制备丁二酸相关方法...docx

生物质发酵生产丁二酸项目调研一、项目可行性报告(一)立项的背景和意义丁二酸(Succinic Acid)又称琥珀酸，是一种重要的C4平台化合物”，广泛存在于动植 物和微生物体内，是TCA循环的中间产物之一，它作为有机合成原材料、中间产物或专用 化学品可应用于食品、医药、农药、染料、香料、油漆、塑料和材料工业等众多领域。其中 医药领域，主要用于生产琥乙红霉素等药品；农业领域，主要用于生产植物生长调节剂、杀 菌剂等；食品领域，主要用于液体调味品及炼制品的风味改良剂等；染料领域，主要用于生 产高级有机颜料欧菁红等，2010年丁二酸在这四个领域总价值超过24亿美元。除此之外， 丁二酸的主要潜在应用领域是基础化工原料，它可以作为许多重要的中间产物和专业化学制 品，还可以取代很多基于苯和石化中间产物的化学品，这可减少在超过300种苯基化学制品 的生产和消费过程中所产生的污染，丁二酸的结构是饱和的二羧酸，可以转化为包括l ,4-丁 二醇(BDO)、四氢呋喃(THF)、Y-丁内酯(GBL)、己二酸和N-甲基毗咯烷酮等一系列重要的 工业化学品。据统计丁二酸全世界市场需求量可高达2700万t/a，美国能源部发布的报 告中将丁二酸列为12种最有潜力的大宗生物基化学品的第一位。图1.1是以丁二酸及其衍 生物为原料的化学制品路线图。图1.1 丁二酸及其衍生物路线简图采用生物法制备丁二酸的技术将填补了国内生物法路线生产丁二酸的空缺。丁二酸通过 加氢还原反应可以制取1,4 丁二醇，丁二酸分别与1,4-丁二醇和己二醇进行聚合即可得到生 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）。假如过程中使用的 氢气和热量也是使用生物质分解和发酵产生的话，那整个聚酯多元醇领域的原料和能量就应 该可以算是与传统能源完全分离了，该项目将成为生物质循环利用的示范性工程。另外，由于石油危机及环境污染的双重压力，生物质发酵法生产丁二酸以其具有节约大 量的石油资源并且可以降低由石化方法产生的污染等优点而备受国内外专家学者的重点关 注。因此，本技术属于国家鼓励和支持的废弃资源综合利用和节能减排项目，是循环经济和 低碳经济发展模式项目，并在2011年获得总统绿色化学挑战奖，也是国家“863计划和重点 鼓励发展类项目，符合国家及部分省市相关产业政策导向。与传统化学方法相比，微生物发酵法生产丁二酸具有诸多优势：生产成本具有竞争力， 因此对于聚氨酯行业的发展具有强有力的支撑作用，有助于我国聚氨酯产业发展；利用可再 生的农业资源包括二氧化碳作为原料，避免了对石化原料的依赖，实现了使用可再生资源替 代不可再生资源进行中间体的制作；减少了化学合成工艺对环境的污染。专家分析认为，未来几年我国聚酯二元醇的年需求量将达到300万吨以上，在面对不可 再生能源的紧缺条件下，石化法生产丁二酸的产量将会受到限制，加上PBS产业化技术的 完善和国内外对生物可降解塑料需求的不断拓展以及丁二酸新应用领域的不断开发，因而这 将给生物质发酵制取丁二酸的应用留下了非常大的发展空间和十分广阔的市场前景。（二）国内外丁二酸研究现状和发展趋势（1）国内外丁二酸市场概述丁二酸是用于化工、制药、食品和农业等领域的一种重要基础原料和中间体。一方面由 于石油价格剧烈波动，石化法生产丁二酸的成本一直居高不下，另外发酵法能够使温室气体 排放量减少50%，因而发酵法代替石化法生产丁二酸的工艺正在逐渐兴起。另一方面目前 绿色化学品的市场需求也在不断增长，自然也会牵动对生物基丁二酸的需求。2011年全球丁二酸的产能约4万吨，其中97%的丁二酸来源于石油基原料，而生物基 丁二酸仅占3%，从应用领域来看，丁二酸主要用于树脂、涂料和油漆等领域约占19.3%， 其他重要领域包括医药（15.1%）、食品（12.6%）、PBS /PBST（9%）和聚酯多元醇（6.2%）。 从丁二酸市场分布来看，2011年，欧洲占市场总量的33.6%，亚太地区占29.6%，北美占 29.2%。亚太地区预计将是未来增长最快的市场，如中国、印度和日本，其中，中国处于主导地位（图2.1）图2.1 2011年全球丁二酸市场分布据Transparency预测，全球丁二酸市场将从2011年的2.403亿美元增长到2018年的8.326 亿美元，20122018年的年均增长率达19.4%，2018年产量将超过25万吨，1,4-丁二醇、增塑 剂、聚氨酯和树脂需求的增加以及涂料、染料和墨水一直是该产品市场的主要驱动因素，然 而昂贵的原材料和日益严重的环境问题成为了制约该市场增长的主要因素。