制備丁二酸相關(guān)方法

1、生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸項目調(diào)研一、項目可行性報告（一）立項的背景和意義丁二酸（Succinic Acid）又稱琥珀酸，是一種重要的“C4平臺化合物”，廣泛存在于動植物和微生物體內(nèi)，是TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物之一，它作為有機合成原材料、中間產(chǎn)物或?qū)Ｓ没瘜W(xué)品可應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、香料、油漆、塑料和材料工業(yè)等眾多領(lǐng)域。其中醫(yī)藥領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)琥乙紅霉素等藥品；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)植物生長調(diào)節(jié)劑、殺菌劑等；食品領(lǐng)域，主要用于液體調(diào)味品及煉制品的風(fēng)味改良劑等；染料領(lǐng)域，主要用于生產(chǎn)高級有機顏料酞菁紅等，2010年丁二酸在這四個領(lǐng)域總價值超過24億美元。除此之外，丁二酸的主要潛在應(yīng)用領(lǐng)域是基礎(chǔ)化工

2、原料，它可以作為許多重要的中間產(chǎn)物和專業(yè)化學(xué)制品，還可以取代很多基于苯和石化中間產(chǎn)物的化學(xué)品，這可減少在超過300種苯基化學(xué)制品的生產(chǎn)和消費過程中所產(chǎn)生的污染，丁二酸的結(jié)構(gòu)是飽和的二羧酸，可以轉(zhuǎn)化為包括l,4-丁二醇(BDO)、四氫呋喃(THF)、-丁內(nèi)酯(GBL)、己二酸和N-甲基吡咯烷酮等一系列重要的工業(yè)化學(xué)品。據(jù)統(tǒng)計丁二酸全世界市場需求量可高達2700萬t/a，美國能源部發(fā)布的報告中將丁二酸列為12 種最有潛力的大宗生物基化學(xué)品的第一位。圖1.1是以丁二酸及其衍生物為原料的化學(xué)制品路線圖。圖 1.1 丁二酸及其衍生物路線簡圖采用生物法制備丁二酸的技術(shù)將填補了國內(nèi)生物法路線生產(chǎn)丁二酸的空缺

3、。丁二酸通過加氫還原反應(yīng)可以制取1,4丁二醇，丁二酸分別與1,4-丁二醇和己二醇進行聚合即可得到生物可降解塑料PBS（聚丁二酸丁二醇酯）和PHS（聚丁二酸己二醇酯）。假如過程中使用的氫氣和熱量也是使用生物質(zhì)分解和發(fā)酵產(chǎn)生的話，那整個聚酯多元醇領(lǐng)域的原料和能量就應(yīng)該可以算是與傳統(tǒng)能源完全分離了，該項目將成為生物質(zhì)循環(huán)利用的示范性工程。另外，由于石油危機及環(huán)境污染的雙重壓力，生物質(zhì)發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸以其具有節(jié)約大量的石油資源并且可以降低由石化方法產(chǎn)生的污染等優(yōu)點而備受國內(nèi)外專家學(xué)者的重點關(guān)注。因此，本技術(shù)屬于國家鼓勵和支持的廢棄資源綜合利用和節(jié)能減排項目，是循環(huán)經(jīng)濟和低碳經(jīng)濟發(fā)展模式項目，并在201

4、1年獲得總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎，也是國家“863”計劃和重點鼓勵發(fā)展類項目，符合國家及部分省市相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向。與傳統(tǒng)化學(xué)方法相比，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸具有諸多優(yōu)勢：生產(chǎn)成本具有競爭力，因此對于聚氨酯行業(yè)的發(fā)展具有強有力的支撐作用，有助于我國聚氨酯產(chǎn)業(yè)發(fā)展；利用可再生的農(nóng)業(yè)資源包括二氧化碳作為原料，避免了對石化原料的依賴，實現(xiàn)了使用可再生資源替代不可再生資源進行中間體的制作；減少了化學(xué)合成工藝對環(huán)境的污染。專家分析認為，未來幾年我國聚酯二元醇的年需求量將達到300萬噸以上，在面對不可再生能源的緊缺條件下，石化法生產(chǎn)丁二酸的產(chǎn)量將會受到限制，加上PBS產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的完善和國內(nèi)外對生物可降解塑料需求的

5、不斷拓展以及丁二酸新應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開發(fā)，因而這將給生物質(zhì)發(fā)酵制取丁二酸的應(yīng)用留下了非常大的發(fā)展空間和十分廣闊的市場前景。（二）國內(nèi)外丁二酸研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（1）國內(nèi)外丁二酸市場概述丁二酸是用于化工、制藥、食品和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的一種重要基礎(chǔ)原料和中間體。一方面由于石油價格劇烈波動，石化法生產(chǎn)丁二酸的成本一直居高不下，另外發(fā)酵法能夠使溫室氣體排放量減少50%，因而發(fā)酵法代替石化法生產(chǎn)丁二酸的工藝正在逐漸興起。另一方面目前綠色化學(xué)品的市場需求也在不斷增長，自然也會牽動對生物基丁二酸的需求。2011年全球丁二酸的產(chǎn)能約4萬噸，其中97%的丁二酸來源于石油基原料，而生物基丁二酸僅占3%，從應(yīng)用領(lǐng)域來看，丁

6、二酸主要用于樹脂、涂料和油漆等領(lǐng)域約占19.3%，其他重要領(lǐng)域包括醫(yī)藥（15.1%）、食品（12.6%）、PBS /PBST（9%）和聚酯多元醇（6.2%）。從丁二酸市場分布來看，2011年，歐洲占市場總量的33.6%，亞太地區(qū)占29.6%，北美占29.2%。亞太地區(qū)預(yù)計將是未來增長最快的市場，如中國、印度和日本，其中，中國處于主導(dǎo)地位（圖2.1）圖2.1 2011年全球丁二酸市場分布據(jù)Transparency預(yù)測，全球丁二酸市場將從2011年的2.403億美元增長到2018年的8.326億美元，20122018年的年均增長率達19.4%，2018年產(chǎn)量將超過25萬噸，1,4-丁二醇、增塑劑、

7、聚氨酯和樹脂需求的增加以及涂料、染料和墨水一直是該產(chǎn)品市場的主要驅(qū)動因素，然而昂貴的原材料和日益嚴重的環(huán)境問題成為了制約該市場增長的主要因素。1.1 國內(nèi)丁二酸市場丁二酸在中國的生產(chǎn)始于上世紀60 年代末期，生產(chǎn)發(fā)展較快，到2013 年丁二酸的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 40%，目前國內(nèi)丁二酸的總產(chǎn)能約12.5 萬噸/年，年產(chǎn)量在6 萬噸左右。隨著以丁二酸為原料的PBS等新型生物可降解塑料的逐步產(chǎn)業(yè)化，丁二酸的發(fā)展將迎來新契機。據(jù)專家預(yù)測，2020年國內(nèi)可降解生物塑料市場需求量為300 萬噸，以生產(chǎn)1 噸PBS需0.6 噸丁二酸計算，未來國內(nèi)丁二酸的年需求量將達到180 萬噸左右，保守估計到2020年

