一般而言，溫度的提高有助于加快反應速度。根據文獻報道，大多數菌種的腈水合 酶的最大反應速率發生在40-50°C，有些嗜熱細菌的溫度條件要高一些[29],但我們所使 用的諾卡氏菌在稍高的溫度條件下，當溫度大于28°C后酶的失活很快，所以只研究低 于28°C的情況。研究結果可見，隨著溫度降低，反應速率明顯減小。在28°C下測定 的酶活為5659utmL的菌液，在5°C時的反應速率僅為28°C時的11.72%，由反應速率 折算的表觀酶活僅為663utmL。大多數酶對熱敏感，在較高的溫度下易變性失活。為研 究水合溫度對于腈水合酶的影響，將酶液(Enzyme Solution，ES)和菌體重懸液(Cell Suspension，cs)在不同的溫度下保溫，定時取樣測量其酶活。不同時刻的酶活與初始 酶活的比值為相對酶活，可以得出，在高溫下，腈水合酶的相對酶活迅速降低，這說明 溫度導致腈水合酶失活。在相同的溫度下，菌體重懸液的酶活衰減速率明顯低于酶液， 這說明在菌體內可能存在可以穩定腈水合酶的物質。腈水合酶的熱失活過程是一級反 應，即：Lnr=-kt.(3-8)

 

失活半衰期為：ti/2=ln2 / k.(3-9)

 

由式(4.7)求得40°C下菌體重懸液中腈水合酶的失活半衰期為59. 9 h.催化過程 中，水合溫度一般低于40°C ,水合時間也遠少于59. 9 h。因此，實驗結果證明，菌 體內的腈水合酶在水合條件下具有較好的熱穩定性，單純的溫度因素不是導致腈水合酶 失活的主要原因。

 

進一步通過Arrhenius公式：lnk=-E/RT+lnA，（3-10)

 

將Ink與T-1擬合，求得酶液和菌體重懸液中腈水合酶失活的活化能分別是123. 5 和164. OkJ/mol.菌體重懸液中腈水合酶失活的活化能大于酶液，說明胞內腈水合 酶的失活對溫度的升高更敏感，這可能是由于溫度升高對于胞內穩定組分有破壞作用。

 

3.2.4.生化法水合反應中丙烯酰胺濃度對酶反應的影響在初始的反應體系中加入一定濃度的產物丙烯酰胺，反應后通過底物丙烯腈的減2量確定酶反應初速度。為了排除溫度的影響，選擇了較低的反應溫度10°c。研究對象 是菌體懸浮液。以丙烯酰胺濃度為0時的初速度為1，可以看出，反應速率隨著丙烯酰 胺濃度增大而減小。丙烯酰胺濃度為l〇〇g/L時，腈水合酶的表觀活性僅為丙烯酰胺濃 度為〇時的78. 2%，而當丙烯酰胺濃度達到500 g / L時，表觀酶活下降到37. 1%。 因此，水合產生的產物丙烯酰胺對于腈水合酶有著較強的抑制作用，這種抑制作用隨著 產物濃度的升高而增強。

 

3.2.5生化法水合反應中pH值對酶反應的影響在腈水合酶催化丙烯腈水合生成丙烯酰胺的過程中，當反應體系中丙烯酰胺濃度從 〇升高到500 g / L時，pH值相應地從7. 02升高到7. 71。為研究pH值對反應速率的影 響，利用不同pH值的25 mmol/L的磷酸鉀緩沖液作為反應體系，測定同一菌體重懸液 中的腈水合酶酶活。參考實際生產體系，采用菌體重懸液，不同pH值的反應體系中加 入的酶量一致。以pH 7. 2的酶反應速率為1，求出不同pH值下的相對速率r。可以看 出，pH值在7?8之間變化時，腈水合酶的酶反應速率基本不受影響。

 

3.2.6生化法水合反應中丙烯腈濃度對酶反應的影響丙烯腈濃度有兩方面的影響，低濃度時降低酶反應速率，高濃度對酶反應有抑制作 用。實驗測定了不同底物濃度下的腈水合酶的催化反應初速度。為了更好地反映酶反應 的初速度，將反應時間減少到1 min，防止丙烯腈濃度較低時由于底物完全消耗而影響 測量結果的準確。考察相同的菌體懸浮液中的腈水合酶在不同的底物濃度下的酶反應速 率，以50 g/L時的酶反應初速率為1，求出不同底物濃度下的相對速率r。可以看出， 底物丙烯腈的濃度對于酶反應速率的影響比較顯著。底物濃度低于10 g/L時，酶反應 速率與底物濃度成正比，底物濃度超過75 g/L后，酶反應速率降低，這說明高濃度的 底物對于腈水合酶有抑制作用，一定濃度（10—75 g / L)的丙烯腈有助于提高反應速率。

