其它有机酸发酵工艺-衣康酸

4.1. 4
衣康酸生产方法工艺
4.1.4.1化学合成法 美国Pfizer公司和日本电气化学公司曾经研究开发 以丁二酸酐或丁二酸酯为原料，以不同的催化剂与 甲醛反应生成拧康酸，在加热异构化得到衣康酸。 美国Pfizer 公司以柠檬酸为原料，在480℃汽化， 喷雾进料，以负载的磷酸盐为催化剂，在290～ 340℃反应得到柠康酸，转化率达82%，然后加热 220℃异构化得到衣康酸。 英国人Calsson等以柠檬酸为原料在250℃高温， 34.5Mpa高压下反应生成衣康酸和柠康酸，反应的 总选择性超过了90%。
居乃琥、王孝宪采用固定化土曲霉NRRLl960，以葡萄糖
为原料连续发酵．利用交替接触空气和液体的固定化细胞 生物反应器连续生产衣康酸，最高容积产率为0.73g／g ／(L· h)最高衣康酸质量浓度为18.2g/L。
到20世纪90年代末，我国已有10多家衣康酸

生产厂 我国衣康酸产业化体系初步形成。 1992年，云南天力生物发酵厂宣布建成国内 首条年产300t衣康酸生产线。 1994年该厂又在此基础上建成年产2000t衣 康酸生产线，以白糖为原料，在300m3气升 式发酵罐中产酸50g/L以上，对糖转化率大于 50％，收率60％，发酵周期50h。 四川成都拉克公司、浙江江山国光生物化工 公司、广东雷州衣康酸公司，
衣康酸生产菌诱变选育
生产衣康酸的微生物筛选法：
（1）形态筛选法 根据以往育种工作的经验，对突变菌落的形态有针对性地筛 选。 (2)指示剂显色法， 将诱变株移植在合有0.01％溴甲酚绿指示剂的琼脂平板上培 养，根据透明圈直径的大小来筛选突变株。 (3)“浓缩”过滤筛选法 将经诱变的细胞悬浮液移于以衣康酸为惟一碳源的合成培养 基中，30-37℃静置培养18～24h经曲层薄宣纸过滤，滤去 菌丝，滤液经稀释后在琼脂平板上分离、筛选。这种方法的 主要目的是筛选不能利用衣康酸的突变株，从而提高衣康酸 产量。 (4)标记筛选法 有的科研人员在含1％LiCl抗性平板中筛选出优良的菌株。也 有人利用单氟乙酸为乌头酸水合酶的专一性抑制剂，在单氟 乙酸抗性平板中挑选出的菌落乌头酸水合酶活性较高，从而 获得高产衣康酸菌种。
时间 需求量
（万吨 ）
1995 2.67
1998 3.45
2000 4.05
2005 5.50
2010 8.14
4.1.3衣康酸生产的原理和微生物育种
4.1.3.1.发酵原理
关于衣康酸生物合成途径已有很多研究，由
于研究的菌种、培养方法、检测手段和分析 角度不同，所得的结论也不完全一致。所以 衣康酸的生物合成机理至今尚无统一的看法。
4．其他有机酸发酵工艺学
4.1衣康酸的发酵生产
4.1.1概述 4.1.2衣康酸的性质和用途 4.1.3衣康酸生产的原理和微生物育种 4.1.4衣康酸生产方法工艺 4.1.5衣康酸的提取工艺
4.1衣康酸的发酵生产
4.1.1概述 衣康酸(Itaconic acid)又称为甲叉丁二酸、亚甲基
琥珀酸
Shimt等人认为，乙酸和琥珀酸先缩合成三
羧酸，再脱氢脱羧，生成衣康酸。
对糖的理论转化率为48%
从文献报道来看，发酵转化率在40％以上者
很多，达50％以上者也不少，从我国中试研 究及生产情况来看，转化率均在50％以上。 故前两种途径占优势的可能性较大。
4.1.3.2发酵微生物
能产生衣康酸的微生物种类： 土曲霉(Asp.terrus)、
（2）固定化细胞发酵工艺
60年代，Kobayashi提出了固定化技术连续生产衣康 酸的发酵工艺。尤其是进20年来，利用包埋法固定 衣康酸生产菌的全细胞生产衣康酸技术的研究比较 活跃，固定化土曲霉菌体细胞使用的载体多为聚丙 烯酰胺凝胶。 1983年Horitsu等人报道了用聚丙烯酰胺凝胶固定土 曲霉细胞生产衣康酸的方法，将固定化后的凝胶切 成4 mm3的碎块，取40g凝胶装入和间歇发酵同样 的反应柱，采用流速4ml/h，35℃通气1.4L/min 连 续发酵15天后，衣康酸产生速率达到60mg/h,固定 化细胞半衰期为10天。
衣康酸的部分物理化学性质
性质
熔点℃
数值
167~168
性质
燃烧热 MJ/moL
数值
1.98
晶体密度 Kg/m3
相对密度 Kg/m3
1.49±0.01
1.63
生成热 KJ/moL
840
毒性（LD50） 4000 mg/Kg
水中解离常 K1=1.50×10-4 数 K2=2.20×10-6
衣康酸在水中的溶解度