8、，我國生物法丁二酸產(chǎn)能將達到10萬噸/年，加上下游市場的不斷開發(fā)，需求量也將保持10%以上的年增長率，市場缺口巨大。與此同時，國內(nèi)已有多家企業(yè)正在積極籌備上馬PBS 項目，而安慶和興公司則領(lǐng)先一步，率先與清華大學(xué)達成合作意向，在目前3000 噸/年規(guī)模的基礎(chǔ)上，計劃在3 年內(nèi)建設(shè)一條10 萬噸/年P(guān)BS生產(chǎn)線，同時上馬的還有與之配套的6 萬噸/年丁二酸項目。但一直以不可再生的戰(zhàn)略資源石油產(chǎn)品作為原料的傳統(tǒng)丁二酸生產(chǎn)方法導(dǎo)致了高價格和高污染，抑制了丁二酸作為一種優(yōu)秀的化學(xué)平臺產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿?，而采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)正好可以彌補。1.2 國外丁二酸市場國外丁二酸市場看好，原因是丁二酸的結(jié)構(gòu)是飽和二羧

9、酸，可以轉(zhuǎn)化為1,4-丁二醇、四氫呋喃、-丁內(nèi)酯等其它四碳的化學(xué)制品，它的下游衍生物是很多行業(yè)的重要原料，在世界范圍內(nèi)這些衍生物的市場潛力每年超過3×106 噸。為了使生物法生產(chǎn)丁二酸能夠有效降低成本，美國能源部的4個實驗室投資700 萬美元，共同研究發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸。通過生物發(fā)酵法篩選一株優(yōu)良的菌種，選擇利用廉價的原料，經(jīng)過合理的過程優(yōu)化，生產(chǎn)出更具優(yōu)勢的丁二酸產(chǎn)品，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，另外發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸也為農(nóng)業(yè)碳水化合物產(chǎn)品打開一個重要的市場。由此可見，發(fā)酵法制備丁二酸的研究將成為21 世紀化學(xué)工業(yè)的一個重要方向，它將使丁二酸及其衍生物市場范圍更加寬廣。丁二酸的主要應(yīng)用領(lǐng)域大致

10、可分為5大市場：最大的市場為表面活性劑、清潔劑、添加劑和起泡劑：第二個市場為離子鰲合劑，如電鍍行業(yè)中的溶蝕和點蝕等；第三個市場是在食品行業(yè)中作為酸化劑、PH 改良劑和抗菌劑；第四個市場是與健康有關(guān)的產(chǎn)品，包括醫(yī)藥、抗生素、氨基酸和維生素的生產(chǎn)：第五個市場也是最具發(fā)展前景的市場，即作為生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的主要原料。不同市場對于丁二酸的純度要求也是不同的，這對于生物法制備丁二酸是十分有利的，因為化學(xué)法生產(chǎn)的丁二酸由于含有微量的其他不明化合物，限制了其在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用，而生物發(fā)酵法生產(chǎn)的丁二酸完全滿足美國 FDA 的要求，并且已經(jīng)給出了安全的許可。（2）國內(nèi)外生物基丁二

11、酸生產(chǎn)企業(yè)概述2.1 國外主要企業(yè)經(jīng)過多年的研發(fā)，生物基丁二酸在技術(shù)上獲得突破，早期存在的生產(chǎn)成本較高、性能不高導(dǎo)致應(yīng)用范圍有限等不足已有明顯改善，再加上其所具有的環(huán)保優(yōu)勢，這類產(chǎn)品的市場競爭力越來越強。目前，帝斯曼、巴斯夫、Myriant（麥里安科技公司）和BioAmber（生物琥珀公司）均已興建多個世界級規(guī)模的生物基丁二酸生產(chǎn)廠（表2.1）。2.1.1 生物琥珀公司生物琥珀公司是一家從事生物材料加工的公司，于2010年1月22日建成了世界上第一套商業(yè)化規(guī)模生物基丁二酸裝置，采用由小麥衍生的葡萄糖為原料，初期生產(chǎn)能力為2000噸/年。近年來，生物琥珀公司與日本三井公司（Mitsui）合作較為

12、緊密。2013年生物琥珀公司與日本三井公司合作在加拿大安大略省薩尼亞市啟動一套大型生物基丁二酸生產(chǎn)裝置，初始產(chǎn)能為1.7 萬噸/年，并可繼續(xù)擴能到3.4 萬噸/年。2014年生物琥珀公司和日本三井公司還計劃再共同建立兩套裝置，預(yù)計總產(chǎn)能將達到16.5 萬噸/年。第二個工廠先在泰國建立，再在北美或是巴西建立第三個工廠，兩套裝置規(guī)模相當(dāng)。通過合作，生物琥珀公司和日本三井公司將充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。首先，生物琥珀公司已經(jīng)研發(fā)出一個擁有專利的技術(shù)平臺，將工業(yè)生物技術(shù)和專利催化劑結(jié)合把可再生原料轉(zhuǎn)化成化學(xué)品，從而能降低對石油的依賴，減少成本，其次，生物琥珀公司在法國的工廠能生產(chǎn)并銷售丁二酸，已被證明有價格

13、優(yōu)勢。而日本三井公司作為世界上最大的綜合貿(mào)易公司之一，在國際化學(xué)品市場擁有很高的份額，有利于生物琥珀公司生產(chǎn)的生物基丁二酸進行全球市場銷售。表2.1 國外主要企業(yè)的生物基丁二酸的產(chǎn)能比較公司年產(chǎn)量/噸工廠地址運行時間巴斯夫/Purac 合資公司50000-巴斯夫/Purac 合資公司25000巴塞羅那2013年BloAmber-ARD3000POMACLE（法國）2012年BloAmber/Mitsul合資公司65000TBA（美國或巴西）-BloAmber/Mitsul合資公司17000（前期）34000（后期）薩尼亞市（加拿大）2013年Myriant77110普羅維登斯湖（美國路易斯安那

14、州）2014年Myriant-中國藍星110000南京（中國）-Myrlant-Uhde（owner and operator）500（第一年）Infraleuna site（德國）2012年Reverdia（DSM-Roquette）10000薩諾斯皮諾拉（意大利）2012年注：來源ISIC公司報告2.1.2 麥里安科技公司美國麥里安科技公司2011年初在路易斯安那州開工建設(shè)全球最大的生物基丁二酸工廠，并于2013年第一季度啟動其在路易斯安那州普羅維登斯湖產(chǎn)能為1.36 萬噸/年的生產(chǎn)裝置，計劃在2014年初將產(chǎn)能擴大到7.7 萬噸/年。2012年，麥里安科技公司與德國洛伊納（Leuna）的