 

3.2.7生化法水合反應中丙烯釀胺與溫度的協同作用在腈水合酶細胞催化的水合過程中，腈水合酶和丙烯酰胺有直接接觸。已知丙烯酰 胺是一種可使蛋白質變性的物質，可能使酶失活，因此研究了丙烯酰胺與溫度的協同作 用。研究測定了在不同溫度、不同丙烯酰胺濃度下腈水合酶酶活隨時間變化的曲線。測 定方法是將菌體懸浮在一定濃度和溫度的丙烯酰胺溶液中，定時取樣，將丙烯酰胺洗凈 測酶活。以0時刻的初始酶活為1，可知lnr與時間t呈線性關系。用式（1)求出失活 常數k，不同丙烯酰胺濃度和溫度下的失活常數。可以看出，在相同的溫度下，隨丙烯 酰胺濃度增大，腈水合酶的失活常數k也增大。同時可以看出，在相同的丙烯酰胺濃度 下，隨溫度升高腈水合酶的失活常數顯著增大。結合前文的結果可知，在酶的失活過程 中，溫度和丙烯酰胺具有協同作用。由此可知，丙烯酰胺和溫度的協同作用也是使腈水 合酶失活的重要因素，這種因素的影響隨著溫度和丙烯酰胺濃度的升高而增強。

 

3.2.8生化法丙烯釀胺水溶液的精制生化法丙烯酰胺水溶液的精制由：離心分離、膜過濾、離子交換三個主要環節構成。 工藝流程如圖3-11所示。

 

反彥液 離心機分離(固液分離，離心分離、錯流過濾）

 

膜過濾離子交換_(離子交換反應，吸附導電離子）

 

圖3-11生物法丙烯酰胺精制工藝3. 2. 8. 1離心機的應用：離心機是利用離心力對混合液（含有固形物）進行分離和沉淀的一種專用儀器，是 用來分離制備生物大分子必不可少的重要工具。工業用離心機按結構和分離要求，可分 為過濾離心機、沉降離心機和分離機三類。離心機有一個繞本身軸線高速旋轉的圓筒， 稱為轉鼓，通常由電動機驅動。懸浮液(或乳濁液)加入轉鼓后，被迅速帶動與轉鼓同速 旋轉，在離心力作用下各組分分離，并分別排出。通常，轉鼓轉速越高，分離效果也越 好。

 

精制工藝的第一個必要步驟就是固液分離，其目的在于分離細胞、菌體和其他懸浮 顆粒（細胞碎片、核酸和蛋白質的沉淀物）。催化劑用量不同的反應液流變特性不同、 生產菌種個體小、菌體以及破碎細胞的存在造成過濾速度極慢不能采用直接過濾，因此 裝置固液分離工藝首先利用離心機從懸浮液中分離固形物，分離質量主要決定于離心機 的分離因數及離心過程排渣周期控制。本裝置反應液離心采用的是南京綠洲718型碟片 離心機，分離因數較高。

 

3. 2. 8. 2膜過濾系統的應用：膜分離技術是一種廣泛應用于溶液或氣體物質分離、濃縮和提純的分離技術。它利 用具有選擇透過能力的薄膜做分離介質，膜壁密布微空，原液在一定壓力下通過膜的一 側，溶劑及小分子溶質透過膜壁為濾出液，而較大分子溶質被膜截留，從而達到物質分 離及濃縮的目的。膜分離過程為動態過濾過程，大分子溶質被膜壁阻隔，隨濃縮液流出 膜組件，膜不易被堵塞，可連續長期使用。過濾過程可在常溫、低壓下運行，無相態r 化，高效節能。

 

膜技術應用于微生物法丙烯酰胺是一種新的發展趨勢。該方法包含的工序有微生物 菌體培養、菌體重懸液的制備、用游離菌體作生物催化劑進行丙烯腈水合反應、分離反 應所得的丙烯酰胺水合液[3()]。與固定化細胞法工藝相比，游離細胞法采用膜直接分離菌 體，工藝簡單，省去了固定化材料、造粒、固化、固定化細胞粒子洗滌等工序，反應液 電導率低，從而減輕了后續精制負荷。其特征是用超濾膜來分離丙烯酰胺水合液中的生 物雜質。采用該工藝生產丙烯酰胺可以明顯提高生產效率和菌體利用率，同時水合液產 品中的生物雜質含量降低，得到的丙烯酰胺質量好、純度高。

 

反應液經離心機進行初步分離后，利用卷式超濾進行錯流過濾，如圖3-12所示。

 