1.1国内丁二酸市场丁二酸在中国的生产始于上世纪60年代末期，生产发展较快，到2013年丁二酸的产量 占世界总产量的40%，目前国内丁二酸的总产能约12.5万吨/年，年产量在6万吨左右。随 着以丁二酸为原料的PBS等新型生物可降解塑料的逐步产业化，丁二酸的发展将迎来新契 机。据专家预测，2020年国内可降解生物塑料市场需求量为300万吨，以生产1吨PBS需0.6 吨丁二酸计算，未来国内丁二酸的年需求量将达到180万吨左右，保守估计到2020年，我国 生物法丁二酸产能将达到10万吨/年，加上下游市场的不断开发，需求量也将保持10%以上 的年增长率，市场缺口巨大。与此同时，国内已有多家企业正在积极筹备上马PBS项目，而安庆和兴公司则领先一 步，率先与清华大学达成合作意向，在目前3000吨/年规模的基础上，计划在3年内建设一 条10万吨/年PBS生产线，同时上马的还有与之配套的6万吨/年丁二酸项目。但一直以不可 再生的战略资源石油产品作为原料的传统丁二酸生产方法导致了高价格和高污染，抑制了丁 二酸作为一种优秀的化学平台产品的发展潜力，而采用微生物发酵法生产正好可以弥补。 1.2国外丁二酸市场国外丁二酸市场看好，原因是丁二酸的结构是饱和二羧酸，可以转化为 1,4-丁二醇、四 氢呋喃、Y- 丁内酯等其它四碳的化学制品，它的下游衍生物是很多行业的重要原料，在世 界范围内这些衍生物的市场潜力每年超过3X106吨。为了使生物法生产丁二酸能够有效降 低成本，美国能源部的4个实验室投资700万美元，共同研究发酵法生产丁二酸。通过生物 发酵法筛选一株优良的菌种，选择利用廉价的原料，经过合理的过程优化，生产出更具优势 的丁二酸产品，具有巨大的发展潜力，另外发酵法生产丁二酸也为农业碳水化合物产品打开 一个重要的市场。由此可见，发酵法制备丁二酸的研究将成为21世纪化学工业的一个重要 方向，它将使丁二酸及其衍生物市场范围更加宽广。丁二酸的主要应用领域大致可分为5大市场：最大的市场为表面活性剂、清洁剂、添加 剂和起泡剂：第二个市场为离子鳌合剂，如电镀行业中的溶蚀和点蚀等；第三个市场是在食 品行业中作为酸化剂、PH改良剂和抗菌剂；第四个市场是与健康有关的产品，包括医药、 抗生素、氨基酸和维生素的生产：第五个市场也是最具发展前景的市场，即作为生物可降解 塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的主要原料。不同市场对于丁二酸的纯度要求也是不同的，这 对于生物法制备丁二酸是十分有利的，因为化学法生产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、医药等行业的应用，而生物发酵法生产的丁二酸完全满足美国FDA 的要求，并且已经给出了安全的许可。（2）国内外生物基丁二酸生产企业概述2.1国外主要企业经过多年的研发，生物基丁二酸在技术上获得突破，早期存在的生产成本较高、性能不 高导致应用范围有限等不足已有明显改善，再加上其所具有的环保优势，这类产品的市场竞 争力越来越强。目前，帝斯曼、巴斯夫、Myriant （麦里安科技公司）和BioAmber （生物琥 珀公司）均已兴建多个世界级规模的生物基丁二酸生产厂（表2.1）。2.1.1生物琥珀公司生物琥珀公司是一家从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 商业化规模生物基丁二酸装置，采用由小麦衍生的葡萄糖为原料，初期生产能力为2000吨/ 年。近年来，生物琥珀公司与日本三井公司（Mitsui）合作较为紧密。2013年生物琥珀公司 与日本三井公司合作在加拿大安大略省萨尼亚市启动一套大型生物基丁二酸生产装置，初始 产能为1.7万吨/年，并可继续扩能到3.4万吨/年。2014年生物琥珀公司和日本三井公司还 计划再共同建立两套装置，预计总产能将达到16.5万吨/年。第二个工厂先在泰国建立，再 在北美或是巴西建立第三个工厂，两套装置规模相当。通过合作，生物琥珀公司和日本三井 公司将充分发挥各自的优势。