通過量熱法分析催化反應的製作方法
2023-05-21 08:42:56
專利名稱：通過量熱法分析催化反應的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過量熱法的催化反應的控制，和更具體地涉及生物催化反應的控制。
在催化反應中，重要的是能夠監視催化劑的活性和反應進行的程度。對於描述於PCT出版物WO 97/21827的種類的生物催化尤其如此，其中使用腈水解酶將丙烯腈轉化成丙烯酸銨，所述腈水解酶描述於PCT出版物WO 97/21805。該生物催化劑在相對低濃度例如＞500mM的丙烯腈減活。為了處理該問題，將所述生物反應器以進料批量方式運行，以便可以將丙烯腈濃度保持在低水平。在所述進料間歇式反應中，丙烯腈以預計速率進料到所述生物反應器，其中所述預計速率被計算為低於催化劑轉化丙烯腈的能力。
當所述反應進行時，丙烯酸銨的濃度升高，這引起所述催化劑的一些減活。如果丙烯腈的進料以相同預計速率繼續，丙烯腈的量將最後超過所述催化劑轉化它的能力。這導致所述催化劑的進一步減活，以致所述問題逐步變得更嚴重。結果，所述催化劑可能被破壞，而且使所述反應過早地停止。反應的停車不能被預知，並且通常在不及對丙烯腈進料進行任何調整以使反應繼續之時才能注意到。
因此必需知道在所述轉化期間丙烯腈的濃度，以便可以在上限和下限(所述下限不一定為零)之間調節進料到所述生物反應器的丙烯腈，以使所述反應進行下去。作為可供選擇或另外的辦法，生物催化劑活性的測定可用於控制所述反應條件。
因此，需要的是能夠在高濃度例如25至50％w/w的丙烯酸銨存在下，測量丙烯腈的濃度和低濃度的轉化率。並且，對於商品化學品生產的控制，所述測定方法應該是適合地廉價、簡單、快速和十分靈敏的，例如±20ppm的基質濃度。
已經提出了各種方法，但是它們當中沒有能夠滿足上述標準的。因此，在分光光度法中，自由單元催化劑引起層析法例如HPLC中的幹涉，低丙烯腈濃度在高丙烯酸銨濃度存在下是不清楚的，並且另外催化劑必須除去或將催化劑猝滅以立即終止所述反應，例如通過過濾。用於測定揮發性丙烯腈的液上氣液色譜法體系需要對於每個樣品進行平衡，這引起延遲。基於測量電導率獲得丙烯腈濃度的方法是不靈敏的。使用在線電導測定丙烯酸銨產品濃度，從加入丙烯腈的質量對丙烯腈濃度進行質量平衡推導不是適合的，因為在丙烯酸銨濃度高於10％w/w時流體電導和丙烯酸銨濃度之間非線性的、常常雙曲線的關係。在高丙烯酸銨濃度下，電導隨產品濃度增加而降低。
GB 1 217 325論述了在絕熱狀態下，通過離析混合物樣品和記錄其隨時間的溫度變化，在反應混合物中測量反應速率的方法。然而沒有提供測量反應物濃度的方法。
本發明著眼於這些問題。
按照本發明，提供了用於監視催化反應的方法，所述方法包括測定反應混合物樣品隨時間的溫度變化，所述反應混合物從反應物進料中分離，所述測定在至少部分反應期間進行，其中樣品的熱損失或獲得分別地小於反應產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定計算在反應混合物中至少所述反應物之一的濃度。
優選在樣品中的反應應該是零級反應，並且儘可能通過降低在反應物和環境之間的傳熱至零或接近於零而在絕熱狀態下進行。對於酶，零級反應是經常的，其中基質濃度超過Km。然而，儘管貫穿樣品的恆定絕熱狀態可能難以實現，但是通過在溫度測量位置周圍保持停滯的液體狀態，可以獲得測量反應速率要求的2至5分鐘。所述溫度/時間曲線的最初部分將具有傾斜，其接近絕熱狀態，這一點可用於提供與催化劑活性有關的信息。通常對於反應速率的測定，所述時間/溫度曲線的最初部分的持續時間，其處在絕熱狀態之下，不應該少於約1分鐘、通常不小於2.5分鐘、優選的持續時間為約4.0分鐘。如果還測量一種反應物消耗完所用的時間，那麼該反應物的濃度也可以測定。
