含糖类的丙烯酰胺水溶液 【技术领域】
本发明涉及高品质的用作聚丙烯酰胺原料的丙烯酰胺水溶液。
背景技术
丙烯酰胺系聚合物用在高分子絮凝剂、造纸用药剂、土壤改良剂、石油回收用药剂、挖掘泥水用增稠剂、高分子吸收体等众多领域中。为了在这些用途中使用，要求高分子量且聚合物溶解于水中时水不溶物少等特性。
作为得到这种分子量高且溶解性良好的丙烯酰胺系聚合物的方法，提出了使用防止生成异常的高分子量聚合物的链转移剂和具有防止干燥时的交联效果的物质等种种方法，但一般认为主要取决于丙烯酰胺的品质。例如，在特开平8-157439和特开平10-7638等中提出了种种在丙烯酰胺的制造中除去丙烯醛和噁唑等杂质的方法，从中也可以看出品质的重要。
但是到目前为止，还没有关于糖类对丙烯酰胺聚合物物性的影响的研究的例子的报道。
丙烯酰胺地制造方法一直是以还原态的铜作为催化剂由丙烯腈制造，但是近年来开发出用微生物酶代替铜催化剂的方法并已实现实用化。使用微生物酶的方法，其反应条件温和且几乎没有副产物，从能够形成极简单的过程来看，其作为工业制法是极其有效的。
另外，也许因为杂质少，使用微生物酶制造的丙烯酰胺分子量非常高且可以制造没有不溶性杂质的高品质的聚丙烯酰胺(特开平9-118704)，由于具备这样的优点，这成为近来制造丙烯酰胺的主要方法。
【发明内容】
丙烯酰胺在剧毒物中被认定为是毒性高的物质。一般来说，使用高浓度的丙烯酰胺水溶液可以形成分子量更高的聚合物，得到高粘度的聚丙烯酰胺水溶液。最近由于对环境问题、能量问题的关注，希望减少在各种产业中使用的用于制造聚丙烯酰胺的丙烯酰胺的使用量，对由低浓度的丙烯酰胺制造具有高粘度的聚丙烯酰胺的需求在提高。即，本发明的课题在于提供可以从低浓度的丙烯酰胺溶液制造显示出更高粘度的聚丙烯酰胺的丙烯酰胺溶液和由这种丙烯酰胺溶液制造的聚丙烯酰胺。
本发明者们为了克服上述问题进行了悉心的研究，发现将含糖类的丙烯酰胺水溶液作为原料制造聚丙烯酰胺时，与由不含糖的等浓度的丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺相比较，可以得到更高粘度的聚丙烯酰胺水溶液，从而完成了本发明。令人惊奇地是，当糖的浓度仅仅为100mg/L或其以下，而且即使为50mg/L或其以下时，也戏剧性发现粘度得以提高的效果。
即，本发明涉及(1)含糖类的丙烯酰胺水溶液、(2)每1升丙烯酰胺水溶液中含有0.1～100mg糖类的丙烯酰胺水溶液、(3)每1升丙烯酰胺水溶液中含有1.0～50mg糖类的丙烯酰胺水溶液、(4)每1升丙烯酰胺水溶液中含有3.0～19mg糖类的丙烯酰胺水溶液、(5)上述1～4任一项记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液，向其中添加了使用培养的生物体制备的含糖液、(6)上述5记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中，生物体是表达腈水合酶的生物体、(7)上述6记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中，表达腈水合酶的生物体是微生物、(8)上述7记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中，微生物是红球菌属的细菌、(9)上述8记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中，红球菌属的细菌是紫红红球菌、(10)用具有腈水合酶活性的生物体催化剂制造的上述1～9任一项记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液、(11)含糖类的丙烯酰胺聚合物，其是上述1～10任一项记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中由该丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺溶液的粘度比由为了达到和该丙烯酰胺水溶液等浓度而仅将丙烯酰胺溶解在水中的丙烯酰胺水溶液得到的聚合物的粘度高、(12)由上述1～11任一项记载的含糖类的丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺聚合物、(13)含糖类的丙烯酰胺水溶液的制造方法，包括使用具有腈水合酶活性、含有糖类的生物体催化剂生产丙烯酰胺。
下面详细说明本发明。
本发明中所述的丙烯酰胺水溶液是含有40～60质量％，优选50质量％的丙烯酰胺的水溶液。通过向该丙烯酰胺水溶液中添加过硫酸铵等聚合引发剂，丙烯酰胺发生聚合，形成聚丙烯酰胺水溶液。