衣康酸及其酯类具有广泛的用途，是化学合成工业 的重要原辅材料．也是化工原料生产中的重要中间 体，具有广泛的开发前景。
国外衣康酸的消费构成
用途 树脂行业 化纤行业 离子交换树脂 锅炉清洗剂 增塑剂 牙科材料 、人造宝石、特种透镜 比例 % 53 17.8 8 1 7 10.2
1995~2010年世界衣康酸需求情况预测
最早是由Baup于1836年在研究柠檬酸175℃的热分
解产物时发现并得到的 20世纪20年代末，日本学者木下广野 盐水浸渍的酸梅汁中分离出一种能耐高渗透 能利用蔗糖、葡萄糖产生衣康酸的青绿色曲霉，并定 名为衣康酸曲霉
20世纪30年代末，Calam、Oxford和Ratajakk等人先

1986年我国居乃琥等人报道了利用多孔转盘式反应器 培养固定化土曲霉菌生产衣康酸的方法。使用的菌 种为NRRL1960,在36℃，pH3.0，转盘转速8r/min, 通气100ml/min的条件下连续发酵，流加速度在 60ml/h时，衣康酸的产生速率达0.73g/L.h。
温度℃
10
溶解度 （g/dL） 5.9 8.3
9.5 12
温度℃
50
溶解度 （g/dL） 29.2 45.9
72.6
20
25 28
60
70
衣康酸由于分子内存在一个不饱和双键和两个活泼的 羧基，使其能够发生很多化学反应，其中最重要的 是衣康酸的酯化反应。标准的脂化反应能够产生衣 康酸二酯，且产率很高，
（6）在其他行业的应用
衣康酸二双烷共聚体作为原油的流动点下降剂、 可使原油流动温度由24℃下降至1℃； 衣康酸与月桂酸—氨乙基乙醇胺的缩合反应生成咪 唑啉衍生物．是生产化妆品的有用试剂； 衣康酸与芳香二胺生成的吡咯烷酮衍生物是润滑剂 和增稠剂； 与其他各种胺生成的吡咯烷酮衍生物可用于洗涤剂、 医药和除草剂之中。



后报道了利用土曲霉为菌种将葡萄糖发酵生成衣康酸， 1945年。Lockwood分离出了适合表面培养的土曲霉 (Asp.terreus265)，对糖转化率达30%～50%, NRRL1960 转化率47.3%。 1970年10月，日本静冈县磐图化学公司建立了一座年 产1000t衣康酸的工厂，成为当时最大的衣康酸生产公 司(该公司目前生产能力为1500t／a。 1977年，日本筑波大学应用化学系宣布以木屑水解液 为主要碳源，采用土曲霉K26为菌种发酵制备衣康酸 获得成功，其产量达4.75％，对糖转化率最高可达 54.9％ 20世纪80年代以来．衣康酸的研究得到迅速发展，更 多的微生物如假丝酵母M31、黑曲霉P-1等被发现能够 产生衣康酸。
（5）在造纸行业的应用 聚丙烯酰胺称为标准造纸助剂，衣康酸作为阴性
单体合成的聚丙烯酰胺除了可以作为助滤剂以外， 还可以作为纸张增强剂， 与使用普通的纸张增强剂相比，能够使纸张强度 获得较大程度的提高，且纸张均匀平整，品质优 良。 与丁苯乳胶配制成新型水溶液，用具有较强支持 力的白土等作为填充剂，能与纸张形成牢固的膜 层，可使纸张变得强韧，并对油墨具有很强的粘 着力，使印刷出来的图案鲜艳美观。
4.1.4.2发酵法生产
（1）深层分批发酵工艺 以淀粉为例，深层批发酵的工艺流程
在深层批发酵中重要的工艺参数包括温度，pH，接种量，
通气与搅拌速度等。
土曲霉对温度极为敏感，不但会影响衣康酸的积累，而且还