3. 2. 8. 3離子交換技術的應用離子交換技術作為一種液相組分獨特的分離技術，具有優異的分離選擇性與很高的 濃縮倍數，操作方便，效果突出。因此，在各種回收、富集與純化作業中得到廣泛應用。 特別是第二次世界大戰后期，強堿性陰離子交換樹脂在核燃料提煉過程中取得的巨大成 功，以及作為換代技術，離子交換樹脂繼沸石，磺化煤之后，在熱電站給水工程中的大 規模應用，使離子交換技術很快推廣到許多現代工業的分離工程中，發揮了卓越的技術 功能。例如，在化工、醫藥、食品、水處理、濕法冶金、環境保護，以及核燃料后處理 等方面，離子交換技術作為一種新型提取、濃縮、精制手段，得到廣泛應用和迅速發展， 展現了廣闊的前景。離子交換樹脂是進行離子交換分離操作的物質基礎。樹脂性能的優 劣，對于分離效果的好壞，起著決定性的作用。目前，我國已能大量生產適合于各種工 藝目的，應用于各種操作條件的工業樹脂。隨著離子交換樹脂的發展，樹脂應用技術也 在不斷改善，開始是間歇式工藝，很快就發展到固定床工藝，六十年代后逆流技術及連 續式離子交換工藝，雙層床技術等獲得了很快的發展，這些新的應用技術和工藝的開發， 使離子交換樹脂在許多領域的應用更加有效和經濟。生產規模與設備的大型化，是近代 工業技術進步的重要標志之一P目前，工業離子交換設備的直徑可達4?6m，處理能力 達103?104m3/h。離子交換分離技術已躋身于成熟化工單元過程之列，成為繼蒸餾、萃 取、吸收等典型化工過程之后，新崛起的一種高效化工分離技術。

 

由于生物法丙烯酰胺采用游離的細胞酶進行催化反應，在菌體受到熱、某些化學奪 質、雜菌等破壞時，產生部分對聚合有害的離子，如大分子蛋白、有機酸等，而且，1生物培養中，需引入大量無機離子，這些雜質的存在，將嚴重影響最終產品的質量。因 此，離子交換技術在生化法丙烯酰胺的生產中尤為關鍵。

 

3.2.9實驗部分3.2.9.1實驗藥品及儀器設備表3_11試驗藥品名稱規格生產廠家丙烯腈純度彡99%大慶煉化公司丙烯酰胺23?27%水溶液大慶煉化公司葡萄糖總糖彡90. %河北圣雪酵母膏總氮彡60%廣東江門尿素工業一級大慶乙烯石化總廠味精食用級哈爾濱活性中心(Ssjz)

 

其它微量輔料及化驗藥品分析純自制表3-12設備及儀器雙層搖床SPY-50上海離心機械研究所離心機DBP500/38-22-30南京綠洲機械廠種子罐、發酵罐、水合釜無錫太湖石化設備廠膜分離系統星達過濾技術有限公司AM精制系統中宇節能凈化設備公司恒溫水浴WMZK-01遼陽恒溫儀器廠離心機（實驗室）80-2上海手術器械廠離心機（現場）南京綠洲機械設備公司分光光度計7230G上海精密科學儀器有限公司氣相色譜GC-14B曰本島津電導率儀DDS-11A上海雷磁新涇儀器有限公司PH計SevenEssyS20K梅特勒-托利多儀器有限公司精密電子天平FA-1104上海天平儀表廠500ml磨口瓶，各種型號容暈瓶、移液管、燒杯，乳膠管、洗耳球、橡膠塞等3.2.9.2實驗方法及內容丙烯酰胺的制備：將搖床培養的腈水合酶菌種接種至種子罐，控制培養參數，采用 兩級培養方式，獲得具有足夠酶活的菌體。按酶活計算，將定量的腈水合酶菌種轉移至 水合釜，按一定速度加入丙烯腈（同時控制攪拌槳轉速及反應溫度），當丙烯酰胺濃度 達到28-30%時結束水合反應；利用離心機和膜分離系統去除水合液中所含的菌體及大 于1000分子量的雜質，經離子交換系統精制，獲得適用于聚丙烯酰胺生產的丙烯酰胺 水溶液；同時，對上述各環節的丙烯酰胺水溶液中的各種組分進行分析。離子交換樹脂 實驗方法：首先對樹脂進行預處理：將陽離子樹脂500ml置于2%的鹽酸溶液中浸泡12 小時，然后用除鹽水沖洗至流出水為中性。將陰離子樹脂l〇〇〇ml置于2%的氫氧化鈉溶 液中浸泡12小時，然后用除鹽水沖洗至流出水為中性。將處理好的樹脂裝入樹脂柱內 用除鹽水沖洗干凈備用。利用計量泵控制經膜分離系統過濾后的丙烯酰胺水溶液3 2500ml/h流量條件上，使待處理的丙烯酰胺水溶液按照陽樹脂柱一陰樹脂柱一混合樹 脂柱的方式通過離子交換試驗系統，每20分鐘采集一次液樣進行電導、PH值及組分測 試，比較不同樹脂的交換能力。樹脂飽和后，分別對所用實驗樹脂進行靜態再生，用再 生后的樹脂再進行離子交換實驗測試其交換能力變化。