本发明中所述的糖类是可以用苯酚硫酸法检测的糖类，是在硫酸存在下生成糠醛和糠醛衍生物的单糖、多糖及其混合物，多糖中也包括糖蛋白、糖脂等糖复合物。糖类可以是使用酶等生物体催化剂等的方法或者化学合成法制造的，也可以是由生物体产生的糖类，或者从生物材料分离的糖类。
本发明中“使用生物体的含糖液”是指含有生物体产生的糖类的液体。作为使用生物体制备的含糖液，可以举出例如培养的微生物等生物体的悬浮液的离心上清液本身，或者通过精制操作等由该离心上清液制备的含糖液。通过向丙烯酰胺水溶液中添加由生物体制备的含糖液，可以得到含有本发明的含糖液的丙烯酰胺水溶液。此时，由生物体产生的糖类的浓度低时，可以适当添加糖类来调节丙烯酰胺水溶液中的糖类的浓度。
本说明书中记载的生物体包含分离的动物、植物、微生物等所有的生物，进一步包含从动物或植物分离的细胞，以及源自动物或植物的树状细胞株、分离的微生物和它们的细胞小器官。另外，这些生物体可以是自然界本身存在的，也可以是人为地施加基因工程改变的。
本发明中所述的糖类的浓度用苯酚硫酸法测定的葡萄糖换算值表示。对于苯酚硫酸法，在日本生化学会编的“基础生化学实验法”第5卷118页中记载着详细的测定方法。即使用葡萄糖通过葡萄糖浓度和吸光度制作校准曲线，基于该校准曲线求出的值。另外，本说明书中所谓的苯酚硫酸法是根据前述日本生化学会编的“基础生化学实验法”第5卷118页进行实施，其详细内容如下。
①使用特级苯酚和蒸馏水，制作5质量％的苯酚水溶液。②在直径16.5mm的试管中取试样溶液1mL，向其中加入①的溶液1mL，充分混合。③往其中迅速加入特级浓硫酸5mL，振荡混合10分钟。④在室温下放置20分钟后，测定490nm的吸光度。根据采用该吸光度的值和葡萄糖制作的校准曲线，算出试样溶液中的糖类的葡萄糖换算浓度。
在本发明中，丙烯酰胺水溶液中的糖浓度的下限值优选为在丙烯酰胺水溶液中为0.1mg/L或其以上，较优选为1mg/L或其以上，特别优选为3mg/L或其以上。另外，上限值优选100mg/L或其以下，较优选为50mg/L或其以下，特别优选为19mg/L或其以下。该浓度从充分发挥粘度提高的效果的观点看，优选较高的浓度。但是，如果含有大量糖时，丙烯酰胺水溶液和由其制造的丙烯酰胺聚合物由于有着色，因此特别在不喜好着色的用途中，从品质上的观点看，优选浓度不能太高。
具有本发明的腈水合酶活性的生物体催化剂包括天然的或人工的含有腈水合酶活性的生物体及其处理物，并且包括腈水合酶自身。此时，优选生物体是微生物。能够表达腈水合酶的微生物可以举出芽孢杆菌(Bacillus)属、炭疽芽孢杆菌(Bacteridium)属、微球菌(Micrococcus)属和短杆菌(Brevibacterium)属、科里氏杆菌(Corynebacterium)属和诺卡氏菌(Nocardia)属、假单胞菌(Pseudomonas)属、红球菌(Rhodococcus)属和微杆菌(Microbacterium)属、紫红红球菌(Rhodococcus rhodochrous)种的菌株等微生物。
另外，近年来，通过对天然的或者人工改良的腈水合酶基因进行人工重组而表达的生物体或者从这些生物体分离的腈水合酶(可以是精制的，也可以是粗精制的)也可以在本发明中使用。
作为生物体和其处理物，可以举出根据需要进行洗涤或药剂处理的生物体本身和它们的粉碎物，以及将它们用包络法、交联法、载体结合法等进行固定化的产品等。
本说明书中的“生物体催化剂”也包括上述微生物等生物体本身，以及含有该生物体或其处理物的悬浮液。
使用具有腈水合酶活性的生物体催化剂，无需使用还原态的铜作为催化剂，其反应条件温和且几乎没有副产物，用极其简单的方法就可以工业规模地制造丙烯酰胺。
本发明的“每1L丙烯酰胺水溶液中含0.1～100mg糖类的丙烯酰胺水溶液”可按如下制造。
用1L蒸馏水溶解丙烯酰胺500g，向其中添加糖类的水溶液，以使得用苯酚硫酸法换算的葡萄糖糖类浓度达到在丙烯酰胺水溶液中为0.1～100mg/L，如此可以得到上述丙烯酰胺水溶液。此时，溶解的丙烯酰胺的量在400～600g的范围内改变，最终得到的水溶液的丙烯酰胺含量也可以为40～60重量％。另外，其中添加的糖类可以是精制的，也可以是未精制的。所用的丙烯酰胺既可以是市售的，也可以是精制或未精制的使用生物体催化剂从丙烯腈制造的丙烯酰胺水溶液，将丙烯酰胺浓度调制到40～60重量％。