首先，生物琥珀公司已经研发出一个拥有专利的技术平台，将 工业生物技术和专利催化剂结合把可再生原料转化成化学品，从而能降低对石油的依赖，减 少成本，其次，生物琥珀公司在法国的工厂能生产并销售丁二酸，已被证明有价格优势。而 日本三井公司作为世界上最大的综合贸易公司之一，在国际化学品市场拥有很高的份额，有 利于生物琥珀公司生产的生物基丁二酸进行全球市场销售。表2.1国外主要企业的生物基丁二酸的产能比较公司年产量/吨工厂地址运行时间巴斯夫/Purac合资公司50000-巴斯夫/Purac合资公司25000巴塞罗那2013 年BloAmber-ARD3000POMACLE (法国)2012 年BloAmber/Mitsul 合资公司65000TBA （美国或巴西）-BloAmber/Mitsul 合资公司17000 （前期）34000 （后期）萨尼亚市（加拿大）2013 年Myriant77110普罗维登斯湖（美国路易斯安那州）2014 年Myriant-中国蓝星110000南京（中国）-Myrlant-Uhde( owner and operator)500 （第一年）Infraleuna site (德 国)2012 年Reverdia( DSM-Roquette)10000萨诺斯皮诺拉（意大利）2012 年注：来源ISIC公司报告2.1.2麦里安科技公司美国麦里安科技公司2011年初在路易斯安那州开工建设全球最大的生物基丁二酸工厂， 并于2013年第一季度启动其在路易斯安那州普罗维登斯湖产能为1.36万吨/年的生产装置， 计划在2014年初将产能扩大到7.7万吨/年。2012年，麦里安科技公司与德国洛伊纳（Leuna） 的蒂森克虏伯伍德公司（ThyssenKrupp Uhde）合作开始商业化生产生物基丁二酸，生产工 艺可达商业化生产规模和产品质量的标准。早在2009年，麦里安科技公司和蒂森克虏伯伍德 公司就商业化开发生物基丁二酸签订了独家联盟协议，旨在确保生物基丁二酸生产工艺具有 成本竞争优势和生产高纯度产品；目前，麦里安科技公司正在研究与中国蓝星（集团）总公 司在南京建设生物基丁二酸项目，此外还与泰国PTT国际化学公司合作，在东南亚建设丁二 酸项目。在销售方面，2011年美国麦里安科技公司和日本双日株式会社就缔结销售和市场合 作关系，在日本、韩国、中国大陆和中国台湾经销生物基丁二酸，目的是凭借双日株式会社 的市场覆盖，极大地提升麦里安科技公司生产的生物基丁二酸在这些地区的长期价值。2.1.3 Reverdia (DSM-Roquette)由荷兰皇家帝斯曼集团(Royal DSM)和法国罗盖特公司(Roquette Freres)合资建成 的Reverdia公司，早在2010年初，就在法国Lestrem建成示范工厂，将这种生产技术投入实际 运用，并不断进行改进和优化，为产品大规模推向市场作好准备。Reverdia公司于2012年10 月开始投产于意大利卡萨诺斯皮诺拉(Cassano Spinola)的第一个商业化的生物基丁二酸项 目，初始设计产能为1万吨/年，这也为全球丁二酸项目的大规模启动打下坚实基础°Reverdia 公司还是目前唯一一家利用低PH值酵母技术进行大规模商业化生产的公司，该技术的获取 源于其公司的示范工厂，被Reverdia公司视作未来进一步提升产品性能的关键要素。通过其 掌握的专利生产技术，Reverdia公司有望能够满足全球市场对于丁二酸日益增长的需求，从 而确立其在生物基丁二酸生产领域的领导地位。帝斯曼与罗盖特强强联手，结合各自在材料 科学与生物技术及植物原料加工方面的优势，构成Reverdia公司发展的强劲推动力。2.1.4 Succinity GmbH(BASF-Purac)巴斯夫及CSM旗下普拉克(Purac)成立了合资公司Succinity GmbH，总部位于德国杜 塞尔多夫。2013年在西班牙巴塞罗那建立的发酵能力为2.5万吨/年的生物基丁二酸装置正式 投产。巴斯夫和CSM在2009年已签署共同发展协议并开始对丁二酸进行调研。双方在发酵 和下游处理方面的互补优势形成了可持续的高效生产过程。生产中使用的细菌为产丁二酸厌 氧螺菌，通过自然过程生产丁二酸。这个过程可以生成很多可再生的原材料，结合了高效和 可再生原材料使用的优点，同时还具有较好的固碳效果。另外巴斯夫和CSM还改建了普拉 克巴塞罗那附近的一家工厂，用来生产丁二酸，年产能约1万吨，该工厂在2013年底正式投 产，并计划筹建第二个世界级规模的丁二酸工厂，产能齿万吨/年，以满足日益增长的丁二 酸使用需求。