15、蒂森克虜伯伍德公司（ThyssenKrupp Uhde）合作開始商業(yè)化生產(chǎn)生物基丁二酸，生產(chǎn)工藝可達商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。早在2009年，麥里安科技公司和蒂森克虜伯伍德公司就商業(yè)化開發(fā)生物基丁二酸簽訂了獨家聯(lián)盟協(xié)議，旨在確保生物基丁二酸生產(chǎn)工藝具有成本競爭優(yōu)勢和生產(chǎn)高純度產(chǎn)品；目前，麥里安科技公司正在研究與中國藍星（集團）總公司在南京建設(shè)生物基丁二酸項目，此外還與泰國PTT國際化學(xué)公司合作，在東南亞建設(shè)丁二酸項目。在銷售方面，2011年美國麥里安科技公司和日本雙日株式會社就締結(jié)銷售和市場合作關(guān)系，在日本、韓國、中國大陸和中國臺灣經(jīng)銷生物基丁二酸，目的是憑借雙日株式會社的市場覆蓋，極大

16、地提升麥里安科技公司生產(chǎn)的生物基丁二酸在這些地區(qū)的長期價值。2.1.3 Reverdia（DSM-Roquette）由荷蘭皇家帝斯曼集團（Royal DSM）和法國羅蓋特公司（Roquette Frères）合資建成的Reverdia公司，早在2010年初，就在法國Lestrem建成示范工廠，將這種生產(chǎn)技術(shù)投入實際運用，并不斷進行改進和優(yōu)化，為產(chǎn)品大規(guī)模推向市場作好準(zhǔn)備。Reverdia公司于2012年10月開始投產(chǎn)于意大利卡薩諾斯皮諾拉（Cassano Spinola）的第一個商業(yè)化的生物基丁二酸項目，初始設(shè)計產(chǎn)能為1萬噸/年，這也為全球丁二酸項目的大規(guī)模啟動打下堅實基礎(chǔ)。Reve

17、rdia公司還是目前唯一一家利用低PH值酵母技術(shù)進行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的公司，該技術(shù)的獲取源于其公司的示范工廠，被Reverdia公司視作未來進一步提升產(chǎn)品性能的關(guān)鍵要素。通過其掌握的專利生產(chǎn)技術(shù)，Reverdia公司有望能夠滿足全球市場對于丁二酸日益增長的需求，從而確立其在生物基丁二酸生產(chǎn)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。帝斯曼與羅蓋特強強聯(lián)手，結(jié)合各自在材料科學(xué)與生物技術(shù)及植物原料加工方面的優(yōu)勢，構(gòu)成Reverdia公司發(fā)展的強勁推動力。2.1.4 Succinity GmbH（BASF-Purac）巴斯夫及CSM 旗下普拉克（Purac）成立了合資公司Succinity GmbH，總部位于德國杜塞爾多夫。2

18、013年在西班牙巴塞羅那建立的發(fā)酵能力為2.5萬噸/年的生物基丁二酸裝置正式投產(chǎn)。巴斯夫和CSM在2009年已簽署共同發(fā)展協(xié)議并開始對丁二酸進行調(diào)研。雙方在發(fā)酵和下游處理方面的互補優(yōu)勢形成了可持續(xù)的高效生產(chǎn)過程。生產(chǎn)中使用的細菌為產(chǎn)丁二酸厭氧螺菌，通過自然過程生產(chǎn)丁二酸。這個過程可以生成很多可再生的原材料，結(jié)合了高效和可再生原材料使用的優(yōu)點，同時還具有較好的固碳效果。另外巴斯夫和CSM還改建了普拉克巴塞羅那附近的一家工廠，用來生產(chǎn)丁二酸，年產(chǎn)能約1 萬噸，該工廠在2013年底正式投產(chǎn)，并計劃籌建第二個世界級規(guī)模的丁二酸工廠，產(chǎn)能達5萬噸/年，以滿足日益增長的丁二酸使用需求。2.2 國內(nèi)主要企業(yè)

19、國內(nèi)以微生物發(fā)酵為基礎(chǔ)的丁二酸綠色生產(chǎn)工藝才剛剛起步，同時由于PBT、PBS樹脂、醫(yī)藥及聚氨酯等行業(yè)近年來在國內(nèi)發(fā)展較迅速，因而我國每年都要進口大量丁二酸及其下游產(chǎn)品來滿足生產(chǎn)需求。我國現(xiàn)有丁二酸生產(chǎn)企業(yè)十余家，且大部分均以石化為原料（表2.2）。但我國對生物發(fā)酵法制備丁二酸的研究從未間斷過，2013年1月28日，揚子石化公司1000噸/年生物發(fā)酵法制丁二酸中試裝置建成中交，該裝置依托揚子石化現(xiàn)有裝置及公用工程配套設(shè)施，采用中國石化與高?？蒲袉挝还餐_發(fā)的生物發(fā)酵法合成丁二酸技術(shù)，裝置設(shè)計生產(chǎn)能力為1000噸/年，年工作日300天，年生產(chǎn)時數(shù)7200小時。生物法制取丁二酸項目主要利用可再生生物

20、質(zhì)資源作為原料，采用豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源，確保了生物基丁二酸不受石油價格波動的影響。同時減少石油和煤等不可再生資源的消耗，達到節(jié)能減排的效果，為我國循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展和綠色GDP增長做出突出貢獻。表2.2 國內(nèi)丁二酸生產(chǎn)單位及生產(chǎn)方法生產(chǎn)單位生產(chǎn)方法產(chǎn)能/噸湖北遠成化學(xué)合成法15001800安徽三信電化學(xué)法3000上海申人電化學(xué)法600寶雞寶玉化學(xué)合成法1000陜西渭南惠豐化學(xué)合成法300臨沂市利興化學(xué)合成法10000湖南長嶺化學(xué)合成法3000武漢金諾化學(xué)合成法500吉林市琥珀酸項目發(fā)酵法前期3萬后期10萬揚子石化發(fā)酵法1000山東振興電化學(xué)法1000江蘇仙橋電化學(xué)法1000湖南云溪化學(xué)合成法50

21、000山東飛揚電化學(xué)法10000（3）國內(nèi)外丁二酸生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀基于丁二酸在工業(yè)中的廣泛使用，對應(yīng)丁二酸的需求量在逐年遞增，世界各國對其生產(chǎn)方法研究在不斷深入。丁二酸的工業(yè)制法較多，目前主要有化學(xué)合成法，電化學(xué)法和新興的生物質(zhì)發(fā)酵法，其中發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸主要是利用可再生能源和二氧化碳作為原料，開辟了溫室氣體二氧化碳利用的新途徑，且成本低廉，環(huán)境友好，因此生物法生產(chǎn)丁二酸代表著未來發(fā)展的方向。3.1 化學(xué)合成法丁二酸的化學(xué)合成法主要有石蠟氧化法、乙炔法、催化加氫法、丙烯酸羰基合成法等。石蠟氧化法：傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，石蠟在鈣、錳催化下深度氧化得到混合二元酸氧化石蠟，后者通過熱水蒸汽蒸餾，去除不穩(wěn)定羥基

22、油溶性酸和酯后，水相中含有丁二酸，干燥后得到丁二酸的結(jié)晶（圖3.1）。該工藝比較成熟，但收率和純度都不高，且有污染。催化加氫法：以順丁烯二酸或順丁烯二酸酐為原料，采用載有活性炭的鎳或貴金屬為催化劑，在大約130140，230×105 Pa條件下催化加氫得到。順丁烯二酸或順丁烯二酸酐的催化加氫體系可分為多相和均相，其中多相催化體系又可分為氣相催化加氫體系和液相催化加氫體系。催化加氫法是目前世界上使用最廣泛的丁二酸工業(yè)合成方法，其轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)率高，產(chǎn)品純度良好，無明顯副反應(yīng)，但操作要求較高，工藝復(fù)雜，成本高，且污染嚴重。丙烯酸羰基合成法：丙烯酸和一氧化碳在催化劑作用下，生成丁二酸，目前仍

