[发明专利]通过量热法分析催化反应

说明书

本发明涉及通过量热法的催化反应的控制，和更具体地涉及生物催化反应的控制。

在催化反应中，重要的是能够监视催化剂的活性和反应进行的程度。对于描述于PCT出版物WO 97/21827的种类的生物催化尤其如此，其中使用腈水解酶将丙烯腈转化成丙烯酸铵，所述腈水解酶描述于PCT出版物WO 97/21805。该生物催化剂在相对低浓度例如＞500mM的丙烯腈减活。为了处理该问题，将所述生物反应器以进料批量方式运行，以便可以将丙烯腈浓度保持在低水平。在所述进料间歇式反应中，丙烯腈以预计速率进料到所述生物反应器，其中所述预计速率被计算为低于催化剂转化丙烯腈的能力。

当所述反应进行时，丙烯酸铵的浓度升高，这引起所述催化剂的一些减活。如果丙烯腈的进料以相同预计速率继续，丙烯腈的量将最后超过所述催化剂转化它的能力。这导致所述催化剂的进一步减活，以致所述问题逐步变得更严重。结果，所述催化剂可能被破坏，而且使所述反应过早地停止。反应的停车不能被预知，并且通常在不及对丙烯腈进料进行任何调整以使反应继续之时才能注意到。

因此必需知道在所述转化期间丙烯腈的浓度，以便可以在上限和下限(所述下限不一定为零)之间调节进料到所述生物反应器的丙烯腈，以使所述反应进行下去。作为可供选择或另外的办法，生物催化剂活性的测定可用于控制所述反应条件。

因此，需要的是能够在高浓度例如25至50％w/w的丙烯酸铵存在下，测量丙烯腈的浓度和低浓度的转化率。并且，对于商品化学品生产的控制，所述测定方法应该是适合地廉价、简单、快速和十分灵敏的，例如±20ppm的基质浓度。

已经提出了各种方法，但是它们当中没有能够满足上述标准的。因此，在分光光度法中，自由单元催化剂引起层析法例如HPLC中的干涉，低丙烯腈浓度在高丙烯酸铵浓度存在下是不清楚的，并且另外催化剂必须除去或将催化剂猝灭以立即终止所述反应，例如通过过滤。用于测定挥发性丙烯腈的液上气液色谱法体系需要对于每个样品进行平衡，这引起延迟。基于测量电导率获得丙烯腈浓度的方法是不灵敏的。使用在线电导测定丙烯酸铵产品浓度，从加入丙烯腈的质量对丙烯腈浓度进行质量平衡推导不是适合的，因为在丙烯酸铵浓度高于10％w/w时流体电导和丙烯酸铵浓度之间非线性的、常常双曲线的关系。在高丙烯酸铵浓度下，电导随产品浓度增加而降低。

GB 1 217 325论述了在绝热状态下，通过离析混合物样品和记录其随时间的温度变化，在反应混合物中测量反应速率的方法。然而没有提供测量反应物浓度的方法。

本发明着眼于这些问题。

按照本发明，提供了用于监视催化反应的方法，所述方法包括测定反应混合物样品随时间的温度变化，所述反应混合物从反应物进料中分离，所述测定在至少部分反应期间进行，其中样品的热损失或获得分别地小于反应产生的热或减少的热，并且使用所述测定计算在反应混合物中至少所述反应物之一的浓度。

优选在样品中的反应应该是零级反应，并且尽可能通过降低在反应物和环境之间的传热至零或接近于零而在绝热状态下进行。对于酶，零级反应是经常的，其中基质浓度超过Km。然而，尽管贯穿样品的恒定绝热状态可能难以实现，但是通过在温度测量位置周围保持停滞的液体状态，可以获得测量反应速率要求的2至5分钟。所述温度/时间曲线的最初部分将具有倾斜，其接近绝热状态，这一点可用于提供与催化剂活性有关的信息。通常对于反应速率的测定，所述时间/温度曲线的最初部分的持续时间，其处在绝热状态之下，不应该少于约1分钟、通常不小于2.5分钟、优选的持续时间为约4.0分钟。如果还测量一种反应物消耗完所用的时间，那么该反应物的浓度也可以测定。

保证在样品中温度变化不是非常大也是有用的，其引起反应加速并且引起反应速率测定的误差。所述温度变化理想地不大于5℃、优选地所述温度变化不超过2℃。

本发明重要的特征是总温升(或降低)不需要是已知的。尤其是，所述催化剂的活性可以由时间/温度变化图的始端斜率和反应物浓度计算，后者根据所述催化剂活性和温升(或下降)的持续时间决定。