2.2国内主要企业国内以微生物发酵为基础的丁二酸绿色生产工艺才刚刚起步，同时由于PBT、PBS树脂、 医药及聚氨酯等行业近年来在国内发展较迅速，因而我国每年都要进口大量丁二酸及其下游 产品来满足生产需求。我国现有丁二酸生产企业十余家，且大部分均以石化为原料(表2.2)。 但我国对生物发酵法制备丁二酸的研究从未间断过，2013年1月28日，扬子石化公司1000吨/ 年生物发酵法制丁二酸中试装置建成中交，该装置依托扬子石化现有装置及公用工程配套设 施，采用中国石化与高校科研单位共同开发的生物发酵法合成丁二酸技术，装置设计生产能 力为1000吨/年，年工作日300天，年生产时数7200小时。生物法制取丁二酸项目主要利用可 再生生物质资源作为原料，采用丰富的农林生物质资源，确保了生物基丁二酸不受石油价格波动的影响。同时减少石油和煤等不可再生资源的消耗，达到节能减排的效果，为我国循环 经济的发展和绿色GDP增长做出突出贡献。表2.2国内丁二酸生产单位及生产方法生产单位生产方法产能/吨湖北远成化学合成法15001800安徽三信电化学法3000上海申人电化学法600宝鸡宝玉化学合成法1000陕西渭南惠丰化学合成法300临沂市利兴化学合成法10000湖南长岭化学合成法3000武汉金诺化学合成法500吉林市琥珀酸项目发酵法前期3万后期10万扬子石化发酵法1000山东振兴电化学法1000江苏仙桥电化学法1000湖南云溪化学合成法50000山东飞扬电化学法10000（3）国内外丁二酸生产技术现状基于丁二酸在工业中的广泛使用，对应丁二酸的需求量在逐年递增，世界各国对其生产 方法研究在不断深入。丁二酸的工业制法较多，目前主要有化学合成法，电化学法和新兴的 生物质发酵法，其中发酵法生产丁二酸主要是利用可再生能源和二氧化碳作为原料，开辟了 温室气体二氧化碳利用的新途径，且成本低廉，环境友好，因此生物法生产丁二酸代表着未 来发展的方向。3.1化学合成法丁二酸的化学合成法主要有石蜡氧化法、乙炔法、催化加氢法、丙烯酸羰基合成法等。石蜡氧化法：传统的生产方法，石蜡在钙、锰催化下深度氧化得到混合二元酸氧化石蜡， 后者通过热水蒸汽蒸馏，去除不稳定羟基油溶性酸和酯后，水相中含有丁二酸，干燥后得到 丁二酸的结晶（图3.1）。该工艺比较成熟，但收率和纯度都不高，且有污染。催化加氢法：以顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酎为原料，采用载有活性炭的镍或贵金属为催 化剂，在大约130140°C, 230x105 Pa条件下催化加氢得到。顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酎的 催化加氢体系可分为多相和均相，其中多相催化体系又可分为气相催化加氢体系和液相催化 加氢体系。催化加氢法是目前世界上使用最广泛的丁二酸工业合成方法，其转化率高，产率 高，产品纯度良好，无明显副反应，但操作要求较高，工艺复杂，成本高，且污染严重。丙烯酸羰基合成法：丙烯酸和一氧化碳在催化剂作用下，生成丁二酸，目前仍未工业化。/低拂物Ca, Mn催化剂水蒸汽蕙蜩蒸发、结晶石蜡 氧化石蜡* 丁二酸慎分丁酸107-114V分离、提纯、残液图3.1 丁二酸石蜡氧化法制备路线简图3.2电化学法以顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酎为原料，电解还原得到丁二酸(图3.2)。电解槽主要分 为隔膜和无隔膜两种，工作电极有铅、铅合金、石墨、不锈钢、铜、钛、二氧化钛电极等。 电化学还原顺丁烯二酸合成丁二酸主要有两种方式：直接电还原和间接电还原。直接电还原 是直接在电极表面由电子进攻双键或活性氢还原生成丁二酸。间接阴极电还原主要以Ti3+ /Ti4+为媒质，间接还原顺丁烯二酸合成丁二酸。丁二酸的电化学法虽然具有设备简单，产 品纯度高，无污染等特点，但实际生产发现还有许多问题需要解决，如电耗大、离子膜易 破损、阳极消耗严重、工艺操作条件不佳等。阴极反应；COUH)11|()|j-b 2lk + 2c O阳极反应；HQ a 2H-十 1+ 2e总反应："OOH"5(+皂O + 巾6"ooh、cooh图3.2 丁二酸电化学法制备原理简图3.3发酵法生物发酵法是以淀粉、纤维素、葡萄糖、蔗糖、牛乳或其他微生物能够利用的废料为原 料，利用细菌或其他微生物发酵的方法生产丁二酸及其衍生物(图3.3)。