23、未工業(yè)化。圖3.1 丁二酸石蠟氧化法制備路線簡圖3.2 電化學(xué)法以順丁烯二酸或順丁烯二酸酐為原料，電解還原得到丁二酸（圖3.2）。電解槽主要分為隔膜和無隔膜兩種，工作電極有鉛、鉛合金、石墨、不銹鋼、銅、鈦、二氧化鈦電極等。電化學(xué)還原順丁烯二酸合成丁二酸主要有兩種方式：直接電還原和間接電還原。直接電還原是直接在電極表面由電子進攻雙鍵或活性氫還原生成丁二酸。間接陰極電還原主要以Ti3+ /Ti4+ 為媒質(zhì)，間接還原順丁烯二酸合成丁二酸。丁二酸的電化學(xué)法雖然具有設(shè)備簡單，產(chǎn)品純度高，無污染等特點，但實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)還有許多問題需要解決，如電耗大、離子 膜易破損、陽極消耗嚴重、工藝操作條件不佳等。圖3.2

24、 丁二酸電化學(xué)法制備原理簡圖3.3 發(fā)酵法生物發(fā)酵法是以淀粉、纖維素、葡萄糖、蔗糖、牛乳或其他微生物能夠利用的廢料為原料，利用細菌或其他微生物發(fā)酵的方法生產(chǎn)丁二酸及其衍生物（圖3.3）。丁二酸是一些厭氧和兼性厭氧微生物代謝途徑中的共同中間物。一般情況下，丙酸鹽生產(chǎn)菌、典型的胃腸細菌以及瘤胃細菌均能夠分泌丁二酸。據(jù)報道，一些乳酸菌(LactobaciIlus)也能在特定的培養(yǎng)基上不同程度地產(chǎn)生丁二酸。國外在20世紀90年代就開始發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的研究，其中認為可接近工業(yè)化的發(fā)酵水平為產(chǎn)丁二酸濃度60 g·L-1以上，糖酸轉(zhuǎn)化率0.8 g·g-1和生產(chǎn)效率1.5 g·(

25、L·h)-1以上。目前有望成為丁二酸發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的微生物菌株主要有：放線桿菌(Actinobacillus succinogenes)、谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacterium glutamicum)工程菌、厭氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniproducens)、曼氏桿菌(Mannhei miasucciniciproducens)以及重組大腸桿菌(Escherichia coli)等（表3.1）和可再生原料如：乳清、糖類、小麥、菊芋粉及木質(zhì)纖維素等。由于天然菌株產(chǎn)丁二酸的能力非常低，發(fā)酵產(chǎn)物多種多樣，對糖或丁二酸的耐受性比較差，因此必須運用生物工程

26、技術(shù)對現(xiàn)有的菌種進行改良重組。圖3.3 丁二酸生物法制備路線簡圖3.3.1 乳清原料發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸乳清是奶酪生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物，每10 L牛奶可以得到1 kg 奶酪和9 L 乳清。乳清中含有3%8%的乳糖，0.8%1%的牛乳蛋白，1%的鹽和0.1%0.8%的乳酸。乳清可以液體、干乳清和乳清滲透物的形式作為發(fā)酵原料。密西根大學(xué)的Samuelov等最先開始研究厭氧微生物發(fā)酵乳清乳糖生產(chǎn)丁二酸的能力，以A. succiniciproducens ATCC29305為模式菌，用分批、連續(xù)和補料分批的方式直接發(fā)酵乳清生產(chǎn)富含丁二酸的動物飼料添加劑。在滅菌后的粗乳清中補加玉米漿、磷酸鹽與鎂鹽作為培養(yǎng)基，其中

27、乳糖的含量在44.748.7 g/L。A. succiniciproducens在高CO2濃度的環(huán)境下培養(yǎng)，發(fā)酵液中丁二酸濃度最終達34.7 g/L，其中丁二酸與乙酸的比為4:1，乳糖的消耗率在90%以上，丁二酸對乳糖的產(chǎn)率大于80%，證實了由乳清原料生產(chǎn)丁二酸的可行性。表3.1 國內(nèi)發(fā)酵法制備丁二酸的主要研究進展研究機構(gòu)研究進展江南大學(xué)開展菌株選育和工藝研究，獲得比較優(yōu)良的產(chǎn)丁二酸放線桿菌菌株（Actinobacillus succinogenes CGMCC1593），利用制糖工業(yè)的副產(chǎn)物糖蜜為碳源，初始總糖濃度為 65g/L 時，產(chǎn)丁二酸放線桿菌厭氧發(fā)酵 48 h，丁二酸濃度可達55.2

28、g/L，生產(chǎn)率 1.15g/（Lh）山東大學(xué)底物 52g/L 葡萄糖發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸達到 26.4g/L，轉(zhuǎn)化率達到50.7%合肥工業(yè)大學(xué)木質(zhì)纖維素水解液為碳源時分批培養(yǎng)的丁二酸最后濃度及得率分別為11.73g/L 和 56%，生產(chǎn)率為1.17g/（L·h）；連續(xù)培養(yǎng)的丁二酸得率為 55% ，生產(chǎn)能力為3.19g/（L·h）南京工業(yè)大學(xué)采用稀酸水解玉米籽皮制備混合糖液，脫毒脫色后，產(chǎn)丁二酸放線桿菌NJ113 培養(yǎng)基總糖濃度為50g/L 時，丁二酸分批發(fā)酵的質(zhì)量收率可達0.68g/g，濃度可達34.2g/L，生產(chǎn)強度達0.83g/（L·h），總糖濃度為68.2g/L

29、時，丁二酸質(zhì)量收率仍可達0.62g/g，濃度為42.3g/L，生產(chǎn)強度為0.98g/（L·h）煙臺大學(xué)進行好氧發(fā)酵研究，對丁二酸產(chǎn)生菌 S-1 進行紫外線和亞硝基胍的復(fù)合誘變后，篩選出丁二酸產(chǎn)量高、遺傳性狀穩(wěn)定的菌株S-57，并對其進行激光誘變，篩選出菌株 SH-24，丁二酸產(chǎn)量達到 21.25g/L。經(jīng)鑒定該菌為總狀枝毛霉Mucor racemosus Fresenius）SH-24韓國Lee等報道了A. succiniciproducens ATCC29305和M. succiniciproducens MBEL55E分批、連續(xù)發(fā)酵乳清生產(chǎn)丁二酸的情況。在基礎(chǔ)鹽與乳清組成的培養(yǎng)基

