生物技术在化学品生产中的应用

第十五节生物技术在化学品生产中的应用

作者：谭天伟文章来源：石化技术与应用点击数：2243 更新时间：

2011-07-08

生物化工是利用生物体(酶、微生物、细胞及细胞组织)结合化学和工程系原理进行化学品的加工或提供相应的社会服务(如环境治理)。生物化工有时又称为生物加工过程，生物化工生产的产品有以下几类：精细化学品，如维生素、色素等；生物材料，如生物可降解材料聚乳酸、壳聚糖及手性化合物等；医药及生物制剂，如青霉素、头孢、干扰素等；农用化学品，如生物农药、微生物肥料等；功能性食品及食品、饲料添加剂等。

1、生物技术从医药领域逐渐向化工领域转移，使传统的以石油为原料的化学工业发生变化。从而向条件温和、以可再生瓷源为原料的生物加工过程转移

目前生物技术主要用于医药及农业领域，但高效的生物转化技术越来越多地被用于化学品的生产。倒如1，3丙二醇(PDO)是一种重要的化工原料，可以合成聚酯PrT(聚对苯二甲酸丙二酯)。目前国际上主要是采油化学法生成PrT，如荷兰Shell采用环氧丙烷催化加氢用酰化法生成，副产物多，选择性差。现已开始研究采用生物发酵法生产1，3丙二醇，如美国杜邦通过基因工程方法开发了以淀粉为原料生产1．3丙二醇的工艺，该工艺不产生污染物．并通过发酵法合成的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产1，3丙二醇。

甘油是用途广泛的化工原料，目前有2条生产工艺路线：化学法和生物发酵法。化学法主要采用环氧丙烷水解工艺。发酵法以淀粉为原料，环境上有一定优势。我国目前在甘油发酵技术上达到国际领先水平，可以生产药用和食品级甘油。我国目前的生物法甘油年生产能力已达1万t以上。但发酵法甘油和化学法甘油的竞争还是很激烈的．二者的经济性在很大程度上取决于石油的价格。

乙醛酸是合成香兰素和许多中间体的重要原料，乙醛酸目前主要采用化学法生产．工艺路线有乙二醛氧化法．氯乙酸氧化法及草酸电解法，生产厂家主要集中在日本、美国和德国等发达国家。其中草酸电解法由于反应条件较温和，转化率高，目前被国内外大多数厂家采用。化学法工艺的主要问题是反应条件苛刻(240℃)，乙醛酸转化率低，仅60％一80％，环境污染严重。由于转化率低．分离纯化工艺复杂，一般乙醛酸产品纯度仅40％，而90％纯度的乙醛酸价格比40％纯度的乙醛酸高5～6倍。

1995年日本天野制药公司申请了第一个双酶法生产乙醛酸的工艺，其专利采用乙醇酸氧化酶和过氧化氢酶。乙醇酸氧化酶将乙醇酸转化为乙醛酸过氧化物，过氧化氢酶又可将乙醇酸氧化产生的过氧化氢分解，提高了乙醛酸的转化率(达100％)．大大地简化了分离纯化工艺。1995年，美国杜邦公司申请了基因工程菌方法生产乙醛酸的专利，该方法中乙醛酸的转化率达100％。

2、生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一，可以生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料

利用生物催化(酶、微生物等催化)合成化学品不但具有条件温和、转化率高的优点，而且可以合成手性化合物及高分子及化学法难于合成的化合物。生物催化合成的产品有类固酵及甾醇合成、类萜合成、生物碱合成、半合成抗生素合成、有机酸类合成、糖的转化、药用多肽及蛋白质的合成、氨基酸类合成、核苷酸类合成、胺合成及日用化学品合成等。

