生物催化在精细化工中的应用

生物催化在精细化工中的应用

摘要：化学工业已成为各国经济的基础支柱产业之一，但同时，化学工业引起的环境污染问题不容忽视，所以化学工业的可持续发展，需要不断寻找新的经济生长点，而应用生物催化技术改造并逐步取代传统化工产品就是其中有前途的发展方向。生物催化具有条件温和、能源节省、转化率和选择率高、环境友好等特点，还可以进行手性化合物的合成及结构复杂，具有生物活性的大分子和高分子化合物的合成。

关键词：生物催化；催化效率高；专一性；环境友好

1生物催化的简介

迄今为止，化学工业已成为各国经济的基础支柱产业之一，并继续保持高速的发展势头。而大力发展精细化工，即大幅提高精细化学品比重和大力开发专用化学品是发达国家化学工业的发展方向。但同时，化学工业的发展也面临着巨大的挑战。首先，石油资源正面临枯竭的局面，其次，化学工业引起的环境污染问题不容忽视。化学工业的可持续发展，需要不断寻找新的经济生长点，新技术新工艺在精细化工中的开发应用成为关键，而应用生物催化技术改造并逐步取代传统化工产品就是其中有前途的发展方向。尤其是今年来，生物催化技术的引入为精细化工的发展带来一个全新的亮点，成为该领域再度飞跃的关键之一，生物催化不仅具有条件温和、能源节省、转化率和选择率高、环境友好等特点，还可以进行手性化合物的合成及结构复杂，具有生物活性的大分子和高分子化合物的合成。因此，生物催化已经成为国外著名医药、化学公司发展和投资的重点。

所谓生物催化是指利用某种生物材料（主要是酶或微生物）来催化某种化学反应。生物催化在我国很早就已应用，如夏商时期用发酵来酿酒等。但大规模的工业化生产上的应用则是在上世纪60年代才开始的。

2生物催化的工业化应用实例

在生物催化的工业应用中，酶作为生物催化剂比化学催化剂有许多优点：①酶催化反应一般在常温、常压和近于中性条件下进行，所以投资少、能耗低且操作安全性高；②生物催化剂具有极高的催化效率和反应速度，比化学催化反应的催化效率可高107~1013倍；③生物催化具有高度专一性，包括底物专一性和立体

专一性，生物催化只对特定底物引起特定反应，对产物立体构型、结构和催化反应的类型均有严格的选择性，能有效催化一般化学反应较难进行的手性化技术；④生物催化剂本身是可生物降解的蛋白质，是理想的绿色催化剂。

生物催化法生产D-泛酸内酯

DL-泛酸内酯在D-D-泛酸内酯水解酶存在下，发生不对称水解反应制备D-泛酸内酯，所得产品为立体定向性D 型，光学纯度达97.1%ee 。经固定化的生物催化剂使用200次后，所得产品光学纯度仍大于90%ee 。

1999年，日本富士药业用生物催化法生产D-泛酸内酯，生产规模达3000t/a （以D-泛酸计）。与化学拆分法比较，生物催化法能耗下降30%，有机溶剂用量减少49%，盐类用量减少61%，耗水量减少49%，废水中BOD 下降62%。利用生物催化剂进行拆分的还有叠氮氨基类外消旋混合物、氨基醇外消旋混合物和胺类外消旋混合物等[1]。

微生物法生产丙烯酰胺

丙烯酰胺是一种重要的有机化工原料，用途广需求量大，国内外丙烯酰胺产量的90%以上用于生产聚丙烯酰胺以及其衍生物的均聚物和共聚物，其中聚丙烯酰胺广泛应用于石油开采、水处理、纺织印染、造纸、选矿、医药、制糖、建材、化工等行业，有“百业助剂”、“万能产品”之称，所以丙烯酰胺的相应需求量较大。

丙烯酰胺的工业生产历经硫酸催化法、铜系催化剂催化法、生物酶催化法三代技术，生物法的核心就是以微生物产生的腈水合酶是将腈化合物直接转化为酰胺的一类酶，在植物和微生物中广泛存在，1973年Galzy 等最先报道微生物法合成丙烯酰胺，他们发现了一种能催化腈水解的微生物BrevbacteriumR312。日本日东公司，1985年采用Rhodococcus sp N-774菌种在横滨建立了0.4万吨/年的工业装置，到1991年又采用了酶活性更高的第三代菌种Rhodococcusrhodoccoccus J-1使其生产规模上升到2万吨/年。目前全球利用微生物法生产的丙烯酰胺产量超过30万吨/年。

222CONH CH C H CN CH C H -=→--

与化学法相比，微生物法节省去了丙烯酰胺回收工段和铜分离工段，反应在常温、常压下进行，降低了能耗，提高了生产安全性，丙烯腈的转化率可大、达99.0%，产品纯度高，不造成环境污染，且生产经济性高。新建一个生物法工业

装置的设备费用约为化学法的1/3。

上海市农药研究所从1984年开始进行微生物法生产丙烯酰胺的研究，历经“七五”、“八五”、“九五”多次攻关，获得了成功，筛选并选育出菌种，2000年又建成了万吨级/年的生产装置，经过多年的努力，生产规模和技术均达较高水平，是“九五”国家重点科技攻关项目和国家科技成果重点推广项目，1998年获得国家科技进步二等奖，目前累计已接受转让的企业十多家，总装置规模超过15万吨/年。

微生物法生产烟酰胺

烟酰胺是辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的组成成分，烟酰胺和烟酸一起被总成为维生素B3，烟酸在动物体内可转化为烟酰胺而发挥作用。缺乏烟酸或烟酰胺动物会产生皮肤、消化道等病变，出现癞皮癣、口角炎等疾病。因此烟酰胺和烟酸在医药、食品、饲料领域有重要应用，目前全球每年需求量达4万吨，国内现有产量不能满足市场需求，部分依赖进口。烟酰胺的传统生产方法为烟酸氨化法和烟腈碱水解法，国内厂家大多采用第二种方法，生产工艺落后，规模很小，成本高，产量不足0.15万吨/年。

3发展精细化工产业面临的几个问题

由于大多数精细化工品在纯度、内在质量上都有不同的专门要求，故传统的精细化工生产工艺具有较高的复杂性，其主要表现为：精细化学品生产大多在非均相中进行，反应效率受限制；合成步骤多，副产物量大[2]；反应产物组成复杂、不稳定、沸点高、分离困难；有的物料腐蚀性大，毒性大、易燃易爆炸等；合成工艺路线范围广如热化学、光化学、电化学、声化学反应等，因此涉及的化学工程专用设备要比常用化学品复杂的多。

因此发展精细化工产业就要面临如下问题：①环境污染问题不容忽视，精细化工生产对生态环境造成的影响是非常突出的，事实也证明以破坏环境为代价发展经济不是长远之计，必须走化工生产绿色化和可持续发展道路；②能源短缺问题。化工节能是一个重要的课题，石油、天然气和煤是不可再生的的能源，它们的枯竭将会引起世界性的能源危机。③必须重视降低能原材料消耗问题。现代化很大程度上是以石油为初始原料的，而石油是不可再生资源，且日益匮乏，因此在开发精细化工合成工艺过程中提高产品收率和降低原材料消耗是非常重要的任务之一。