30、上，A. succiniciproducens ATCC29305菌體不生長，但在補加酵母膏和聚蛋白胨的乳清培養(yǎng)基中，菌體生長與產(chǎn)酸。當(dāng)葡萄糖和乳清作為混合底物時（20 g/L乳清和7 g/L葡萄糖），丁二酸產(chǎn)率和生產(chǎn)強度分別為95% 和0.46 g /（L· h），丁二酸濃度達15.5 g/L，比單以乳清為底物時的生產(chǎn)強度高出近一倍。在最佳的稀釋速率下連續(xù)發(fā)酵，丁二酸的生產(chǎn)強度達到1.35 g/（L· h），并且發(fā)酵液中，丁二酸與乙酸比值提高到5.1:15.8:1。用玉米漿代替乳清培養(yǎng)基中的酵母膏，M. succiniciproducens MBEL55E分批發(fā)酵乳清原料

31、產(chǎn)丁二酸13.0 g/L，丁二酸產(chǎn)率和生產(chǎn)強度為71%和1.18 g/（L· h）。以稀釋速率為0.6h-1 連續(xù)厭氧發(fā)酵時，丁二酸產(chǎn)率63%69%，生產(chǎn)強度達到3.9 g/（L· h），比分批培養(yǎng)提高了3.3倍。結(jié)果表明了用廉價的乳清和玉米漿為原料可以有效的生產(chǎn)丁二酸。最近 Wan等研究用Actinobacillu ssuccinogenes 130z發(fā)酵奶酪乳清也能生產(chǎn)丁二酸。50 g/L奶酪乳清的培養(yǎng)基，丁二酸的產(chǎn)率57 %，生產(chǎn)強度0.44 g/（L· h），乙酸和甲酸為主要副產(chǎn)物。3.3.2 糖類原料發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸含有由葡萄糖和果糖組成的二糖植物通常稱為

32、糖料植物，甜菜和甘蔗是蔗糖和糖蜜的主要來源，甜高粱也可作為蔗糖的來源。糖蜜是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，糖蜜一般含有大約40%50%（質(zhì)量分數(shù)）總糖（主要成分是蔗糖、葡萄糖和果糖），是發(fā)酵工業(yè)中較廉價的碳源原料。糖蜜除了比葡萄糖價格低廉外，還含有多種微生物生長所需要的營養(yǎng)素如維生素，氨基酸和礦物質(zhì)等，是一種理想的發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的原料。印度Agarwal等報道從牛瘤胃中分離獲得的產(chǎn)琥珀酸E. Coli，在優(yōu)化后的含甘蔗糖蜜和玉米漿的培養(yǎng)基中，其丁二酸的產(chǎn)量比用葡萄糖和蛋白胨培養(yǎng)基的產(chǎn)酸提高了9倍。在10L發(fā)酵罐中，初始甘蔗糖蜜總糖濃度50 g/L，36 h生成17 g/L丁二酸，丁二酸的產(chǎn)率和生產(chǎn)強度分別

33、為34%和0.5 g/(L·h)。劉宇鵬等研究用A. succinogenesCGMCC1593發(fā)酵甘蔗糖蜜生產(chǎn)丁二酸，工業(yè)廢糖蜜經(jīng)酸預(yù)處理后作為培養(yǎng)基的碳源，培養(yǎng)液中總糖濃度為64.4 g /L，其中含44.9 g /L蔗糖，9.8 g /L葡萄糖，7.2 g /L 果糖，分批發(fā)酵48 h產(chǎn)丁二酸46.4 g/L，丁二酸產(chǎn)率79.5%。在5 L發(fā)酵罐中進行補料分批發(fā)酵，丁二酸濃度可達到55.2 g/L。董晉軍等研究了用甘蔗糖蜜原料半連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸工藝，采用兩級雙流式半連續(xù)發(fā)酵操作，39個批次(一級罐連續(xù)時間269 h)， 二級發(fā)酵罐平均產(chǎn)酸43.5 g/L，平均生產(chǎn)強度達到2.

34、07 g /(L·h)，較相同有效裝液量的分批發(fā)酵或補料分批發(fā)酵單位時間產(chǎn)發(fā)酵液體積提高23倍。甜高粱是一種新型綠色可再生高能作物，平均含糖量7%15%，其莖稈中富含50%70%糖汁，莖汁中的糖分以蔗糖為主（最高占79%），其次是葡萄糖和果糖，莖汁中還含有N、Mg、Ca元素。因此也可以作為發(fā)酵的碳源。表3.2 5 L發(fā)酵罐中甜高粱榨汁糖漿補料分批發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸情況發(fā)酵時間/h丁二酸/(g/L)甲酸/(g/L)乙酸/(g/L)殘?zhí)?(g/L)00.000.770.2139.5586.052.632.6225.631623.053.794.6320.112430.383.504.4223

35、.253239.691.014.4622.984054.0904.2312.564458.8504.898.214859.8004.867.50江南大學(xué)鄭璞課題組采用收割后的甜高粱稈榨汁，榨汁液進行發(fā)酵產(chǎn)丁二酸試驗，得到較好的結(jié)果（表3.2）。榨汁液發(fā)酵培養(yǎng)基中以玉米漿為氮源，初始還原糖濃度60.5 g/L，在5 L發(fā)酵罐中，A. succinogenes CGMCC 1593分批發(fā)酵48h，產(chǎn)丁二酸47.2 g/L。補料分批發(fā)酵時，通過補加甜高粱榨汁糖濃縮液，控制發(fā)酵液中的糖濃度在2030 g/L。發(fā)酵48 h，總投入甜高粱榨汁糖漿糖濃度為80.4 g/L（按最終體積計），發(fā)酵剩余還原糖濃度

36、為7.5 g/L，產(chǎn)丁二酸濃度59.8 g/L，較分批發(fā)酵提高了21%，生產(chǎn)強度1.25 g/(L· h)。試驗結(jié)果表明有良好應(yīng)用前景。3.3.3 小麥水解發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸谷類植物是淀粉的主要來源，杜晨宇等進行了以小麥為原料發(fā)酵丁二酸的研究。整個過程分兩個階段，第一階段運用真菌將小麥淀粉轉(zhuǎn)化為發(fā)酵原料，第二階段用A. succinogenea ATCC55618發(fā)酵產(chǎn)丁二酸。一種方法是將泡盛曲霉Aspergillus awamori 2B.163在含8%小麥粉的培養(yǎng)基中液體發(fā)酵96 h，發(fā)酵濾液（含30 g/L的葡萄糖和100 mg/L的氨基氮）用于A. succinogenea發(fā)酵，

37、產(chǎn)丁二酸5 g/L，副產(chǎn)物乳酸2.9 g/L，丁二酸對小麥粉產(chǎn)率為0.063 g/g。另一種方法，用富含葡萄糖淀粉酶的Asp. awamori發(fā)酵濾液，水解面粉產(chǎn)生葡萄糖富集液，將Asp.awamori 發(fā)酵濾渣中的菌絲體自溶，制成氨基氮富集液，兩者混合成含葡萄糖45 g/L，氨基氮500 mg/L的培養(yǎng)基，經(jīng)A. succinogenea發(fā)酵可產(chǎn)生16 g/L丁二酸，副產(chǎn)物8 g/L乙酸和6 g/L甲酸，丁二酸對小麥粉的產(chǎn)率為0.19g/g。另外在第一階段中，改用雙菌固體發(fā)酵產(chǎn)酶，將泡盛曲霉 Asp. awamori 和米曲霉Asp. oryzae分別在小麥麩皮培養(yǎng)基中固體發(fā)酵產(chǎn)淀粉酶和蛋白