 

3.2.9.3分析方法總糖的測定：準確稱取50毫克無水葡萄糖，于50毫升容量瓶中，用蒸餾水溶解并稀釋到刻度， 搖勻，得1000微克/毫升溶液，再從中吸5毫升到100毫升容量瓶，用蒸餾水稀釋到刻 度得50微克/毫升標準液。

 

取5支25毫升試管，其中4支分別吸取2、1.5、1、0.5毫升的50微克/毫升葡萄 糖標準液，并依次吸入〇、0.5、1、1.5毫升蒸餾水分別配成50、37. 5、25、12. 5微克 /2毫升葡萄糖標準溶液，另取1支25毫升試管加2毫升蒸餾水作空白，每個試管中分 別加入0.5毫升2. 5%苯酚溶液，然后置冷水中冷卻，然后緩慢沿壁加入5毫升濃硫酸， 快速搖勻后放入沸水中煮3分鐘，現移入冷水中，冷卻10分鐘后在波長560nm處進行 比色，測得其光密度，作標準曲線：將待測液離心后，用吸管吸取0.1毫升上清液于50毫升容量瓶，加蒸餾水到刻度， 然后吸2毫升于25ml試管中，再加入0.5毫升2. 5%苯酚溶液，在冷水浴中冷卻，再加 5毫升濃硫酸，快速搖勻后立即放入沸水中煮沸3分鐘，再移入冷水中冷卻10分鐘， 在波長560nm處進行比色，測得其光密度，根據光密度讀數在標準曲線上查葡萄糖微克數。

 

計算：總糖含量用微克/毫升表示被測樣品濃度（微克/毫升）：被測樣品的光密度相應葡萄糖的微克數X稀釋倍數。 氨基氮的測定：吸取待測液2毫升于150毫升三角瓶中，然后加20毫升蒸餾水，加入1%甲基紅指 示劑一滴，用〇。 5N硫酸調節至紅色，用0. 02N氫氧化鈉調節至橙色，即為中性加入50% 中性甲醛溶液2毫升，放置15分鐘加入1%酚酞指示劑1滴后，用標定過的0. 02858N 的氫氧化鈉滴定至紅色，讀其用去的毫升數。

 

計算：氨基氮（毫克/毫升）=滴定用去氫氧化鈉毫升數X0. 2酶活性的測定：開啟恒溫水浴槽調溫至28°C，在50毫升三角瓶中加入1毫升待測液，0. 025M磷酸 緩沖液19毫升，充分混勻后放入水浴槽，恒溫5分鐘，以精密移液器加入1000微升丙 烯腈，并以秒表計時5分鐘，反應結束后，取出加入200微升18NHC1溶液中止水合反 應，將反應液倒入試管中于3000rPm在離心機內離心20分鐘，上清液調節PH至中性P近。

 

從上述離心管中以1毫升移液管取上清液1毫升，于樣品瓶中，再以1毫升移液管 加入1毫升5.0%乙酰胺溶液的內標物，3毫升蒸餾水，混合后搖勻，以色譜測定之后生 成的丙烯酰胺。

 

計算：酶活（ug丙烯酰胺/小時）=丙烯酰胺濃度X12X20 丙烯酰胺濃度的測定：色譜柱：PorapakQ (80-100 目） 3. 2mmX 1. 1M 玻璃柱柱溫：220°C 氣化及檢測溫度：240°C 氮氣流速：lOOKpa 氫氣流速：50Kpa 空氣流速：50Kpa內標溶液配制：稱取5克乙酰胺于100ml容量瓶中，蒸餾水定容，相當于0.05克/ 毫升。備用于青霉素瓶中。

 

精確稱取（準確至0.0002克）0.05克丙烯酰胺標樣，吸1毫升乙酰胺內標液，加 4毫升蒸餾水。在色譜條件下，取0.6微升注入色譜儀分析，重復數次求平均值。以內 標物相對響應值為1,用下式計算丙烯酰胺的相對校正因子（F):F=W標/W內XA內/A標 式中：W標：丙烯酰胺標準品重量 A標：丙烯酰胺標準品峰面積 W內：乙酰胺內標物重量 A內：乙酰胺內標物峰面積精確吸取1毫升樣品水溶液，1毫升內標溶液，加3毫升蒸餾水，搖勻，取0.6微 升注入色譜儀分析。用下式計算丙烯酰胺樣品的實際含量：C%=F X W 內 /W 樣 X A 樣/A 內 X 100%式中：F:丙烯酰胺標樣的相對校正因子 A樣：丙烯酰胺樣品的峰面積 W樣：丙烯酰胺樣品的重量丙烯腈、丙烯酸濃度測定：反測校正因子，進丙烯腈，丙烯酸標樣1微升若干次，直至校正因子平行后取平均 值輸入ID表，其中SPL. WT=100。

