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。