38、酶，然后分別用提取的酶液水解小麥粉和面筋蛋白，制備含葡萄糖濃度140 g/L以上的糖富集液，與含3.5 g/L以上游離氨基氮的富集液。兩種富集液混合作為A. succinogenea ATCC55618發(fā)酵的原料，發(fā)酵過程添加MgCO3，丁二酸濃度達到64 g/L。說明小麥可作為發(fā)酵丁二酸的一種有效原料。3.3.4 菊芋粉發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸菊芋是多年生塊莖植物，菊芋塊根成分中除水分外，含有大量菊糖，可達干重的70%80%，菊糖是以b-1, 2鍵連接的末端有一個蔗糖基的多聚果糖，使聚合度為3234的多糖。菊糖水解后得到果糖和葡萄糖，不需提純可直接用于發(fā)酵。因此，也是發(fā)酵工業(yè)上一種較廉價的碳源。江南大

39、學(xué)鄭璞課題組研究了菊芋為原料A.succinogenesCGMCC1593發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸。黑曲霉Asp. niger SL-09發(fā)酵產(chǎn)菊粉酶，酶活達到46 U/mL發(fā)酵液。該發(fā)酵液在50條件下按10%加量與菊芋粉作用，水解得到菊芋糖漿。A. succinogenes CGMCC 1593在含還原糖濃度為53.5 g/L的菊芋糖漿發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵36 h，產(chǎn)丁二酸43.5 g/L，生產(chǎn)強度1.22 g/（L·h）。另一方面初步研究了菊芋同步糖化發(fā)酵工藝。菊芋粉為培養(yǎng)基碳源，玉米漿為氮源，按每克底物加入40U菊粉酶的比例加入Asp. niger SL-09培養(yǎng)液，60保溫10 min后，

40、降溫到37 ，接入A. succinogenes SF-9進行同步糖化發(fā)酵，發(fā)酵72 h。產(chǎn)丁二酸59 g/L，在此基礎(chǔ)上采用補料發(fā)酵，發(fā)酵過程總投入約菊芋粉192 g/L（總計還原糖134 g/L），發(fā)酵96 h，丁二酸濃度98 g/L，表明同步糖化發(fā)酵菊芋原料生產(chǎn)丁二酸有較好的應(yīng)用價值。3.3.5 木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)丁二酸木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生資源，用于工業(yè)發(fā)酵原料的木質(zhì)纖維素主要有農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、木材和木質(zhì)生物質(zhì)等。木質(zhì)纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，纖維素是由b-1，4-糖苷鍵連接而成的多糖，半纖維素是由帶支鏈的多聚糖（主要是已聚糖和戊聚糖）組成的雜多糖，而木質(zhì)素是

41、一種酚醛聚合物。三者組成的木質(zhì)纖維素具有很強的抗水解和酶解特性，因此木質(zhì)纖維素作為發(fā)酵原料必須經(jīng)過預(yù)處理才能使用。美國芝加哥大學(xué)的Donnelly2004年申請了E.coli 基因工程菌（ptsG、pflB、ldhA突變株AFP184，AFP400，AFP404）發(fā)酵工業(yè)級水解液（Arkenol´s hydrolysate，玉米水解糖漿和纖維素水解糖漿）生產(chǎn)丁二酸的專利。采用兩段式發(fā)酵，前期耗氧（6h），后期流加含有木糖的工業(yè)級水解糖漿并通CO2厭氧發(fā)酵，192 h積累丁二酸63 g/L，丁二酸對底物的產(chǎn)率在0.6:11.3:1。有報道該技術(shù)已于2002年在Applied Carbo

42、Chemials Inc.（ACC）公司進行了中試規(guī)模試驗。韓國 Lee PC等報道了木材水解液發(fā)酵產(chǎn)丁二酸。采用2mm×4 mm大小的橡木塊，于215 汽爆預(yù)處理，再用纖維素酶，按每克底物20IU的用量，在50 下水解3d，得到含葡萄糖和木糖分別為20 g/L和7 g/L的木材水解液。A.succiniciproducens在木材水解液發(fā)酵培養(yǎng)基中（含還原糖糖27 g/L，玉米漿10 g/L）分批發(fā)酵，積累丁二酸23.8 g/L，對糖產(chǎn)率和生產(chǎn)強度分別為88%和0.74 g/(L· h)。Kim DY等研究了M.succiniciproducens MBEL55E發(fā)酵木材

43、水解液生產(chǎn)丁二酸，在橡木材水解液發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌前，用NaOH預(yù)處理以減少滅菌過程所產(chǎn)生的抑制物質(zhì)，NaOH處理后的木材水解液含葡萄糖16 g/L，木糖7 g/L，M.succiniciproducens MBEL55E發(fā)酵12 h，積累丁二酸11.7 g/L，丁二酸產(chǎn)率56%，生產(chǎn)強度從未預(yù)處理時的0.60 g/(L·h)提高到1.17 g/(L·h)，在稀釋速率0.4 h-1的條件下連續(xù)發(fā)酵，丁二酸的產(chǎn)率55%，生產(chǎn)強度提高到3.19 g/(L·h)。瑞典Hodge等研究了軟木材稀酸水解液脫毒及脫毒水解液用于基因工程菌E. coli AFP184生產(chǎn)丁二酸的發(fā)酵

44、。稀酸水解木質(zhì)纖維素的過程中，會產(chǎn)生對微生物生長與發(fā)酵有害的酚醛類等物質(zhì)。采用云杉木碎片，先在PH值2、170 的條件下稀硫酸水解7 min，以水解其中的半纖維素，余下固體部分再在pH值2、200 的條件下稀硫酸水解10 min，合并兩步酸水解液，濃縮后用5%活性炭吸附脫毒。E. coli AFP184在脫毒水解液發(fā)酵培養(yǎng)基中，菌體生長與產(chǎn)酸加快；而在未經(jīng)脫毒處理的水解液發(fā)酵培養(yǎng)基中，菌體不能生長與產(chǎn)酸。將脫毒處理的水解液用于E. coli 的丁二酸發(fā)酵，先好氧培養(yǎng)11 h，再厭氧發(fā)酵42 h，可積累丁二酸42.2 g/L，丁二酸產(chǎn)率72%。國內(nèi)姜岷等報道了用玉米皮水解液為原料發(fā)酵產(chǎn)丁二酸。粒

45、徑為2040目的玉米皮在料液比18%，l10 ，l%硫酸條件下水解90 min，總糖濃度達85 g/L，總糖收率90%。酸水解液用活性炭脫色，脫色率達92%，脫色的總糖損失率低于5%，糠醛含量僅為0.236 g/L。脫色后的糖液用于A. succinogenes NJ113發(fā)酵產(chǎn)丁二酸，初始糖濃度為50 g/L時，丁二酸濃度達35.8 g/L，丁二酸產(chǎn)率為71.6%，驗證了玉米皮水解液可替代葡萄糖作為丁二酸發(fā)酵的碳源。陳可泉等用酸水解玉米纖維，采用CaCO3中和與活性炭脫色處理酸水解液，有效去除了水解液中抑制發(fā)酵的物質(zhì)，得到的水解糖液用于A. succinogenes NJ113發(fā)酵產(chǎn)丁二酸，