另外，使用生物体催化剂从丙烯腈制造含上述糖类的丙烯酰胺水溶液时，也可以测定生物体催化剂中的糖类的浓度，为了使其浓度在反应结束后达到每1L丙烯酰胺水溶液0.1～100mg添加生物体催化剂，使丙烯腈和生物体催化剂接触反应。其中，生物体催化剂中的糖类，是指浸渍固定在悬浮了微生物等生物体催化剂本身的液体或者载体等上的生物体催化剂的液体中的糖类。更具体地说，使作为原料的丙烯腈和水，以及含糖类的生物体催化剂从0℃至90℃，优选从5℃至50℃，在反应槽内接触，可以得到含糖类的丙烯酰胺水溶液。根据需要，也可以往反应液或者生物体催化剂悬浮液中添加具有防止聚合作用的试剂或者可以提高催化剂的稳定性的试剂等。作为反应方式，采用固定层、移动层、流动层、搅拌槽等中的任何一个均可，也可以间歇反应或连续反应。另外，也可以往反应槽中添加糖类水溶液以使用苯酚硫酸法葡萄糖换算的糖类在丙烯酰胺水溶液中的浓度在反应结束后达到0.1～100mg/L，让生物体催化剂和丙烯腈在该反应槽内反应。
这样得到的丙烯酰胺水溶液根据其用途，也可以经过精制工序。作为精制方法，可以举出利用过滤器的过滤(特公平05-49273)或者利用气泡的精制(特願平11-254151)等。
把这样得到的丙烯酰胺水溶液作为原料，用和公知的丙烯酰胺聚合法一样的方法，可以得到聚丙烯酰胺水溶液。如此，由本发明的丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺水溶液与由丙烯酰胺浓度不含有相同的糖类的丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺水溶液相比较，粘度提高了。该聚丙烯酰胺水溶液作为丙烯酰胺系聚合物，可以利用于高分子絮凝剂、造纸用药剂、土壤改良剂、石油回收用药剂、挖掘泥水用增稠剂、高分子吸收体等中。因此，由本发明的丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺聚合物也包含在本发明的范围中。
所得聚丙烯酰胺水溶液的物性评价可以使用粘度计测定聚合物的粘度来进行。具体地说，可以使用B型粘度计，用公知的方法测定，进行评价。
本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本专利申请特願2002-081512号的说明书和/或附图记载的内容。
【具体实施方式】
用以下实施例更具体地说明本发明，但本发明不受这些实施例的限定。
实施例1、比较例1中记载了由市售的丙烯酰胺水溶液制备的聚丙烯酰胺的情况，实施例2、比较例2记载了使用含糖类的生物体催化剂由丙烯腈制造的丙烯酰胺，再由其制备聚丙烯酰胺的情况。
〔实施例1〕
(含糖液的制备)
用含有葡萄糖2％、尿素1％、胨0.5％、酵母提液0.3％、氯化钴0.05％(均为质量％)的培养基(pH7.0)，在30℃有氧培养紫红红球菌Rhodococcusrhodochrous J1(保藏号FERM BP-1478，1987年9月18日受理(原保藏)在通商产业省工业技术院生命工学工业技术研究所(现在、保藏在独立行政法人产业技术综合研究所，专利生物保藏中心，日本国茨城县つくば市东1丁目1番地1中央第6)。使用聚砜性的孔径0.1μm的膜过滤器(クラレ社制)，用培养液的5倍量的50mM磷酸缓冲液(pH7.0)连续将其洗涤后，进行浓缩直至菌浓度以干燥菌体重量计达到10％，得到菌体悬浮液。
将其收集到50mL的离心管中，通过离心分离机以15,000×g离心30分钟，以该离心上清液作为含糖液。
(含糖液中的糖浓度的测定)
用苯酚硫酸法如下测定所得含糖液中的糖浓度。
①使用特级苯酚和蒸馏水，制作5质量％的苯酚水溶液。②在直径16.5mm的试管中采集稀释到1000倍的溶液1mL，往其中加入①的溶液1mL，充分混合。③往其中迅速加入特级浓硫酸5mL，振荡混合10分钟后，在室温下放置20分钟后，测定490nm的吸光度。另一方面使用用同样的操作调节到2、10、50、100mg/L的葡萄糖水溶液，制作校准曲线，从该校准曲线算出含糖液中的糖浓度，为15000mg/L。该含糖液中的糖类虽然不受理论上的束缚，但推测为由菌体产生的多糖类。
(含糖类的丙烯酰胺的制备)
准备4份各为1升的50质量％丙烯酰胺水溶液(三菱丽阳社制)，往其中分别添加制备的含糖液0.07mL、0.2mL、3mL、4mL，制作含糖类的丙烯酰胺水溶液，作为实施例1-1、1-2、1-3和1-4。
(聚丙烯酰胺水溶液的制备)
用蒸馏水稀释所得的含糖类的丙烯酰胺水溶液，以使丙烯酰胺的浓度达到15质量％，调节到pH6.1后，在30℃的水槽中，在搅拌下使烧瓶保温。用氮气置换气相部，同时添加过硫酸铵、亚硫酸氢钠各达到180mg/L，开始聚合，同时使水槽的温度达到80℃。约1小时后，冰冷至25℃。
(聚丙烯酰胺水溶液的物性评价)
用B型粘度计(No.4转子，6rpm，25℃)测定所得水溶液的粘度。其结果示于表1中。另外，用目视观察色调，完全没有颜色的为◎，带极少的黄色调为○，发现稍微的黄色调的为△，发现黄色的为×。