保證在樣品中溫度變化不是非常大也是有用的，其引起反應加速並且引起反應速率測定的誤差。所述溫度變化理想地不大於5℃、優選地所述溫度變化不超過2℃。
本發明重要的特徵是總溫升(或降低)不需要是已知的。尤其是，所述催化劑的活性可以由時間/溫度變化圖的始端斜率和反應物濃度計算，後者根據所述催化劑活性和溫升(或下降)的持續時間決定。
在本發明優選的實施方案中，來自反應器的反應混合物樣品保持在絕熱容器中。容許所述反應進行，並且測量溫度上升或下降，例如利用測溫探頭，藉此確定時間/溫度曲線。優選地，樣品被依次從反應器取出，以便對所述反應器中的反應進展進行定時地監視，和可以調節反應器中的條件至適當值。從反應器取樣的適當設置包括優選地絕熱的容器，通過該容器來自反應器的流體被循環。每隔一段時間，將所述循環停止，以便在所述容器中保持定量的反應混合物，即樣品，並且進行溫度測量。雖然這種在線類型的取樣是便利的，但不是必需的。完全可以簡單地從所述反應器除去一部分反應混合物來取樣，然後將樣品放入絕熱容器中，於是可以測定樣品中反應的溫度變化圖。如果需要，所述絕熱容器可以被預熱至樣品的溫度，以便在樣品被引入該絕熱容器時降低熱損失。
現在將通過參考附圖的實施例來描述本發明特定的實施方案，在所述附圖中
圖1是在絕熱條件下零級反應的溫度/時間曲線，其中反應物在時間tD用盡；圖2是反應的溫度/時間曲線，其中條件最初是絕熱的，然後熱損失是小的，並且其中反應物在時間tD用盡；圖3是反應的溫度/時間曲線，其中條件是非絕熱的；圖4是通過一種形式的熱量計檢測器的垂直剖面圖，該檢測器可用於實施本發明；圖5是通過圖4的熱量計的橫截面；圖6至9是實施本發明時獲得的溫度/時間圖，圖8和9顯示在絕熱的期間之後溫度隨時間線性上升，因為恆定速率的熱損失；圖10和11一方面是在丙烯腈濃度和溫升時間之間的關係和另一方面是丙烯腈濃度和觀察的最高溫升之間的關係；圖12和13顯示利用三種不同種類的熱量計得到的冷卻曲線，並且表明熱量計傾向於影響絕熱時間和隨後的冷卻速率，每個熱量計均顯示初始絕熱區，隨後是一段時期的恆定速率的熱損失，由菱形表示的曲線得自其中內部和外部容器兩者均包含反應流體的熱量計，由正方形表示的曲線利用包含反應流體的內部容器獲得，而外部容器與大氣通連並且包含空氣，由三角形表示的曲線得自不具有外部容器的簡單的容器；和圖14是用於實施本發明的體系，其使用兩個熱量計，其中
A表示循環泵，PU 1304型B表示熱交換器，HE 1311型C表示neotecha在線的取樣器D表示電導傳感器E表示量熱分析器F表示100mm長的在線混合器T表示溫度傳感器；在本發明的特定描述中，涉及丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉化，其使用腈水解酶作為生物催化劑。可選擇地，本發明可以用於從丙烯腈生產丙烯醯胺的方法。然而應當理解，本發明不局限於僅僅使用該反應。
將來自用於上述生物轉化的反應器的樣品放入熱量計並且測量溫度。因為丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉化是放熱的，並且是零級，例如利用如PCT出版物WO 97/21827中所描述的腈水解酶，所以溫度將以恆定速率上升直到基本上全部丙烯腈被轉化。理想環境示於圖1，其中從熱量計的熱損失是零，並且所述反應在絕熱條件下進行，tD＝溫升時間和ΔT＝最高溫升。從圖1，可以進行如下計算生物催化劑的活性(A)＝k1*斜率 (1)丙烯腈的濃度 ＝A*tD(2)丙烯腈的濃度 ＝k2*ΔT (3)k1和k2是常數，其可以通過校正得到或由所述常數和反應混合物的反應熱和熱容量之間的關係獲得。