 

取待測樣品1微升注入進樣口，出結果后，升溫趕除丙烯酰胺峰后，降柱溫至基線 平直后方可再次進樣。

 

丙烯腈(酸)含量(mg. m-3)=峰面積X丙烯腈(酸)校正因子在發酵過程中除了滿足生產菌種的營養需要外，還需要維持菌的適當培養條件，其 中之一就是保持菌種生長和合成產物所需要的最適溫度。隨著溫度的上升，細胞的生長 繁殖加快。但隨著溫度的上升，菌體衰老提前發酵周期縮短，這對整個發酵生產及后續 水合是不利的。

 

(1)影響發酵過程溫度的主要因素生物熱隨菌體培養基成分和發酵周期的不同而異，菌種對培養基利用的速率越大、 培養基成分越豐富，產生生物熱就越大。發酵旺盛期的生物熱大于其他時間的生物熱。 對裝置現有生產菌而言，以轉種后開始記時溫度變化曲線如圖3-13所示。

 

圖3_13發酵過程溫度隨培養基利用變化曲線 1-溫度變化曲線2-氨基氮3-葡萄糖由圖3-13可直接觀察到發酵過程中溫度變化隨培養基濃度變化過程，發酵高峰期 糖、氮消耗速率增大，生物熱產生較大、溫度調節頻繁，特別是在48小時以前生物熱 產生較為集中，另外還發現高酶活批號發酵罐產生的溫度調節頻率高于低酶活批號發酵 罐，圖3-14。

 

根據實際收集溫度調節頻次批號為1發酵罐溫度調節頻次為27. 7次/小時，而批€ 為2發酵罐溫度調節頻次為21. 4次/小時，由此可見丙烯腈水合酶合成時的新陳代謝-分旺盛。

 

(2)溫度的控制溫度對生產菌生長和生產的影響是各種因素綜合表現的結果。溫度升高生物生長代 謝加快，生產期提前，但酶本身容易因熱失去活性，溫度越高，酶失活也越快，表現在 菌體易于衰老，發酵周期縮短，影響丙烯腈水合酶發酵單位。溫度變化對不同時期菌種 生長影響對照表3-13。

 

表3-13發酵溫度對菌種生長的影響溫度13小時生物量培養時間酶活最終酶活23〇C0. 5%36小時257. 6 萬294. 2 萬25〇C0. 7%36小時317. 2 萬344. 0 萬28 °C0. 9 %36小時369.6 萬974. 4 萬30 °C1. 2%36小時453. 6 73609. 0 %由對照表3-13分析，在發酵罐轉種初期由于菌絲還未長濃，這時應優先考慮適宜 的生長溫度保證菌種的萌發。但在實際生產中由于發酵過程監控不夠及時，初期溫度略 高雖益于菌體萌發，但菌體初期生長速度過快，營養消耗過大培養環境不易控制，不能 保證后期產酶的穩定。因此通過實驗比較，溫度穩定在28°C有利于發酵過程以及酶活 單位的穩定。

 

3.2.10.2溶解氧對發酵的影響和控制在發酵系統中有效保證發酵過程中氧的供給，滿足生產菌對氧的需求，使氧的供需 成為穩定和提高生產、降低成本的關鍵之一。在生產中因供氧不足引起的酶活單位低的 現象在以往是屢見不鮮的，但由于發酵液成分的復雜以及沒有相應的技術手段來分析發 酵過程發酵液中溶解氧濃度，因此只能從溫度、壓力、通氣量、攪拌速度以及攪拌方式 上進行調整，改變氧的供給量以及供給方式來調整發酵液中溶解氧的濃度。表3-14溶 解氧控制方法的比較。表3-15與氧控傳遞有關的工程參數。

 