丁二酸是一些厌氧和兼性厌氧微生物代谢途径中的共同中间物。一般情况下，丙酸盐生 产菌、典型的胃肠细菌以及瘤胃细菌均能够分泌丁二酸。据报道，一些乳酸菌(Lactobacillus) 也能在特定的培养基上不同程度地产生丁二酸。国外在20世纪90年代就开始发酵生产丁二酸 的研究，其中认为可接近工业化的发酵水平为产丁二酸浓度60 gL-1以上，糖酸转化率0.8 gg-1和生产效率1.5 g-(L-h)-1以上。目前有望成为丁二酸发酵工业生产的微生物菌株主要有： 放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)、谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)工程 菌、厌氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniproducens)、曼氏杆菌(Mannhei miasucciniciproducens) 以及重组大肠杆菌(Escherichia coli)等(表3.1)和可再生原料如：乳清、糖类、小麦、菊芋 粉及木质纤维素等。由于天然菌株产丁二酸的能力非常低，发酵产物多种多样，对糖或丁二 酸的耐受性比较差，因此必须运用生物工程技术对现有的菌种进行改良重组。菌种黑一预处理一发酵一发酵液一 提取一丁二酸图3.3 丁二酸生物法制备路线简图3.3.1乳清原料发酵生产丁二酸乳清是奶酪生产过程的副产物，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%的盐和0.1%0.8%的乳酸。乳清可以液体、干乳 清和乳清渗透物的形式作为发酵原料。密西根大学的Samuelov等最先开始研究厌氧微生物发酵乳清乳糖生产丁二酸的能力，以 A. succiniciproducens ATCC29305为模式菌，用分批、连续和补料分批的方式直接发酵乳清 生产富含丁二酸的动物饲料添加剂。在灭菌后的粗乳清中补加玉米浆、磷酸盐与镁盐作为培 养基，其中乳糖的含量在44.748.7 g/L。A. succiniciproducens在高CO2浓度的环境下培养， 发酵液中丁二酸浓度最终达34.7 g/L，其中丁二酸与乙酸的比为4:1，乳糖的消耗率在90%以 上，丁二酸对乳糖的产率大于80%，证实了由乳清原料生产丁二酸的可行性。表3.1国内发酵法制备丁二酸的主要研究进展研究机构研究进展江南大学开展菌株选育和工艺研究，获得比较优良的产丁二酸放线杆菌菌株（Actinobacillus succinogenes CGMCC1593），利用制糖工业的副产物 糖蜜为碳源，初始总糖浓度为65g/L时，产丁二酸放线杆菌厌氧发酵 48 h，T二酸浓度可达55.2g/L，生产率1.15g/（L h）山东大学底物52g/L葡萄糖发酵生产丁二酸达到26.4g/L，转化率达到50.7%合肥工业大学木质纤维素水解液为碳源时分批培养的丁二酸最后浓度及得率分别为 11.73g/L和56%，生产率为1.17g/ （L.h）；连续培养的丁二酸得率为 55%，生产能力为3.19g/ （L-h）南京工业大学米用稀酸水解玉米籽皮制备混合糖液，脱毒脱色后，产丁二酸放线杆 菌NJ113培养基总糖浓度为50g/L时，丁二酸分批发酵的质量收率可 达0.68g/g，浓度可达34.2g/L，生产强度达0.83g/ （L-h），总糖浓度为 68.2g/L时，丁二酸质量收率仍可达0.62g/g，浓度为42.3g/L，生产强 度为0.98g/ （L-h）烟台大学进行好氧发酵研究，对丁二酸产生菌S-1进行紫外线和亚硝基胍的复 合诱变后，筛选出丁二酸产量高、遗传性状稳定的菌株S-57，并对其 进行激光诱变，筛选出菌株SH-24，T二酸产量达到21.25g/L。经鉴 定该菌为总状枝毛霉Mucor racemosus Fresenius） SH-24韩国 1。等报道了 A. succiniciproducens ATCC29305和M. succiniciproducens MBEL55E分批、连续发酵乳清生产丁二酸的情况。在基础盐与乳清组成的培养基上，A. succiniciproducens ATCC29305菌体不生长，但在补加酵母膏和聚蛋白胨的乳清培养基中，菌体生长与产酸。