因此從斜率和k1的值，可以得到生物催化劑的活性A，和使用所述催化劑活性和溫升時間可以測定丙烯腈的濃度。上述第三個方程式表明，丙烯腈的濃度還可以從極限溫升得到，但是如已經指明的，這不是得到丙烯腈濃度的優選路線。還可以預見，所述催化劑的活性使得可以預知基質轉化速度。這樣，可以寫出alogrithm，其預知理想基質進料速度，以保持固定基質濃度，並且其有助於所述工藝的計算機控制。
如已經說明的，在所述反應時間，經常不能也不必要降低從所述量熱計的熱損失至零。必要的是所述熱損失率應該大大低於熱量生成速率，優選地對於起始階段為零。這示於圖2。所述斜率存在逐漸下降，但是曲線的初始部分基本上與圖1的絕熱曲線相同。如圖3所示，所述溫度損失是較大的，並且所述條件是非絕熱的，例如在攪拌的反應混合物中。需要的是存在足夠的曲線初始部分時間，其在絕熱條件之下，以確定所述斜率，所述催化劑的活性使用如下的方程式1計算生物催化劑的活性＝k1*起始斜率可以注意到，在熱損失率大大低於熱量產生速度的條件下，溫升時間不受熱損失的影響，因此丙烯腈的濃度仍然可以使用方程式2計算。當存在熱損失時，極限溫升少於在絕熱反應中的溫升，並且最高溫升與丙烯腈濃度的關係變得複雜。因此方程式3僅僅在絕熱條件下成立。
在本發明替代方式中，所述反應器的內含物通過環形配置循環。這可以是簡單的導管，通過該導管所述反應混合物回到所述反應器。在本發明的這種形式中，新鮮的基質進料在進入所述反應器之前被引入環形結構，藉此所述基質與循環反應混合物在所述環形結構中在被通進所述反應容器之前混合。
圖14顯示這種設備，其中所述環形結構在所述基質進料點之前包含熱量計，和在基質進料點之後放置熱量計，其中旁路管路緊跟在所述熱量計前和後連接所述環管。所述旁路管路使所述反應器的包含物在反應混合物在熱量計中分離時圍繞所述環管流動。
在每個被放入所述環形結構中的熱量計中測定所述反應混合物的分離部分的溫度隨時間變化，以測定所述反應介質的溫度變化，其中熱量計的引入在引入基質之前和在引入基質之後。
該環形結構可以包括多於一個熱量計，其在所述基質進料點之前和/或之後放入，因為使用多個熱量探測器可以對丙烯腈濃度提供幾乎連續的測定。
優選地，所述溫度隨時間變化的測定基本上立即在所述基質進料點之前和基本上立即在所述基質進料點之後。
在所述環形結構中進行測定的優選方法是藉助於定位在環形結構中在所述基質進料點之前的一個熱量計和定位在所述環形結構中在所述基質進料點之後的一個熱量計進行的，如圖14所示。
按照本發明的另一個方面，在反應中的所述反應物的至少一種的濃度通過對所述反應混合物取樣和使反應混合物的樣品進行催化反應來測定，並且其中樣品的熱量損失或獲得的熱量分別地少於所述反應產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定以計算反應混合物中至少一種所述反應物的濃度。在本發明該方面的優選形式中，反應混合物樣品進行不同的反應。本發明的該代替方式，在所述樣品的催化反應比主反應是更加吸熱的或更加放熱的時，可能是有價值的。因此，熱量生成或減少的速率將大於在所述主反應中的，但是反應物的實測濃度將仍然是所述主反應的。
