生物技術(shù)在化學(xué)品生產(chǎn)中的應(yīng)用

V:1.0精細(xì)整理，僅供參考日期：20xx年X月第十五節(jié)生物技術(shù)在化學(xué)品生產(chǎn)中的應(yīng)用作者：譚天偉

文章來源：石化技術(shù)與應(yīng)用

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更新時間：2011-07-08

生物化工是利用生物體(酶、微生物、細(xì)胞及細(xì)胞組織)結(jié)合化學(xué)和工程系原理進(jìn)行化學(xué)品的加工或提供相應(yīng)的社會服務(wù)(如環(huán)境治理)。生物化工有時又稱為生物加工過程，生物化工生產(chǎn)的產(chǎn)品有以下幾類：精細(xì)化學(xué)品，如維生素、色素等；生物材料，如生物可降解材料聚乳酸、殼聚糖及手性化合物等；醫(yī)藥及生物制劑，如青霉素、頭孢、干擾素等；農(nóng)用化學(xué)品，如生物農(nóng)藥、微生物肥料等；功能性食品及食品、飼料添加劑等。

1、生物技術(shù)從醫(yī)藥領(lǐng)域逐漸向化工領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，使傳統(tǒng)的以石油為原料的化學(xué)工業(yè)發(fā)生變化。從而向條件溫和、以可再生瓷源為原料的生物加工過程轉(zhuǎn)移

目前生物技術(shù)主要用于醫(yī)藥及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但高效的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)越來越多地被用于化學(xué)品的生產(chǎn)。倒如1，3丙二醇(PDO)是一種重要的化工原料，可以合成聚酯PrT(聚對苯二甲酸丙二酯)。目前國際上主要是采油化學(xué)法生成PrT，如荷蘭Shell采用環(huán)氧丙烷催化加氫用酰化法生成，副產(chǎn)物多，選擇性差?，F(xiàn)已開始研究采用生物發(fā)酵法生產(chǎn)1，3丙二醇，如美國杜邦通過基因工程方法開發(fā)了以淀粉為原料生產(chǎn)1．3丙二醇的工藝，該工藝不產(chǎn)生污染物．并通過發(fā)酵法合成的1，3丙二醇合成了聚酯PrT，2000年3月杜邦公司已宣布批量生產(chǎn)1，3丙二醇。

甘油是用途廣泛的化工原料，目前有2條生產(chǎn)工藝路線：化學(xué)法和生物發(fā)酵法。化學(xué)法主要采用環(huán)氧丙烷水解工藝。發(fā)酵法以淀粉為原料，環(huán)境上有一定優(yōu)勢。我國目前在甘油發(fā)酵技術(shù)上達(dá)到國際領(lǐng)先水平，可以生產(chǎn)藥用和食品級甘油。我國目前的生物法甘油年生產(chǎn)能力已達(dá)1萬t以上。但發(fā)酵法甘油和化學(xué)法甘油的競爭還是很激烈的．二者的經(jīng)濟(jì)性在很大程度上取決于石油的價格。

乙醛酸是合成香蘭素和許多中間體的重要原料，乙醛酸目前主要采用化學(xué)法生產(chǎn)．工藝路線有乙二醛氧化法．氯乙酸氧化法及草酸電解法，生產(chǎn)廠家主要集中在日本、美國和德國等發(fā)達(dá)國家。其中草酸電解法由于反應(yīng)條件較溫和，轉(zhuǎn)化率高，目前被國內(nèi)外大多數(shù)廠家采用。化學(xué)法工藝的主要問題是反應(yīng)條件苛刻(240℃)，乙醛酸轉(zhuǎn)化率低，僅60％一80％，環(huán)境污染嚴(yán)重。由于轉(zhuǎn)化率低．分離純化工藝復(fù)雜，一般乙醛酸產(chǎn)品純度僅40％，而90％純度的乙醛酸價格比40％純度的乙醛酸高5～6倍。

1995年日本天野制藥公司申請了第一個雙酶法生產(chǎn)乙醛酸的工藝，其專利采用乙醇酸氧化酶和過氧化氫酶。乙醇酸氧化酶將乙醇酸轉(zhuǎn)化為乙醛酸過氧化物，過氧化氫酶又可將乙醇酸氧化產(chǎn)生的過氧化氫分解，提高了乙醛酸的轉(zhuǎn)化率(達(dá)100％)．大大地簡化了分離純化工藝。1995年，美國杜邦公司申請了基因工程菌方法生產(chǎn)乙醛酸的專利，該方法中乙醛酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)100％。

2、生物催化合成已成為化學(xué)品合成的支柱之一，可以生產(chǎn)有特殊功能、性能、用途或環(huán)境友好的化工新材料

利用生物催化(酶、微生物等催化)合成化學(xué)品不但具有條件溫和、轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點(diǎn)，而且可以合成手性化合物及高分子及化學(xué)法難于合成的化合物。生物催化合成的產(chǎn)品有類固酵及甾醇合成、類萜合成、生物堿合成、半合成抗生素合成、有機(jī)酸類合成、糖的轉(zhuǎn)化、藥用多肽及蛋白質(zhì)的合成、氨基酸類合成、核苷酸類合成、胺合成及日用化學(xué)品合成等。