46、在7.5L發(fā)酵罐上，產(chǎn)丁二酸濃度達35.4 g/L，丁二酸產(chǎn)率72.5%。李興江等報道了水解玉米秸稈發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸。采用堿解和酶解法處理，40目的玉米秸稈按1:5的比例在PH值12的堿性水溶液中，95 攪拌60 min，然后用50 Hz超聲處理30 min，硫酸中和PH值至中性，分離硫酸鈣沉淀。清液中加入纖維素酶和半纖維素酶，60 攪拌酶解180 min。200 g秸稈粉水解得到52 g葡萄糖和24 g木糖。通過優(yōu)化培養(yǎng)基中鎂、錳、亞鐵、鋅離子和維生素的含量以及CO2與H2的比例、氟乙酸的濃度，A. succinogenes FH-7發(fā)酵產(chǎn)丁二酸濃度達到73 g/L。采用酸解和酶解法，玉米秸稈

47、先經(jīng)180 汽爆10 min，再用0.4%硫酸高壓水解，水解后固體部分用纖維素酶和半纖維素酶在50 下酶解72 h，合并兩部分水解液，2000 g干秸稈共得到154 g木糖和293 g葡萄糖。用A. succinogenes S.JST 的pta-adh突變株M.JSTA，在10 L發(fā)酵罐中發(fā)酵，總糖濃度為64 g/L，發(fā)酵液積累丁二酸56 g/L。此外，有報道日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機構(gòu)成功地使用轉(zhuǎn)基因棒狀桿菌，從廢紙中制取出琥珀酸，最終可從每升培養(yǎng)液中提取約30 g的琥珀酸，認為可將琥珀酸制造成本降低90%。目前發(fā)酵生產(chǎn)的丁二酸的價格在0.551.1美元/kg。基于這一生產(chǎn)成本，上述的丁二

48、酸衍生物比目前石化原料生產(chǎn)的有競爭力或接近有競爭力。發(fā)酵法生產(chǎn)的丁二酸通過多年的實驗，以及不同國家公司中試的實踐，在技術(shù)、環(huán)保、安全、經(jīng)濟等指標(biāo)的考核均已經(jīng)成為一個共識，這個工藝線路有潛力成為大量生產(chǎn)化學(xué)制品，也可作為大部分重要的中間產(chǎn)物和專業(yè)化學(xué)制品得基礎(chǔ)。上述文獻報道的研究結(jié)果反映了利用這些廉價的原料生產(chǎn)丁二酸，具有良好的可行性和應(yīng)用前景。（4） 發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸的提取研究進展與石化法工生產(chǎn)丁二酸相比，采用生物發(fā)酵法可降低一些生產(chǎn)成本，其中分離提取技術(shù)大約占總生產(chǎn)成本的50%。廉價生物質(zhì)如木質(zhì)纖維素的應(yīng)用雖能降低發(fā)酵成本，但也向發(fā)酵液中引入更多的外來成分，包括蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、果膠以及纖維素

49、等，并且目標(biāo)產(chǎn)物的濃度通常比單糖發(fā)酵偏低，另外除了目標(biāo)產(chǎn)物，發(fā)酵液中本身還存在一些其他的化合物，如代謝副產(chǎn)物、細胞和殘留的原料等，最終導(dǎo)致其下游分離過程比單糖發(fā)酵或化學(xué)合成更難規(guī)模生產(chǎn)。目前微生物發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸的分離方法主要包括以下幾種：沉淀法、電滲析法、溶劑萃取法以及離子交換法。4.1 沉淀法沉淀法主要包括鈣鹽法、銨鹽法以及近來研究比較多的酯化法。4.1.1 鈣鹽法通過加入氫氧化鈣或氧化鈣生成沉淀，以達到從發(fā)酵液中分離的效果，是傳統(tǒng)工業(yè)上分離羧酸的常用方法。鈣鹽法的具體步驟如下：先加入氧氧化鈣或氧化鈣，將得到的丁二酸鈣鹽從發(fā)酵液中過濾分離出來，用濃硫酸處理，得到副產(chǎn)物硫酸鈣，游離的酸通過一些

50、方法（如：活性碳、離子交換等）進行純化，最后蒸餾得到丁二酸晶體（圖4.1）。鈣鹽法因為工藝成熟、設(shè)備簡單、原材料易得和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點而在國內(nèi)外被廣泛使用。但經(jīng)過這么多年的應(yīng)用，其缺陷日益顯露：一是得到的提取液中丁二酸質(zhì)量分數(shù)較低，增大了后續(xù)濃縮段的負荷；二是單元操作損失多，總收率低；三是在提取過程中丁二酸經(jīng)歷了多次相變，消耗化工原料多，固液分離量大，能耗高；四是環(huán)境污染嚴重，產(chǎn)生大量的固體廢棄物CaSO4，每生產(chǎn)出l mol的丁二酸產(chǎn)品，就產(chǎn)生出等摩爾的石膏副產(chǎn)物。因此，鈣鹽法提取有待于進一步的提高。圖4.1 鈣鹽法提取流程簡圖4.1.2 銨鹽法Berglund和Dunuwilal在美國專

51、利中，提出一種即不消耗大量試劑，也不產(chǎn)生大量副產(chǎn)物的生產(chǎn)和純化丁二酸的工藝，在生產(chǎn)過程中硫酸銨副產(chǎn)物可實現(xiàn)循環(huán)利用。生產(chǎn)及純化的第一步是種子接種到發(fā)酵罐中，用NaOH調(diào)節(jié)發(fā)酵液的PH6.0以上，在PH為7.0的時候最佳。第二步是通過過濾器，將不溶的蛋白質(zhì)和雜質(zhì)除去。得到的丁二酸鈉質(zhì)量分數(shù)為10左右，通過多效蒸發(fā)器濃縮至50%，在結(jié)晶器中，通入CO2及氨氣，將丁二酸鈉鹽轉(zhuǎn)化為丁二酸銨鹽，然后在丁二酸結(jié)晶器中，加入NH4HSO4將PH調(diào)為1.51.8，進行結(jié)晶。在這個PH下，丁二酸的溶解度最小，而且丁二酸銨與硫酸氫銨反應(yīng)生成硫酸銨和丁二酸，所以丁二酸能析出來。通過過濾器，洗滌，再通過甲醇純化器，將