当葡萄糖和乳清作为混合底物时（20 g/L乳清和7g/L葡萄糖），丁二酸产率和生产强度分别 为95%和0.46 g /（L.h），丁二酸浓度达15.5 g/L，比单以乳清为底物时的生产强度高出近一 倍。在最佳的稀释速率下连续发酵，丁二酸的生产强度达到1.35 g/（L.h），并且发酵液中， 丁二酸与乙酸比值提高到5.1:15.8:1。用玉米浆代替乳清培养基中的酵母膏，M. succiniciproducens MBEL55E分批发酵乳清原料产丁二酸13.0 g/L，丁二酸产率和生产强度为 71%和1.18 g/（L.h）。以稀释速率为0.6h-1连续厌氧发酵时，丁二酸产率63%69%，生产强 度达到3.9 g/（L.h），比分批培养提高了3.3倍。结果表明了用廉价的乳清和玉米浆为原料可 以有效的生产丁二酸。最近Wan等研究用Actinobacillu ssuccinogenes 130z发酵奶酪乳清也能 生产丁二酸。50 g/L奶酪乳清的培养基，丁二酸的产率57 %，生产强度0.44 g/（L- h），乙酸 和甲酸为主要副产物。3.3.2糖类原料发酵生产丁二酸含有由葡萄糖和果糖组成的二糖植物通常称为糖料植物，甜菜和甘蔗是蔗糖和糖蜜的主 要来源，甜高粱也可作为蔗糖的来源。糖蜜是制糖工业的副产品，糖蜜一般含有大约40%50% （质量分数）总糖（主要成分 是蔗糖、葡萄糖和果糖），是发酵工业中较廉价的碳源原料。糖蜜除了比葡萄糖价格低廉外， 还含有多种微生物生长所需要的营养素如维生素，氨基酸和矿物质等，是一种理想的发酵生 产丁二酸的原料。印度Agarwal等报道从牛瘤胃中分离获得的产琥珀酸日Coli，在优化后的 含甘蔗糖蜜和玉米浆的培养基中，其丁二酸的产量比用葡萄糖和蛋白胨培养基的产酸提高了 9倍。在10L发酵罐中，初始甘蔗糖蜜总糖浓度50 g/L，36 h生成17 g/Lj二酸，丁二酸的产 率和生产强度分别为34%和0.5 g/（Lh）。刘宇鹏等研究用人.succinogenesCGMCC1593发酵甘 蔗糖蜜生产丁二酸，工业废糖蜜经酸预处理后作为培养基的碳源，培养液中总糖浓度为4.4 g /L，其中含44.9 g几蔗糖，9.8 g几葡萄糖，7.2 g /L果糖，分批发酵48 h产丁二酸46.4 g/L， 丁二酸产率79.5%。在5 L发酵罐中进行补料分批发酵，丁二酸浓度可达到55.2 g/L。董晋军 等研究了用甘蔗糖蜜原料半连续发酵生产丁二酸工艺，采用两级双流式半连续发酵操作，39 个批次（一级罐连续时间269 h），二级发酵罐平均产酸43.5 g/L，平均生产强度达到2.07 g /（L-h），较相同有效装液量的分批发酵或补料分批发酵单位时间产发酵液体积提高23倍。甜 高粱是一种新型绿色可再生高能作物，平均含糖量7%15%，其茎秆中富含50%70%糖汁， 茎汁中的糖分以蔗糖为主（最高占79%），其次是葡萄糖和果糖，茎汁中还含伽、Mg、Ca 元素。因此也可以作为发酵的碳源。表3.2 5 L发酵罐中甜高粱榨汁糖浆补料分批发酵生产丁二酸情况发酵时间/h丁二酸/（g/L）甲酸/(g/L)乙酸/(g/L)残糖/(g/L)00.000.770.2139.5586.052.632.6225.631623.053.794.6320.112430.383.504.4223.253239.691.014.4622.984054.0904.2312.564458.8504.898.214859.8004.867.50江南大学郑璞课题组采用收割后的甜高粱秆榨汁，榨汁液进行发酵产丁二酸试验，得到 较好的结果（表3.2）。榨汁液发酵培养基中以玉米浆为氮源，初始还原糖浓度60.5 g/L，在5 L发酵罐中，A. succinogenes CGMCC 1593分批发酵48h，产丁二酸47.2 g/L。补料分批发酵 时，通过补加甜高粱榨汁糖浓缩液，控制发酵液中的糖浓度在2030 &兀。发酵48 h，总投入 甜高粱榨汁糖浆糖浓度为80.4 g/L (按最终体积计)，发酵剩余还原糖浓度为7.5 g/产丁二 酸浓度59.8 g/L，较分批发酵提高了21%，生产强度1.25 g/(Lh)。试验结果表明有良好应用 前景。3.3.3小麦水解发酵生产丁二酸谷类植物是淀粉的主要来源，杜晨宇等进行了以小麦为原料发酵丁二酸的研究。