本發明的該方面對於不是基本上放熱的或基本上吸熱的反應可能是特別有用的，條件是要測定濃度的反應物在樣品中進行放熱的或吸熱的催化反應。本發明的該方面在從丙烯腈生產丙烯醯胺中可能是有價值的，其中反應器內含物的樣品與將丙烯腈轉化為丙烯酸銨的腈水解酶細胞的懸浮液結合在一起。在任何從丙烯腈生產丙烯醯胺的工藝中這可能是有價值的，例如使用Raney銅催化劑或生物催化劑。丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉化比丙烯腈至丙烯醯胺的生物轉化是更加放熱的。因此，丙烯腈在所述反應器中的濃度可以藉助於在樣品中的丙烯腈轉化為丙烯酸鹽而非促進轉化至丙烯醯胺而更加準確地測定。
因此，在本發明的該方面，提供了用於監視反應的方法，該方法包括測定反應混合物樣品隨時間的溫度變化，該反應混合物從反應器中分離，在至少部分反應期間進行，其中樣品的熱損失或獲得分別地小於樣品的催化反應產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定計算在反應混合物中至少所述反應物之一的濃度。
本發明的另一方面提供監視發酵的方法，其產生酶催化劑，所述方法包括測量發酵混合物樣品隨時間的溫度變化，該混合物分離自發酵容器，其中樣品的熱量損失或獲得分別地少於發酵產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定計算通過所述發酵生產的催化劑的活性。
這可以用許多方法進行。一種方法包括使用二個熱量計(前面描述的類型)，一個包含發酵混合物和另一個包含相同的發酵混合物和基質。
例如，優選的發酵混合物可以產生丙烯腈水解酶，因此所述基質將是乙腈。測量在二個熱量計之間生熱的速度差別提供了數據，由該數據可以計算酶催化劑的活性(或基質的濃度)，其方法如前面所描述的。
必須使用該溫度升高的不同速度，因為發酵反應不同於生物轉化之處在於發酵由許多生物反應組成，其影響發酵混合物的溫度。因此需要對照熱量計，以考慮由於發酵的溫差。
可選擇地，可以使用二個熱量計，其中基質或酶被加入熱量計之一以測定所述存在於發酵混合物中的催化劑的活性或者測定在發酵混合物中的基質濃度。
可選擇地，可以使用單一熱量計，其可以是前面描述的類型，並且包含所述發酵混合物和基質。可以從所述混合物取出樣品，並且在轉入所述熱量計之前進行過濾，以從所述發酵除去任何細胞材料，然後將酶加入樣品，以便可以測量溫度升高的速度，由此可以計算基質的濃度，其方法如前面所描述的。
優選在樣品中的反應應該是零級反應，並且儘可能通過降低在反應和環境之間的傳熱至零或接近於零而在絕熱狀態下進行。對於酶，零級反應是經常的，其中在操作條件下所述基質濃度超過酶的Km。然而，儘管貫穿樣品的恆定絕熱狀態可能難以實現，但是通過在溫度測量位置周圍保持停滯的液體狀態，可以獲得測量反應速率要求的2至5分鐘。所述溫度/時間曲線的初始部分將具有接近絕熱狀態的斜率，這一點可用於提供與催化劑活性有關的信息。通常，對於測定所述反應速率，所述時間/溫度曲線的初始部分的時間，其處在絕熱條件下，不應該少於約1分鐘，通常不小於2.5分鐘，優選的時間為約4.0分鐘，如果還測量一種反應物用盡的時間，那麼該反應物的濃度也可以測定。
保證在樣品中溫度變化不是非常大也是有用的，其引起反應加速並且引起反應速率測定的誤差。所述溫度變化理想地不大於5℃、優選地所述溫度變化不大於2℃。
本發明重要的特徵是總溫升(或降低)不需要是已知的。尤其是，所述催化劑的活性可以由時間/溫度變化圖的初始部分斜率和反應物濃度計算，後者根據所述催化劑活性和溫升(或下降)的持續時間決定。