〔比较例1〕
使用没有添加含糖液的50质量％丙烯酰胺水溶液(三菱丽阳社制)，和实施例1一样，进行聚丙烯酰胺水溶液的制备，对所得聚丙烯酰胺水溶液进行评价。结果示于表1中。
表1 含糖量聚合物水溶液的粘度 色调实施例1-1 1mg/L 130000mPa·s ◎实施例1-2 3mg/L 150000mPa·s ◎实施例1-3 45mg/L 200000mPa·s ○实施例1-4 60mg/L 220000mPa·s △比较例1 0 60000mPa·s ◎
〔实施例2〕
(利用微生物酶的由丙烯腈转化为丙烯酰胺的反应)
往内容积5L的带夹套的可分离烧瓶中加入0.2g/L丙烯酸钠水溶液3130g，往其中添加在实施例1的(含糖液的制备)中得到的菌体悬浮液10g(含糖类约10000mg/L)。一边控制pH7.0、温度为20℃，一边用2个桨叶长120mm，桨叶宽20mm的平板搅拌桨叶在80rpm下对其进行搅拌。将丙烯腈(三菱丽阳社制)连续进料以使丙烯腈浓度恒定达到2质量％，在丙烯酰胺的浓度达到47％的时刻，停止丙烯腈的进料，之后继续反应直至丙烯腈变为0.005％以下。用孔径0.1μm的聚乙烯制的中空丝膜(三菱丽阳社制的ステラポア一H)，从该液体分离菌体，得到丙烯酰胺浓度50质量％的反应液5kg。
(50质量％丙烯酰胺中的糖浓度的测定)
和实施例1的(含糖液中的糖浓度的测定)一样，测定所得的50质量％丙烯酰胺水溶液的糖浓度。但是，换算为葡萄糖浓度时，使用已知量的葡萄糖溶解在用市售的丙烯酰胺粉末(和光纯药社制)制作的50质量％丙烯酰胺水溶液的含糖液。其结果为糖浓度19mg/L。
(聚丙烯酰胺水溶液的物性评价)
使用所得丙烯酰胺水溶液，和实施例1一样，制备聚丙烯酰胺水溶液，
测定其物性。
其结果为溶液粘度190000mPa·s。
在本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请作为参考保持原样引入到本说明书中。
工业实用性
本发明可以提供能够成为物性优良的高性能的聚丙烯酰胺原料的高品质的丙烯酰胺水溶液和低浓度、高性能的聚丙烯酰胺溶液。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.(删除)
2.含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中每1升丙烯酰胺水溶液中含有0.1～100mg的糖类。
3.含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中每1升丙烯酰胺水溶液中含有1.0～50mg的糖类。
4.含糖类的丙烯酰胺水溶液，其中每1升丙烯酰胺水溶液中含有3.0～19mg的糖类。
5.(修改)权利要求2～4任一项所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，添加了使用培养的生物体制备的含糖液。
6.如权利要求5所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，所述生物体是表达腈水合酶的生物体。
7.如权利要求6所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，所述表达腈水合酶的生物体是微生物。
8.如权利要求7所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，所述微生物是红球菌属细菌。
9.如权利要求8所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，所述红球菌属细菌是紫红红球菌。
10.(修改后)权利要求2～9任一项所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，其由具有腈水合酶活性的生物体催化剂制造。
11.(修改后)含糖类的丙烯酰胺水溶液，其是权利要求2～10任一项所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液，由该丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺溶液的粘度比由为了达到和该丙烯酰胺水溶液等浓度仅将丙烯酰胺溶解在水中的丙烯酰胺水溶液得到的聚合物的粘度高。
12.(修改后)由权利要求2～11任一项所述的含糖类的丙烯酰胺水溶液得到的聚丙烯酰胺聚合物。
13.含糖类的丙烯酰胺水溶液的制造方法，包括使用具有腈水合酶活性、含有糖类的生物体催化剂生产丙烯酰胺。