整个过 程分两个阶段，第一阶段运用真菌将小麦淀粉转化为发酵原料，第二阶段用 succinogenea ATCC55618发酵产丁二酸。一种方法是将泡盛曲霉Aspergillus awamori 2B.163在含8%小麦粉的培养基中液体发酵 96 h，发酵滤液(含30 g/L的葡萄糖和100 mg/L的氨基氮)用于人.succinogenea发酵，产丁二 酸5 g/L，副产物乳酸2.9 g/L，T二酸对小麦粉产率为0.063 g/g。另一种方法，用富含葡萄糖 淀粉酶的Asp. awamori发酵滤液，水解面粉产生葡萄糖富集液，将Asp.awamori发酵滤渣中 的菌丝体自溶，制成氨基氮富集液，两者混合成含葡萄糖45 g/L，氨基氮500 mg/L的培养基， 经A. succinogenea发酵可产生16 g/LT二酸，副产物8 g/L乙酸和6 g/L甲酸，丁二酸对小麦粉 的产率为0.19g/g。另外在第一阶段中，改用双菌固体发酵产酶，将泡盛曲霉Asp. awamori和 米曲霉Asp. oryzae分别在小麦麸皮培养基中固体发酵产淀粉酶和蛋白酶，然后分别用提取的 酶液水解小麦粉和面筋蛋白，制备含葡萄糖浓度140 g/L以上的糖富集液，与含3.5 g/L以上游 离氨基氮的富集液。两种富集液混合作为A. succinogenea ATCC55618发酵的原料，发酵过程 添加MgCO3，T二酸浓度达到64 g/L。说明小麦可作为发酵丁二酸的一种有效原料。3.3.4菊芋粉发酵生产丁二酸菊芋是多年生块茎植物，菊芋块根成分中除水分外，含有大量菊糖，可达干重的 70%80%，菊糖是以b-1, 2键连接的末端有一个蔗糖基的多聚果糖，使聚合度为3234的多 糖。菊糖水解后得到果糖和葡萄糖，不需提纯可直接用于发酵。因此，也是发酵工业上一种 较廉价的碳源。江南大学郑璞课题组研究了菊芋为原料A.succinogenesCGMCC1593发酵生产丁二酸。黑 曲霉Asp. niger SL-09发酵产菊粉酶，酶活达到46 U/mL发酵液。该发酵液在50°C条件下按10% 加量与菊芋粉作用，水解得到菊芋糖浆。A. succinogenes CGMCC 1593在含还原糖浓度为53.5 g/L的菊芋糖浆发酵培养基中发酵36 h，产丁二酸43.5 g/L，生产强度1.22 g/ (L.h)。另一方 面初步研究了菊芋同步糖化发酵工艺。菊芋粉为培养基碳源，玉米浆为氮源，按每克底物加入40U菊粉酶的比例加AAsp. niger SL-09培养液，60°C保温10 min后，降温到37接入A. succinogenes SF-9进行同步糖化发酵，发酵72 4产丁二酸59 g/L，在此基础上采用补料发酵，发酵过程总投入约菊芋粉192 g/L （总计还原糖134 g/L），发酵96 h，丁二酸浓度98 g/L， 表明同步糖化发酵菊芋原料生产丁二酸有较好的应用价值。3.3.5木质纤维素原料生产丁二酸木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，用于工业发酵原料的木质纤维素主要有农业 废弃物如秸秆、木材和木质生物质等。木质纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤 维素是由b-1，4-糖苷键连接而成的多糖，半纤维素是由带支链的多聚糖（主要是已聚糖和 戊聚糖）组成的杂多糖，而木质素是一种酚醛聚合物。三者组成的木质纤维素具有很强的抗 水解和酶解特性，因此木质纤维素作为发酵原料必须经过预处理才能使用。美国芝加哥大学的Donnelly2004年申请了E.coli基因工程菌（ptsG、pflB、ldhA突变株 AFP184, AFP400，AFP404）发酵工业级水解液（Arkenol怎hydrolysate，玉米水解糖浆和纤 维素水解糖浆）生产丁二酸的专利。采用两段式发酵，前期耗氧（6h），后期流加含有木糖 的工业级水解糖浆并通CO2厌氧发酵，192 h积累丁二酸63 g/L，T二酸对底物的产率在 0.6:11.3:1。有报道该技术已于2002年在Applied CarboChemials Inc. （ACC）公司进行了中 试规模试验。韩国Lee PC等报道了木材水解液发酵产丁二酸。采用2mmx4 mm大小的橡木块，于 215 C汽爆预处理，再用纤维素酶，按每克底物20IU的用量，在50 C下水解3d，得到含葡 萄糖和木糖分别为20 g/L和7 g/L的木材水解液。