在本發明優選的實施方案中，來自反應器的反應混合物樣品保持在絕熱容器中。容許所述反應進行，並且測量溫度上升或下降，例如利用測溫探頭，藉此確定時間/溫度曲線。優選地，樣品被依次從反應器取出，以便對所述反應器中的反應進展進行定時地監視，和可以調節反應器中的條件至適當值。從反應器取樣的適當設置包括優選地絕熱的容器，通過該容器來自反應器的流體被循環。每隔一段時間，將所述循環停止，以便在所述容器中保持定量的反應混合物，即樣品，並且進行溫度測量。雖然這種在線類型的取樣是便利的，但不是必需的。完全可以簡單地從所述反應器除去一部分反應混合物來取樣，然後將樣品放入絕熱容器中，於是可以測定樣品中反應的溫度變化圖。如果需要，所述絕熱容器可以被預熱至樣品的溫度，以便在樣品被引入該絕熱容器時降低熱損失。
在本發明替代方式中，所述反應器的內含物通過環形配置循環。其可以是簡單的導管，通過該導管所述反應混合物回到所述反應器，在本發明該形式中，新鮮的基質進料在進入所述反應器之前被引入所述環形結構，藉此所述基質與循環反應混合物在所述環形結構中在進入所述反應容器內之前混合。
在每個被放入所述環形結構中的熱量計中測定所述反應混合物的分離部分的溫度隨時間變化，以測定所述反應介質的溫度變化，其中熱量計的引入在引入基質之前和在引入基質之後。
該環形結構可以包括多於一個熱量計，其在所述基質進料點之前和/或之後放入，因為使用多個熱量探測器可以對丙烯腈濃度提供幾乎連續的測定。
優選地，所述溫度隨時間變化的測定基本上立即在所述基質進料點之前和基本上立即在所述基質進料點之後。
在所述環形結構中進行測定的優選方法是藉助於定位在環形結構在所述基質進料點之前的一個熱量計和定位在所述環形結構中在所述基質進料點之後的一個熱量計進行的，如圖14所示。
按照本發明的另一個方面，在反應中的所述反應物的至少一種的濃度通過對所述反應混合物取樣和使反應混合物的樣品進行催化反應測定，並且其中由樣品獲得的熱量或損失的熱量分別地少於所述反應產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定以計算反應混合物中至少一種所述反應物的濃度。在本發明該方面的優選形式中，反應混合物樣品進行不同的反應。本發明的該替代方式，在所述樣品的催化反應比主反應是更加吸熱的或更加放熱的時，可能是有價值的。因此，熱量生成或減少的速率將大於在所述主反應中的，但是反應物的實測濃度將仍然是所述主反應的。
本發明的該方面對於不是基本上放熱的或基本上吸熱的反應可能是特別有用的，條件是要測定濃度的反應物在樣品中進行放熱的或吸熱的催化反應。本發明的該方面在從丙烯腈生產丙烯醯胺中可能是有價值的，其中反應器內含物的樣品與將丙烯腈轉化為丙烯酸銨的腈水解酶細胞的懸浮液結合在一起。在任何從丙烯腈生產丙烯醯胺的工藝中這可能是有價值的，例如使用Raney銅催化劑或生物催化劑。丙烯腈至丙烯酸銨的生物轉化比丙烯腈至丙烯醯胺的生物轉化是更加放熱的。因此，丙烯腈在所述反應器中的濃度可以藉助於在樣品中的丙烯腈轉化為丙烯酸鹽而非促進轉化至丙烯醯胺而更加準確地測定。
因此，在本發明的該方面，提供了用於監視反應的方法，該方法包括測定反應混合物樣品隨時間的溫度變化，該反應混合物從反應器中分離，在至少部分反應期間進行，其中樣品的熱損失或獲得分別地小於樣品的催化反應產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定計算在反應混合物中至少所述反應物之一的濃度。
以下實施例進一步地說明本發明實施例1.
