而起到精制作用，还可以利用其内部孔径的存在对水合液中的不离解分子产生吸附T实现对水合液的深度精制。而且大孔型离子交换树脂离子扩散速率较高，相对加宽了树 脂穿透层，使树脂利用率提高。

 

实验过程直观看到，离子交换树脂在交换过程中偏流以及壁效应对树脂的交换能力 以及交换效果影响很大，因此交换过程流量以及进出液压差的稳定是确保整个交换过程 避免偏流的有利手段；再生后树脂经过压实后投入使用能有效减小壁效应。因此，结合 生产实际情况与设计指标进料压力控制在〇。 4?0. 6MPa;单组交换柱前后压差应控制在 0? 05?0? IMPa;阳柱流速在10m/h。

 

生产使用以及再生处理中每运行10个交换周期进行一次大反洗操作，保证了柱内 离子交换树脂的层态平衡，在阳、阴柱内部结构采用无顶压逆流再生形式，再生效果是 普通顺流再生的2倍，再生液用量是普通交换过程的1/2,提高了树脂的交换能力以及 交换量确保产品质量达标稳定了生产。

 

结论一、生化法生产丙烯酰胺，其因为生物酶催化具有专一性，因此在水合过程中一般 不产生其他副反应。但在实际生产过程中，生产出的丙烯酰胺水溶液中却因微量酰胺酶 的存在导致丙烯腈进一步水解为丙烯酸。另外，伴随水合进程，部分菌体死亡、破裂， 或出现自溶现象，使细胞碎片、细胞内的蛋白质、氨基酸等有机（无机）杂质及发酵液 和原料中携带的各类杂质进入丙烯酰胺水溶液中。

 

二、发酵过程中丙烯腈水合酶生产菌的培养温度、环境pH值、溶氧度以及泡沫的 消长直接影响到丙烯腈水合酶的生长、代谢以及产物的合成，要想获得最高指标的酶活 力必须合理控制这4项内容，虽然溶氧度指标在生产过程中是不可监控的，但是通过与 培养环境pH值、泡沫消长变化规律有机的结合，能够科学分析溶氧状况，同步进行工 艺调整获得最佳酶活指标。

 

三、生化法生产丙烯酰胺时，因细胞代谢或其他辅酶反应生成的甲醛、丙烯酸、蛋 白等杂质对聚丙烯酰胺的产品质量有一定的影响，需在精制过程中予以脱出。

 

四、离心及膜过滤系统是控制产品质量的重要工序，科学合理调整相关参数，可以 有效去除大分子杂质，对减少离子交换树脂的有机污染起到至关重要的作用。

 

五、大孔型离子交换树脂因其独有的毛细孔结构，有利于处理生化法丙烯酰胺水溶 液中的杂质，从而提高聚丙烯酰胺产品质量。

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