傳統(tǒng)化學(xué)法由丙烯腈合成丙烯酰胺，轉(zhuǎn)化率僅為97％～98％。由化學(xué)法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子質(zhì)量很難超過12OO萬。而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，丙烯酰胺轉(zhuǎn)化率達(dá)99．99％以上，比化學(xué)法成本低10％以上。由于丙烯酰胺純度高，聚合生成的聚丙烯酰胺分子質(zhì)量可達(dá)到2000萬，可成功用于油田三次采油。20世紀(jì)80年代，日本實(shí)現(xiàn)了生物法合成工業(yè)化，產(chǎn)品成本和產(chǎn)品純度都優(yōu)于化學(xué)法合成的丙烯酰胺。我國在20OO年實(shí)現(xiàn)了萬噸級生物法丙烯酰胺的工業(yè)化，目前我國生物法合成的聚丙烯酰胺能力已達(dá)1O萬t／a，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。又如杜邦公司開發(fā)的生物法合成乙醛酸轉(zhuǎn)化率和選擇性都達(dá)到100％，明顯優(yōu)于化學(xué)合成法。

單甘油酯是一種重要的表面活性劑，目前主要為以天然油脂的甘油水解反應(yīng)的化學(xué)法生產(chǎn)，該工藝在高溫(高于200℃)下，以堿為催化劑進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)物為單甘酯和二甘酯(各占45％)?；瘜W(xué)法工藝有以下缺點(diǎn)：需在高溫條件下反應(yīng)，能耗高；高溫導(dǎo)致油脂的降解，產(chǎn)生深褐色和焦糊味；需要分子精餾分離單甘酯和二甘酯。日本及德國在20世紀(jì)9o年代開發(fā)了酶法生產(chǎn)單甘酯新工藝，單甘酯產(chǎn)率達(dá)80％，目前已達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)。生物酶法生產(chǎn)單甘酯比化學(xué)法的專一性高，可大地簡化后提取工藝，降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)開發(fā)人員在酶固定化和酶反應(yīng)器開發(fā)上進(jìn)行了研究，單甘酯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到76％。

高分子在傳統(tǒng)上都是用化學(xué)聚合方法進(jìn)行合成的，近幾年開始采用生物方法生產(chǎn)功能高分子，特別是生物可降解高分子的生產(chǎn)。許多生物功能材料如多糖都是由生物發(fā)酵法生產(chǎn)的，如透明質(zhì)酸、黃原膠等目前都已實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵法生產(chǎn)。

利用酶法生產(chǎn)的氨基酸有很多，如天門冬氨酸是生物化工技術(shù)在石油化工中應(yīng)用的又一個成功例子，比化學(xué)法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。如果利用順酐和富馬酸等為原料經(jīng)化學(xué)法生產(chǎn)天門冬氨酸轉(zhuǎn)化率僅為8O％～85％，而采用酶法生產(chǎn)，天門冬氨酸的轉(zhuǎn)化率可達(dá)99％以上。我國目前天門冬氨酸產(chǎn)量在7kt左右，90％以上采用酶法合成。以生物法合成的天門冬氨酸可以合成分子質(zhì)量在1O萬以上的聚天門冬氨酸。

酶催化劑將化學(xué)合成的前體、潛手性化合物或外消旋衍生物轉(zhuǎn)化成單一光學(xué)活性產(chǎn)物，這些手性化合物可作為醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、功能性材料的前體，中間體或最終產(chǎn)物，在精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中占有極其重要的地位。手性化合物利用生物催化劑(酶)的生物合成與拆分，不僅可以解決化學(xué)合成所需的手性源問題，還可以減少化學(xué)合成造成的環(huán)境污染以及無效對映體，稱為“綠色合成”。酶法或多酶系統(tǒng)催化(微生物轉(zhuǎn)化)反應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于藥物、食品添加劑等工業(yè)化的生產(chǎn)合成中，在手性化合物、藥物、功能生物高分子、非天然化合物、精細(xì)化學(xué)品及其中間體等方面有廣闊應(yīng)用前景。德國BASF公司研究的酶法可生產(chǎn)旋光性胺、氨基醇、醇和環(huán)氧化合物，用脂酶催化拆分外消旋混合物，產(chǎn)品收率高，對映異構(gòu)體純度高。

在我國手性藥物中，抗生素、維生素、激素和氨基酸占相當(dāng)大的數(shù)量，但大多采用傳統(tǒng)的拆分方法。在20世紀(jì)70年代后期，我國開始生物合成手性化合物的研究，目前已實(shí)現(xiàn)L一天冬氨酸、L一蘋果酸的工業(yè)化，對L一乳酸、D一苯甘氨酸、D一對羥基甘氨酸、L一苯丙氨酸、L一色氨酸的不對稱合成和(S)一布洛芬的酶法拆分都取得了很好的結(jié)果，但手性技術(shù)的開發(fā)亟待加強(qiáng)，目前仍存在缺少創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究薄弱的問題，與世界手性工業(yè)的發(fā)展有較大差