使用如圖4和5所示的同心式熱量計。所述熱量計包括圓形截面的內部容器10，具有連接到生物反應器(未顯示)的進口12和出口14。測溫探頭16伸進所述容器10。外部容器18同心地圍繞所述內部容器10，並且裝備有進口20和出口22，用於以基本上與內部容器中的反應混合物相同溫度輸入流體，由此降低從所述內部容器的熱損失。在冷卻源和溫度測量位置之間的距離(絕緣量)可以依據在需要的絕熱條件下的時間長度變化。優選地，在所述外部容器中的流體同於在所述內部容器中的所述反應混合物，與在所述內部容器中的所述反應混合物一樣保持相同滯止條件，以便其由於所述反應的生熱基本上與在所述內部容器內的相同，因此有助於保持絕熱條件。如可以在圖5中看到的，到兩個容器的進口和出口成切線排列，以便在所述容器中保證好的流體混合。
向所述連接著熱量計的生物反應器中裝入水和生物催化劑。以稍微超過生物催化劑的生物轉化速度的速度將丙烯腈泵入所述生物反應器，以便丙烯腈的濃度在所述生物反應器中慢慢地升高。來自所述生物反應器的反應混合物連續地泵送通過所述熱量計和回到所述生物反應器。結果，當反應混合物通過所述熱量計循環時，在所述熱量計中的溫度相對於在所述生物反應器中的溫度是恆定的。在選擇的間隔，在所述生物反應器和熱量計之間循環反應混合物的泵被關閉，通過測定得到在所述熱量計中的狀態的溫度/時間圖，所述測定花費幾分鐘，例如大約5分鐘，其在至所述熱量計的循環被停止直到在所述熱量計中的溫度開始下降之前進行。從這些圖測定溫度/時間曲線的斜率、溫度升高的時間和極限溫升。同時，當至所述熱量計的循環被停止時，對反應混合物取樣並且立即過濾以除去所述生物催化劑，以測定丙烯腈濃度。
參考圖6至9，其顯示得到的圖形。圖6的圖形顯示在丙烯腈進料至所述生物反應器開始之前在所述熱量計中的條件。在所述熱量計中溫度在反應混合物循環到所述熱量計被中止之前在五分鐘期間下降。其後，所述溫度保持恆定約另外五分鐘。這是絕熱時間。然後，由於到環境的熱損失，所述溫度下降。
在圖7中的圖形在丙烯腈濃度達到36mM時得到。如可以看到的，在五分鐘之後，在所述循環被停止時，所述溫度在約五分鐘的絕熱的時間之內線性地隨時間升高。從溫度線性上升的斜率和從溫升的時間，在這種情況下為4.32分鐘，可以得到催化劑的活性和丙烯腈的濃度。在所述線性升溫的結尾，所述曲線開始下降，表示在所述熱量計中的反應已經結束。
示於圖8的溫度/時間圖在經過一段時間以後得到，這時在所述生物反應器中的丙烯腈濃度已經增加到約100mM。所述溫升的時間現在是12.82分鐘。但是僅僅初始線性部分，即在對應於所述絕熱區的溫度/時間曲線的第一個五分鐘內，被用於測定所述斜率，以計算所述生物催化劑的活性。在所述溫升的大約第一個五分鐘之後，所述曲線變得平坦，然後在所述反應的結尾突然地下降。
示於圖9的圖形在生物反應器中的丙烯腈濃度已經達到180mM時得到。如前所述，所述圖形在所述絕熱區是線性的，並且從該部分的溫度/時間曲線，可以用斜率測定所述生物催化劑活性。在線性區域之後，所述曲線變得平坦，因為從所述熱量計的熱損失，其幾乎是恆定的，和其後開始下降。
實施例2所述設備和步驟同於實施例1，除了在所述生物反應器和熱量計之間的循環每半小時停止，以得到溫度/時間圖，同時從所述生物反應器除去樣品用於測定丙烯腈的濃度。丙烯腈濃度對溫升時間的圖形示於圖10，其顯示了在這二個值之間的比例。然而，如可以在圖11中看到的，在得自連續樣品的丙烯腈濃度和極限溫度升高的值之間沒有這樣的比例存在。
應當理解，本發明不僅提供監視生物催化反應進程的方法，而且通過使用得自本發明方法的信息可以控制所述反應。因此通過本發明得到的丙烯腈濃度隨時間的變化可用於調節輸入的丙烯腈，以保持所述濃度在需要的水平。另外，催化劑活性的值可用於調節催化劑在所述生物反應器中的量，以便在需要時保持恆定水準的活性。