表3-14溶解氧控制方法的比較方法投資運轉成本效果對生產作用氣體成分中到低聞好好攪拌速度聞低好好擋板中低好好攪拌槳中低良好通氣速率低低不明顯罐壓中到高低不明顯好溫度低低不明顯不一定表3-15與氧控傳遞有關的工程參數項目參數內容項目參數內容攪拌1.攪拌器形式：封閉式、開放式攪拌轉速1.雷諾準數2.葉片形狀：彎葉或平葉2. KW/t3.攪拌器直徑或罐直徑3. “K”因子空氣流速4.擋板數和擋板寬度 5.攪拌擋數和位置 1.每分鐘體積比（V/V.inin) 2.空氣分布器類型和位置罐壓MPa通過表3-14、3-15結合對比，在生產中以現有條件可進行溶氧調節的手段有調整 通氣量以及攪拌轉速和罐壓，由于溫度對菌體生長代謝影響較大因此培養溫度不宜變 化。通過調整通氣、轉速以及罐壓進行對比得到了現有的工藝參數0?13小時轉速為 200 rpm/通氣量為200?220m3/h; 13以后小時轉速為170 rpm/通氣量為160m3/h。它 在固定培養基配方基礎上，將酶活單位穩定在800萬技術轉讓指標，并在催化水合反應 中表現出催化反應穩定、副產物低的特性。

 

表3-16參數調整對照表（2006.12至2007.8工藝參數變化對照）

 

轉速通氣量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小時13小時后轉速通氣量轉速通氣量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小時13小時后轉速通氣量轉速通氣量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小時18小時后轉速通氣量轉速通氣量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小時18小時后轉速 通氣量轉速通氣量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小時13小時后轉速通氣量酶活結果500?600萬酶活結果550?650萬酶活結果650?700萬酶活結果700?800萬酶活結果900?1000 萬調整過程分析：菌種在生長代謝過程中需氧量是有一定規律的，在發酵的不同階段， 需氧和供氧情況都在變化（由PH值變化進行對比）。發酵前期菌種處于生長階段，溶氧 水平對菌種生長起一種自動調節作用。培養基中氧的不足造成菌體萌發較快，引起培養 基酸環境傾向抑制了后期丙烯腈水合酶的合成；通過加大通氣量、提高轉速給予生產菌 充足的溶解氧，雖然菌體生長速度較慢，但是氧的合理分配使得生產菌數量穩步増加 達到一定數量時正處于培養基環境適宜丙烯腈水合酶的合成，此時得到了生產的優化表3-17分離參數調整對照/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_澄澄澄澄澄澄靜鮮澄澄進液指標進液流量分離時間 開啟水時間排渣指標出液指標由表3-17可見，通過對排渣周期以及排渣方式的調節能夠對分離后丙烯酰胺溶液 固體含量進行有效控制，因此得到最佳分離參數：在離心進液流量控制在3m3/h?5m3/h;排澄周期為15min?25min;排渣水開啟時間為1. 4?1. 6秒。

 

當進液固體含量為一定時起決定作用的是分離時間、開啟水時間，通過對兩個參數 進行合理調節利于反應液分離質量的控制，使分離液指標控制在規定范圍內。這樣渣液 生物量相對穩定，清液外觀澄清透明。用高速離心機對清液進行沉降物檢驗，固形物氺 0.002%。能夠去除絕大部分細胞體以及破碎細胞殘留物、部分蛋白質。

 

若能夠將離心機分離信號引入DCS系統，將進料、清洗脫鹽水、密封水、開啟水參 數實現瞬控調節將有利于控制生產成本。如圖3-15。

 

圖3-15反應液離心分離控制圖設定FT001進料控制為5m3/h，設定FV001計時20min;設定FT002進水控制為5m3/h; 設定FV002計時5秒；設定FV011計時20秒；設定FV012計時2秒。其控制分組如圖 3-16所示。

 

!? FV001 開啟 開始進料FV.011開啟計時20min 卜FV001關閉計時5秒? FV002 開啟? FV0|2 關閉? FVO^l 關閉FV012開啟FV012 關閉 <FV011 開啟 <計時2秒圖3-16離心機瞬控圖分離過程的排渣間期，利用脫鹽水將離心機轉鼓腔內殘余物料沖頂至循環罐，可實 現廢渣中丙烯酰胺有效回收、降低外排液中的丙烯酰胺含量、減小污水處理的難度、提 高丙烯酰胺收率，有效控制生產成本。

 

3.2.10.4超濾膜過濾系統實驗及工藝優化(1)進料壓力表3-18生產實際數據壓力溫度通量壓力溫度通量0. 26MPa10°C97L/min0. 32MPa10 °C123L/min0. 28MPa10°C112L/min0. 34MPa10 °c123L/min0.30MPa10°C119L/min0.36MPa10 °c123L/min由上面數據得到，當壓力較低時膜表面未形成濃差極限，此時壓力與通量呈正比± 大；當壓力逐漸增大時通量隨壓力増大的速度開始減慢；當壓力繼續增大時通量不隨I力改變。主要原因是當壓力持續增大時，雖暫時可使通量增加，但阻力也同時隨著增大， 因而迫使通量恢復至原值。從而得到生產中超濾系統的壓力應控制在〇。28MPa?