传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺，转化率仅为97％～98％。由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1 2OO万。而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，丙烯酰胺转化率达99．99％以上，比化学法成本低10％以上。由于丙烯酰胺纯度高，聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量可达到2 000万，可成功用于油田三次采油。20世纪80年代，日本实现了生物法合成工业化，产品成本和产品纯度都优于化学法合成的丙烯酰胺。我国在20OO年实现了万吨级生物法丙烯酰胺的工业化，目前我国生物法合成的聚丙烯酰胺能力已达1O万t／a，达到了国际领先水平。又如杜邦公司开发的生物法合成乙醛酸转化率和选择性都达到100％，明显优于化学合成法。

单甘油酯是一种重要的表面活性剂，目前主要为以天然油脂的甘油水解反应的化学法生产，该工艺在高温(高于200℃)下，以碱为催化剂进行反应，产物为单甘酯和二甘酯(各占45％)。化学法工艺有以下缺点：需在高温条件下反应，能耗高；高温导致油脂的降解，产生深褐色和焦糊味；需要分子精馏分离单甘酯和二甘酯。日本及德国在20世纪9o年代开发了酶法生产单甘酯新工艺，单甘酯产率达80％，目前已达到规模化生产。生物酶法生产单甘酯比化学法的专一性高，可大地简化后提取工艺，降低生产成本。国内开发人员在酶固定化和酶反应器开发上进行了研究，单甘酯的转化率达到76％。

高分子在传统上都是用化学聚合方法进行合成的，近几年开始采用生物方法生产功能高分子，特别是生物可降解高分子的生产。许多生物功能材料如多糖都是由生物发酵法生产的，如透明质酸、黄原胶等目前都已实现了发酵法生产。

利用酶法生产的氨基酸有很多，如天门冬氨酸是生物化工技术在石油化工中应用的又一个成功例子，比化学法具有明显的优点。如果利用顺酐和富马酸等为原料经化学法生产天

门冬氨酸转化率仅为8O％～85％，而采用酶法生产，天门冬氨酸的转化率可达99％以上。我国目前天门冬氨酸产量在7 kt左右，90％以上采用酶法合成。以生物法合成的天门冬氨酸可以合成分子质量在1O万以上的聚天门冬氨酸。

酶催化剂将化学合成的前体、潜手性化合物或外消旋衍生物转化成单一光学活性产物，这些手性化合物可作为医药、农药、香料、功能性材料的前体，中间体或最终产物，在精细化工产品的生产中占有极其重要的地位。手性化合物利用生物催化剂(酶)的生物合成与拆分，不仅可以解决化学合成所需的手性源问题，还可以减少化学合成造成的环境污染以及无效对映体，称为“绿色合成”。酶法或多酶系统催化(微生物转化)反应已经应用于药物、食品添加剂等工业化的生产合成中，在手性化合物、药物、功能生物高分子、非天然化合物、精细化学品及其中间体等方面有广阔应用前景。德国BASF公司研究的酶法可生产旋光性胺、氨基醇、醇和环氧化合物，用脂酶催化拆分外消旋混合物，产品收率高，对映异构体纯度高。

在我国手性药物中，抗生素、维生素、激素和氨基酸占相当大的数量，但大多采用传统的拆分方法。在20世纪70年代后期，我国开始生物合成手性化合物的研究，目前已实

现L一天冬氨酸、L一苹果酸的工业化，对L一乳酸、D一苯甘氨酸、D一对羟基甘氨酸、L一苯丙氨酸、L一色氨酸的不对称合成和(S)一布洛芬的酶法拆分都取得了很好的结果，但手性技术的开发亟待加强，目前仍存在缺少创新和基础研究薄弱的问题，与世界手性工业的发展有较大差距。

生物化工是基于生物转化生产化学品的高技术，是生物技术的重要组成部分，具有条件温和、选择性高和污染小的特点，是现代绿色化学加工业的重要组成部分。可以预见，生物化工是21世纪化学工业最富生命力的技术。生物化工对于促进化学工业技术进步和产业结构调整、促进绿色化学工业的发展起着至关重要的作用。