在所述熱量計中的丙烯腈濃度的下降與在所述生物反應器中的丙烯腈濃度的下降相當。簡單的控制過程是在預定的成為各個抽樣周期的延遲時間中止丙烯腈到所述反應器的進料，直到在所述熱量計中的溫度開始下降。在該點，重新開始所述丙烯腈進料到所述生物反應器。該步驟防止丙烯腈在所述生物反應器中的濃度降低到零。延遲時間的長度決定在所述進料重新開始時丙烯腈在所述反應器中的濃度。
現在參考圖12和13，顯示了不同類型的熱量計的冷卻曲線。由菱形表示的曲線得自如上所述的熱量計，參考圖4和5，在內部和外部容器兩者都包含反應流體。由正方形表示的曲線由包含反應流體的內部容器和與大氣通連並且包含空氣的外部容器得到。由三角形表示的曲線得自簡單的沒有外部容器的容器。如可以看到的，最好的結果得自圖4和5的同心設計，其中反應流體在所述外部容器中。
在將本發明應用於例如用於丙烯腈至丙烯酸銨的轉化的反應器中時，其中使用腈水解酶，可以使用如圖14說明的體系。在該體系中，安裝第一熱量計30，以通過循環線34從反應器32接收反應混合物。該熱量計被用於測定反應器中的丙烯腈濃度並且可用於測定催化劑的活性，條件是在所述反應器中存在足夠的丙烯腈以在所述熱量探測器中提供優選大於1分鐘的生熱斜率。因為有可能沒有丙烯腈存在於所述反應混合物，其由第一熱量計30接受，第二熱量計36定位在丙烯腈進入循環線34的進料38和反應器32之間，以測量零級反應速度，其中保證最低水平的丙烯腈。
本發明不局限於上述描述的實施方案，並且可以進行許多改進和變化。例如存在其它的方法來實施所述量熱檢測。因此，取樣器可以簡單地浸入所述反應器的包含物。在另一個實施方案中，進入到所述反應器的進料可以被中斷，並且關掉任何在所述反應器中的反應混合物的攪拌，隨後測量反應器的全部停滯的包含物的生熱。
使用順序地操作的多個熱量探測器可以提供對丙烯腈濃度的近似實時連續測定。又一個方法包括將所述生物催化劑混合入反應物的流程中，然後當測量所述生熱時保持所述混合物在滯止條件下。
權利要求
1.用於監視催化反應的方法，其包括測量在至少部分的反應期間，當樣品損失或獲得的熱量分別地小於所述反應產生的熱或減少的熱時，反應混合物樣品的溫度隨時間的變化，和使用所述測定方法測定反應物之一的濃度。
2.權利要求1的方法，其中所述樣品中的反應至少部分地在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行。
3.權利要求1或權利要求2的方法，其中在所述樣品中的反應在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行不少於1分鐘、優選不少於2.5分鐘。
4.任何前述權利要求的方法，其中樣品獲得或損失的熱在所述至少一部分反應期間被基本上降低至零。
5.任何前述權利要求的方法，其中所述反應是放熱的。
6.任何前述權利要求的方法，其中在所述至少部分反應期間，樣品被保持在絕熱容器中。
7.任何前述權利要求的方法，其中樣品連續地從反應器取出。
8.權利要求7的方法，其中反應混合物在所述反應器和樣品容器之間循環，並且每隔一段時間所述循環被中斷，以便在樣品容器中留下反應混合物的樣品，於是對其進行所述測定。
9.從屬於權利要求6的權利要求7或8的方法，其中將用於樣品的容器加熱至所述反應混合物的溫度。
10.任何前述權利要求的方法，其中利用測溫探頭測量樣品溫度隨時間的變化。
11.任何前述權利要求的方法，其中從樣品中獲得的測定被用於控制所述反應。
12.權利要求11的方法，其中所述反應通過調節反應混合物中的反應物之一來控制。
13.權利要求11或12的方法，其中所述反應通過調節反應混合物中的催化劑的含量進行控制。