 

0. 32MPa〇

 

(2)進料濃度表3-19生產實際數據（這里循環液溫度一定，將濃度以生物量形式表示)

 

濃度通量濃度通量濃度通量^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從上表中分析得出濃度與通量呈反比，當物料濃度增大時極限通量減小。根據這一 現象，發現保障通量的條件之一就是保證循環液的生物量小于一定值。因此，保證新鮮 循環液的補充、定期進行二次離心處理，有效保證循環液的生物量不超過允許范圍。根 據實際經驗的出，循環液的生物量應控制在>0. 5%。

 

(3)進料溫度溫度的升高會導致通量增大，溫度升高后循環液黏度降低并且膜擴散系數增大，但 是會對膜過濾后的產品質量產生影響，因此操作溫度選擇原則是：在不影響料液和膜的 穩定性范圍內，盡量選擇較高的溫度。因此，我們將循環液溫度規定在10?20°C。

 

(4)進料流速增大流速，使流體處于湍流狀態，減少懸浮物在膜表面的附著，能減小濃差極化層 厚度，進而使通量增大。在末次改造中，超濾系統為保證單支膜流速控制在16m3/h， 同時減少投資費用，采用了以下方法：將原有單套14支膜并聯組合改造為單套4組并聯組合，其中每組由3支8040膜串 聯構成；將循環泵更換為Q=80m3/h、H=100IIU保證了單組膜的流速，進而提高了膜系 統的通量、提高了膜系統的產能；在管道布置上盡量減少出入口管道的彎頭數量，由原 有的14個彎頭減少至了 8個降低了管損；為了保證膜的滿液操作，在膜殼的設計上采 用了底進高出形式，同時能夠保證停工后物料的放凈，減小滯留物料對膜系統的污染。

 

(5)污染本裝置膜污染是超濾過程中的主要障礙，超濾系統污染的主要原因是：細胞碎片、 核酸和蛋白質的沉淀物附著在膜表面引起的膜通量下降。為了減少膜的污染在膜使用過 程中我們規定單次運行時間>12小時，并且停運后要立即進行清洗。經清洗后清水通 量達到或接近原來指標。但水清洗無法保證膜通量的穩定，因此經實驗確定了清洗方法。 通過加熱、調節PH值的方法進行膜清洗，能夠緩解蛋白質吸附污染，清洗后膜通量提 高到原通量的1.5倍。通過調節清洗液的PH值遠離等電點使吸附作用減弱、切斷了離 子結合、減輕了膜污染。

 

清洗前通量清洗劑成分清洗液指標清洗時間清洗液溫度清洗后指標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通過實驗最終確定膜清洗工藝參數為：pH值范圍：級別AR調整清洗水pH值為10?11。清洗溫度：40?50°C。清洗壓力： 0.6MPa。清洗方式：手動脈沖1次/5分鐘間歇15分鐘進行。通過化學清洗與手動脈沖 機械清洗互相結合，增加了清洗強度加速切斷離子結合，促進等電點吸附作用的破壞。 增大了膜通量，提高了膜系統產能、延長了膜使用壽命。

 

3.2.10.5離子交換技術實驗及工藝優化為保證精制后的丙烯酰胺水溶液能夠滿足聚合生產，我們在樹脂選型上進行了細致 的實驗。

 

表3-21離子交換樹脂實驗數據表樹脂型號樣品指標處理量出液指標陽樹脂陰樹脂PH值電導率mlPH值電導率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離子交換樹脂實驗數據表進液指標陽柱陰柱混合柱出液指標pH值電導 流速壓力流速壓力流速壓力u/古 電導 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本實驗中，膜過濾后的水合液電導率平均為975us/cm,pH值為7. 39，丙烯腈含量為18mg. In 3，丙烯酸含量為834mg. m 3,氨基酸等蛋白類為73mg. m3，糖為 8mg. m 3。

 

表3-23離子交換樹脂實驗數據表樹脂型號處理量出液指標陽樹脂陰樹脂1pH電導丙烯腈丙烯酸 蛋白 糖D71DN120195.618.51403 2001X7201X7115.3323.916020 7D71D213276.249.11305 3ND744ND219286.189.61405 3003763105.4510.316013 8經過實驗數據積累得出：DH與D213組合、D744與D731組合，交換過程平穩，電 導指標穩定，PH值變化較平穩，交換量較大；交換過程中顏色變化明顯，能夠直觀的 分辨出失效層、交換層、待交換層。相對處理量優于以前生產使用樹脂。

 