A.succiniciproducens在木材水解液发酵培养 基中（含还原糖糖27 g/L，玉米浆10 g/L）分批发酵，积累丁二酸23.8 g/L，对糖产率和生产 强度分别为88%和0.74 g/（L- h）。Kim DY等研究了M.succiniciproducens MBEL55E发酵木材水 解液生产丁二酸，在橡木材水解液发酵培养基灭菌前，用NaOH预处理以减少灭菌过程所产 生的抑制物质，NaOH处理后的木材水解液含葡萄糖16 g/L，木糖7 g/L，M.succiniciproducens MBEL55E发酵12 h，积累丁二酸11.7 g/L，丁二酸产率56%，生产强度从未预处理时的0.60 g/（L.h）提高到1.17 g/（Lh），在稀释速率0.4 h-1的条件下连续发酵，丁二酸的产率55%，生产 强度提高到3.19 g/（L.h）。瑞典Hodge等研究了软木材稀酸水解液脱毒及脱毒水解液用于基因 工程菌E. coli AFP184生产丁二酸的发酵。稀酸水解木质纤维素的过程中，会产生对微生物 生长与发酵有害的酚醛类等物质。采用云杉木碎片，先在PH值2、170 C的条件下稀硫酸水 解7 min，以水解其中的半纤维素，余下固体部分再在pH值2、200 C的条件下稀硫酸水解10 min，合并两步酸水解液，浓缩后用5%活性炭吸附脱毒。E. coli AFP184在脱毒水解液发酵培 养基中，菌体生长与产酸加快；而在未经脱毒处理的水解液发酵培养基中，菌体不能生长与 产酸。将脱毒处理的水解液用于E. coli的丁二酸发酵，先好氧培养11 h，再厌氧发酵42 h， 可积累丁二酸42.2 g/丁二酸产率72%。国内姜岷等报道了用玉米皮水解液为原料发酵产丁二酸。粒径为2040目的玉米皮在料 液比18%，110 °C，1%硫酸条件下水解90 min，总糖浓度达85 g/L，总糖收率90%。酸水解液 用活性炭脱色，脱色率达92%，脱色的总糖损失率低于5%，糠醛含量仅为0.236 g/L。脱色 后的糖液用于A. succinogenes NJ113发酵产丁二酸，初始糖浓度为50 g/L时，丁二酸浓度达 35.8 g/L，T二酸产率为71.6%，验证了玉米皮水解液可替代葡萄糖作为丁二酸发酵的碳源。 陈可泉等用酸水解玉米纤维，采用CaCO3中和与活性炭脱色处理酸水解液，有效去除了水解 液中抑制发酵的物质，得到的水解糖液用于人.succinogenes NJ113发酵产丁二酸，在7.5L发 酵罐上，产丁二酸浓度达35.4 &兀，丁二酸产率72.5%。李兴江等报道了水解玉米秸秆发酵生产丁二酸。采用碱解和酶解法处理，40目的玉米秸 秆按1:5的比例在PH值12的碱性水溶液中，95 C搅拌60 min，然后用50 Hz超声处理30 min， 硫酸中和PH值至中性，分离硫酸钙沉淀。清液中加入纤维素酶和半纤维素酶，60 C搅拌酶 解180 min。200 g秸秆粉水解得到52 g葡萄糖和24 g木糖。通过优化培养基中镁、锰、亚铁、 锌离子和维生素的含量以及CO2与巳的比例、氟乙酸的浓度，A. succinogenes FH-7发酵产丁 二酸浓度达到73 g/L。采用酸解和酶解法，玉米秸秆先经180 C汽爆10 min，再用0.4%硫酸 高压水解，水解后固体部分用纤维素酶和半纤维素酶在50 C下酶解72 h，合并两部分水解 液, 2000 g干秸秆共得到154 g木糖和293 g葡萄糖。用A. succinogenes S.JST的pta-adh突变株 M.JSTA，在10 L发酵罐中发酵，总糖浓度为64 g/L，发酵液积累丁二酸56 g/L。此外，有报道日本地球环境产业技术研究机构成功地使用转基因棒状杆菌，从废纸中制 取出琥珀酸，最终可从每升培养液中提取约30 g的琥珀酸，认为可将琥珀酸制造成本降低 90%。目前发酵生产的丁二酸的价格在0.551.1美元/kg。基于这一生产成本，上述的丁二 酸衍生物比目前石化原料生产的有竞争力或接近有竞争力。发酵法生产的丁二酸通过多年的 实验，以及不同国家公司中试的实践，在技术、环保、安全、经济等指标的考核均已经成为 一个共识，这个工艺线路有潜力成为大量生产化学制品，也可作为大部分重要的中间产物和 专业化学制品得基础。上述文献报道的研究结果反映了利用这些廉价的