会导致产杂酸。 土曲霉孢子培养温度以(33±1)℃最佳；一、二级种子培养 温度以34℃为宜， pH对最终衣康酸的产量起着十分重要的作用。 pH在1.8以下时，土曲霉几乎不能生长和产酸； pH在4.5以上时．菌丝形成较大菌丝球．有时直径可达5～ 6mm，同时几乎不产酸。 在菌体生长高峰期应维持pH在3.0左右，以获得最大生长速 率； 一旦进入产酸期，应控制pH在2.1～2.3范围内。 一级种子接种量保证培养液内孢子数达108～109个／mL为 宜，二级种子接菌丝悬浮液12％～14％。 在生产中如果通气不足，则严重影响产酸速率及转化 风量0.18m3/m3.min,转速80~90r/min.
Bentley等认为，葡萄糖经糖酵解(EMP)途经和三羧酸循环(TCA)
合成柠檬酸之后．再脱水脱羧生成衣康酸；
也有人认为可能直接由乙酰CoA和丙酮酸 合成柠苹酸，再由柠苹酸失水而生成衣康 酸；
上述两条途径实际是交叉的，第一条途径到柠 檬酸时可脱羧形成柠苹酸而走第二条途径。因 此总的反应式都为： 对糖的理论转化率为72%


基)-5-氧-3-吡啶羧酸甲酯，在氢硼化钠作用下生成经甲基 衍生物，再用甲基磺酰氯酯化生成甲磺酰酯，进一步用经 基苯甲酸酯进行醚化、皂化、脱酯化等系列反应，可制成 4· [11甲基苯基-2-吡咯烷酮-4-基]-甲氧基苯甲酸。 该品在生物体内与辅酶A酯化，有极强的抑制胆固醇合成 酶和脂肪酸合成酶的作用，从而抑制人体内的脂肪酸和胆 固醇的合成，是预防相治疗动脉硬化、糖尿病等多尿病和 肥胖病的新药 （4）在纺织行业的应用 无水衣康酸可与蚕丝蛋白中的丝氨酸和羊毛蛋白中赖氨酸、 精氨酸及酯氨酸分子反应形成直链化合物， 对纤维本身无不良影响，可大大改善蛋白质纤维的防皱性、 耐热性和热稳定性，而吸湿性显著降低。
衣康酸可以和丙烯酸以不同的比例，于80～20℃的水 性介质中共聚可以制得分子量在500～2，000， 000之间的共聚物。 衣康酸分子内的双键可以和卤素起定量的加成反应， 是测定衣康酸的基础。
衣康酸和胺类反应生成的N-羟基吡咯烷酮是重要的化 合物。
衣康酸的同分异构体
衣康酸有两种同分异构体，即柠康酸和中康酸，在酸性、 中性和弱碱性条件下，衣康酸是稳定的。 但在强碱性 条件下，3种异构体可以相互转化。
4.1Байду номын сангаас2.2 衣康酸的用途
4.1.2.2衣康酸的用途
（1）衣康酸和丙烯酸共聚物的应用
以衣康酸和丙烯酸共聚生成的乳胶可用于
皮革的涂层，增加皮革的可塑性， 作为汽车、电器涂料，粘着力加强，色泽美观，不
易受外界条件的影响， 加入多价金属氧化物交联的衣康酸，丙烯酸制成的 牙科粘和剂具有良好的抗压性能和黏结强度及生理 适应性。 以不同比例的衣康酸，丙烯酸共聚物可制备多种不 同用途的聚合物，如无菌食品包装材料等。
（2）新型高效除 臭剂的应用 以衣康酸及其聚 合物为原料，添 加少量天然物制 成的除臭剂反应 活性高， 依赖于分子内活 泼的双键和两个 羧基，可以与氨， 胺类等碱性恶臭 物或硫化氢等酸 性恶臭物反应， 达到除臭的目的。
（3）在药物合成中的应用
衣康酸与甲苯胺环缩反应，再用甲醇酯化制成1-(4-甲苯
衣康酸曲霉(Asp．Itaconicus)
假丝酵母(Candida species)、 红酵母(Rhodotrorula)、
黑粉菌(Ustilago jeae)、
桑卷担菌(Helicobasidium mompa)
查尔斯青霉(Penicillum charlesii)
黑曲霉(Asp.niger)。
Horitsu等用聚丙烯酰胺凝胶包埋土曲霉生产衣康酸．在
连续的发酵柱中产酸速率为60mg/h。
H．Kautola等以海藻酸钙凝胶包埋土曲霉NRRL1960的
孢子或用Celite R-626琼脂凝胶块固定化菌体，在间歇深 层发酵中最高葡萄糖转化率为54.5％，容积产率是 320mg／(L· h)；
4.1.2衣康酸的性质和用途
4.1.2.1衣康酸的性质 衣康酸是一种不饱和二元酸，分子式为C5H6O4,分 子量为130.1，结构式为： 纯衣康酸是一种白色粉末状 结晶或无色晶体，熔点 167~168℃ 结晶产品不易吸潮，即使在 高温条件下也不结块， 在真空条件下加热升华。
易溶于水和其他有机溶剂。