D71與D213、ND744與ND731樹脂組合均為大孔型樹脂，粒度為0. 4 — 1. 2mm。通過 比較：大孔樹脂與普通凝膠樹脂不同，孔隙大，樹脂內部表面積大，因而適于吸附大分 子；由于孔隙大，能夠讓有機離子自由通過，在實驗中同時體現了這兩種樹脂抗有機污 染能力強的特性，被有機物污染后再生容易，并且機械強度好不易破碎；通過數據比較 D71與D213組合更適與本裝置生產使用。

 

分析其原因認為：生物法生產丙烯酰胺的過程中，因其本身工藝特點，造成產品中 存在有大量有機酸、堿，以及蛋白、糖等，其中有機酸、堿在溶液中離解為離子狀態存 在，帶有功能基團的離子交換樹脂于水合液接觸時與溶液中的離子發生交換反應，從而 起到對水合液精制的作用。但是，蛋白、糖等雜質僅部分甚或不發生離解，而且其分子 尺寸較大，因此凝膠型的離子交換樹脂無法將該部分雜質完全去除。

 

而大孔型離子交換樹脂在樹脂的球粒內具有毛細孔結構，是非均相凝膠結構。其孔 體積為0.5ml/g左右，比表面積達數百平方米每克，毛細孔徑從幾納米到幾萬納米。因 此，大孔型離子交換樹脂在精制體系中，不僅與水合液中的有機酸、堿發生功能基團r 換而起到精制作用，還可以利用其內部孔徑的存在對水合液中的不離解分子產生吸附T實現對水合液的深度精制。而且大孔型離子交換樹脂離子擴散速率較高，相對加寬了樹 脂穿透層，使樹脂利用率提高。

 

實驗過程直觀看到，離子交換樹脂在交換過程中偏流以及壁效應對樹脂的交換能力 以及交換效果影響很大，因此交換過程流量以及進出液壓差的穩定是確保整個交換過程 避免偏流的有利手段；再生后樹脂經過壓實后投入使用能有效減小壁效應。因此，結合 生產實際情況與設計指標進料壓力控制在〇。 4?0. 6MPa;單組交換柱前后壓差應控制在 0? 05?0? IMPa;陽柱流速在10m/h。

 

生產使用以及再生處理中每運行10個交換周期進行一次大反洗操作，保證了柱內 離子交換樹脂的層態平衡，在陽、陰柱內部結構采用無頂壓逆流再生形式，再生效果是 普通順流再生的2倍，再生液用量是普通交換過程的1/2,提高了樹脂的交換能力以及 交換量確保產品質量達標穩定了生產。

 

結論一、生化法生產丙烯酰胺，其因為生物酶催化具有專一性，因此在水合過程中一般 不產生其他副反應。但在實際生產過程中，生產出的丙烯酰胺水溶液中卻因微量酰胺酶 的存在導致丙烯腈進一步水解為丙烯酸。另外，伴隨水合進程，部分菌體死亡、破裂， 或出現自溶現象，使細胞碎片、細胞內的蛋白質、氨基酸等有機（無機）雜質及發酵液 和原料中攜帶的各類雜質進入丙烯酰胺水溶液中。

 

二、發酵過程中丙烯腈水合酶生產菌的培養溫度、環境pH值、溶氧度以及泡沫的 消長直接影響到丙烯腈水合酶的生長、代謝以及產物的合成，要想獲得最高指標的酶活 力必須合理控制這4項內容，雖然溶氧度指標在生產過程中是不可監控的，但是通過與 培養環境pH值、泡沫消長變化規律有機的結合，能夠科學分析溶氧狀況，同步進行工 藝調整獲得最佳酶活指標。

 

三、生化法生產丙烯酰胺時，因細胞代謝或其他輔酶反應生成的甲醛、丙烯酸、蛋 白等雜質對聚丙烯酰胺的產品質量有一定的影響，需在精制過程中予以脫出。

 

四、離心及膜過濾系統是控制產品質量的重要工序，科學合理調整相關參數，可以 有效去除大分子雜質，對減少離子交換樹脂的有機污染起到至關重要的作用。

 

五、大孔型離子交換樹脂因其獨有的毛細孔結構，有利于處理生化法丙烯酰胺水溶 液中的雜質，從而提高聚丙烯酰胺產品質量。

轉載請注明：山東東達聚合物有限公司（http://www.fengxiongzhuanjia.org.cn/)，是專業的陰離子聚丙烯酰胺，陽離子聚丙烯酰胺,聚丙烯酰胺生產廠家，專業生產聚丙烯酰胺,陰離子聚丙烯酰胺,陽離子聚丙烯酰胺,非離子聚丙烯酰胺。擁有雄厚的技術力量，先進的生產工藝和設備。東達聚合物有限公司全體員工為海內外用戶提供高技術,高性能，高質量的聚丙烯酰胺產品。專業聚丙烯酰胺生產廠家：山東東達聚合物有限公司熱忱歡迎國內外廣大客戶合作共贏。