14.權利要求11至13任何一項的方法，其中所述反應通過在測量樣品時中斷反應物之一至所述反應混合物的進料來控制。
15.任何前述權利要求的方法，其中所述反應是生物催化的。
16.任何前述權利要求的方法，其中所述催化劑是選自腈水解酶和腈水合酶的酶。
17.任何前述權利要求的方法，其中所述反應是通過腈水解酶催化的丙烯腈至丙烯酸銨的轉化。
18.任何前述權利要求的方法，其中所述反應通過酶催化並且基質的濃度超過酶對於所述基質的Km值。
19.任何前述權利要求的方法，其中所述反應遵循零級動力學直到基本上完成。
20.任何前述權利要求的方法，其中所述反應器的包含物在環形結構中循環並且所述基質進料在進入所述反應器之前被引入環形結構，並且其中反應混合物分離部分隨時間的溫度變化在基質引入之前和在基質引入之後測量，以測定所述反應介質的溫度變化。
21.權利要求20的方法，其中在所述環形結構中的所述溫度隨時間變化的測定藉助於以下進行，在所述環形結構中定位在所述基質進料點之前的一個或多個熱量計、在所述環形結構中定位在所述基質進料點之後的一個或多個熱量計，和在所述反應混合物在熱量計之內被分離時使所述反應器的包含物流過所述環狀管線的設置。
22.用於監視反應的方法，其包括測量在至少部分反應期間所述反應混合物樣品溫度隨時間的變化，其中樣品的熱量損失或獲得分別地少於在樣品中的催化反應產生的熱或減少的熱，測量一種反應物被用盡的時間，和使用所述測定計算反應混合物中至少反應物之一的濃度。
23.權利要求22的方法，其中在樣品中的所述催化反應與所述反應相比是更加放熱的或更加吸熱的。
24.權利要求22或23的方法，其中所述反應是丙烯腈到丙烯醯胺的轉化。
25.權利要求22至24任何一項的方法，其中在樣品中的所述催化反應是丙烯腈至丙烯酸銨的轉化，其使用腈水解酶。
26.權利要求22至24任何一項的方法，其結合權利要求1至21的任何特徵。
27.用於監視發酵的方法，其產生酶催化劑，所述方法包括測量發酵混合物樣品隨時間的溫度變化，該混合物分離自發酵容器，其中樣品的熱量損失或獲得分別地少於發酵產生的熱或減少的熱，並且使用所述測定計算通過所述發酵生產的催化劑的活性。
28.權利要求27的方法，其中所述樣品中的發酵至少部分地在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行。
29.權利要求27或28的方法，其中在所述樣品中的發酵在絕熱的或基本上絕熱的條件下進行不少於1分鐘、優選不少於2.5分鐘。
30.任何前述權利要求的方法，其中樣品獲得或損失的熱在所述至少一部分發酵期間被基本上降低至零。
31.任何前述權利要求的方法，其中所述發酵是放熱的。
32.任何前述權利要求的方法，其中在所述至少部分發酵期間，樣品被保持在絕熱容器中。
33.任何前述權利要求的方法，其中樣品連續地從反應器取出。
34.權利要求33的方法，其中發酵混合物在所述反應器和樣品容器之間循環，並且每隔一段時間所述循環被中斷，以便在樣品容器中留下發酵混合物的樣品，於是對其進行所述測定。
35.從屬於權利要求32的權利要求33或34的方法，其中將用於樣品的容器加熱至所述發酵混合物的溫度。
36.權利要求27至35任何一項的方法，其中所述樣品的溫度隨時間的變化用測溫探頭測定。
全文摘要
用於監視催化反應的方法，其包括測量在至少部分的反應期間，當樣品損失或獲得的熱量分別地小於所述反應產生的熱或減少的熱時，反應混合物樣品的溫度隨時間的變化，和使用所述測定方法測定反應物之一的濃度。
文檔編號G01N25/48GK1397015SQ01804467
公開日2003年2月12日 申請日期2001年1月23日 優先權日2000年2月4日
發明者D·K·拉姆斯登 申請人:西巴特殊化學水處理有限公司