52、丁二酸從相對不溶的硫酸鹽中分離出來，最后蒸發(fā)，可以得到純的丁二酸。甲醇蒸發(fā)，被回收到甲醇貯罐中。從結(jié)晶器出來的NaHCO3可以被用來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐的PH。從過濾器出來的濾液含有(NH4)2SO4、殘留的丁二酸、NH4HSO4及硫酸，與甲醇純化器中出來的硫酸鹽一起進入熱分解器中。這個過程是為了將殘留的丁二酸從硫酸鹽中分離出來，以減少送入熱分解器中的硫酸鹽混入有機物，在分解過程中造成焦化。硫酸鹽大部分為硫酸銨，部分為殘留的硫酸氫銨和硫酸，將其置于熱分解器中，溫度維持在300左右。在這個溫度范圍內(nèi)，硫酸銨裂解成為氨和硫酸氫銨，也可能形成硫酸。硫酸氫銨、殘留的硫酸和殘留的未分解的(NH4)2SO4可循環(huán)到

53、丁二酸結(jié)晶罐，氨可加到結(jié)晶罐中將鈉鹽轉(zhuǎn)化成銨鹽。結(jié)晶器中出來的濾液包含甲醇和殘留的丁二酸，在甲醇分離器中蒸餾后，殘留的丁二酸和一些硫酸鹽水溶液與發(fā)酵罐出來的稀丁二酸二銨溶液混合一起進入多效蒸發(fā)器濃縮。這樣就完成了一個閉合的清潔生產(chǎn)流程，整個工藝流程中，結(jié)晶的丁二酸是唯一的產(chǎn)物（圖4.2）。目前銨鹽法提取工藝流程只是實驗階段，是利用模擬體系的丁二酸通過銨鹽法提取收率達到94.9%，硫酸的回收率為96.7，甲醇的回收率為94.9。銨鹽法路線長，結(jié)晶過程條件比較苛刻，還需要高溫裂解硫酸鹽，步驟繁瑣，難度大，操作費用高，增加了運行成本，不利于發(fā)酵制備丁二酸的規(guī)?；a(chǎn)。圖4.2 銨鹽法提取流程簡圖4.

54、1.3 酯化法在生物發(fā)酵法產(chǎn)丁二酸的發(fā)酵液中，丁二酸以鹽的形式存在(微溶于醇溶劑)，加酸使丁二酸鹽酸化為丁二酸與水合鹽(不溶于醇溶劑)，加入醇溶劑后鹽析形成沉淀，同時丁二酸與醇溶劑發(fā)生酯化反應(yīng)，溶于醇溶劑中。此酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，將醇溶劑蒸餾除去，余下的晶體即為生物基丁二酸。反應(yīng)式如下：反應(yīng)式 (1)、(2)均為可逆反應(yīng)，當(dāng)醇過量時，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行；當(dāng)醇不足時，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行，由此達到分離純化生物基丁二酸的目的。4.2 溶劑萃取法溶劑萃取技術(shù)用于分離提取發(fā)酵制得的生物制品已經(jīng)有幾十年的歷史，并且在過去20年中對以發(fā)酵為基礎(chǔ)的產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)的改進起了一定作用。溶劑萃取技術(shù)的原理主要是

55、利用發(fā)酵液中丁二酸和其他雜質(zhì)組分在萃取劑中的溶解度不同，把丁二酸萃取到溶劑相中。再經(jīng)過減壓濃縮，結(jié)晶，干燥最后得到產(chǎn)品。目前常用的萃取劑大多是叔胺類，主要有三丙胺(TPA)、三丁胺(TBA)、三戊胺(TPcA)和三辛胺(TOA)。Won Hi Hongt等人報道了通過液液萃取的方法，以TOA為萃取劑，可以選擇性的將乙酸從發(fā)酵液中除去，控制PH5.0時，可以將丁二酸/乙酸的比例由原來的4.9變?yōu)?.4。2006年，Yun Suk Huh利用Mannheimia succiniciproducens葡萄糖為碳源發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸，通過溶劑萃取法，收率可以達到73.1，純度達到99.8，其工藝流程（圖4

56、.3）。使用這種方法的缺點是在提取過程中需使用大量有機溶劑。同時，在食品級和醫(yī)藥級產(chǎn)品的生產(chǎn)中將對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有不良影響。文獻中還沒有關(guān)于采用三辛胺進行大規(guī)模生產(chǎn)的成本問題以及三辛胺是否能夠回收利用的報道。圖4.3 萃取法提取流程簡圖4.3 離子交換吸附法在上世紀七、八十年代，離子交換吸附法開始應(yīng)用于發(fā)酵液中有機酸的分離提取。它是利用特定的有機高分子樹脂的高選擇離子交換性，通過尋找、使用合適的樹脂，直接從處理后的發(fā)酵濾液中提取有機酸或其鹽類。國內(nèi)一般的流程是將發(fā)酵液經(jīng)過濾后用離子交換柱交換吸附，氨水洗脫后過陽離子交換柱轉(zhuǎn)型，再經(jīng)活性炭脫色、除雜后濃縮，結(jié)晶，最后得到有機酸產(chǎn)品。目前，對于離子

57、交換吸附法提取丁二酸的報道較少，只有Brian H.Davison等人研究了在模擬體系中丁二酸的提取，他們篩選出兩種弱堿性陰離子樹脂XUS40285和XFS40422，表現(xiàn)出對丁二酸有較好的吸附容量，同時可以將丁二酸和發(fā)酵副產(chǎn)物完全分開，利用鹽酸來洗脫，可以使丁二酸的濃度由初始濃度10g/L提高到40110g/L，該樹脂再生后，操作10個周期，并且間歇操作的收率達到95以上。離子交換吸附法工藝簡單，與鈣鹽法相比，由于減少了丁二酸的相變過程，能耗大大降低；生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生大量的石膏廢渣，大大降低了工人的勞動強度，也改善了周圍環(huán)境；重要的是提高了丁二酸的收率。當(dāng)然，該工藝也存在一些缺點，例如，離子

58、交換樹脂在使用中需要頻繁再生，會產(chǎn)生大量廢水；再之，離子交換樹脂具有一定的壽命，也需要經(jīng)常更換，會產(chǎn)生大量的固體廢棄物。因此，尋求或研制高效、壽命長、易回收利用的離子交換樹脂，廢液的循環(huán)利用或零排放，就成為該工藝得以工業(yè)化推廣的關(guān)鍵。4.4 固體膜分離法用于發(fā)酵有機酸分離提取的固體膜分離法主要有兩種超濾法和電滲析法。4.4.1 超濾法超濾是一種以壓力差為推動力，按粒徑選擇分離溶液中所含的微粒和大分子的膜分離操作，只是簡單的物理分離過程。該工藝簡單，易于控制，且不會產(chǎn)生污染。它的關(guān)鍵是選擇合適孔徑的耐酸超濾膜，由于其易堵塞，所以超濾法一般只作為一種預(yù)處理手段，截留發(fā)酵液中的大分子有機物，如殘?zhí)?、蛋白質(zhì)、未發(fā)酵的原料顆粒等，以減輕后續(xù)提取工序的污染。南京工業(yè)大學(xué)發(fā)明了涉及一種丁二酸的分離提取方法，特別是利用膜分離，活性炭脫色及結(jié)晶技術(shù)從厭氧發(fā)酵法制備的發(fā)酵液中分離提取丁二酸的方法。該方法主要包括：將厭氧發(fā)酵的丁二酸發(fā)酵液采用孔徑為0.10.