制备丁二酸相关方法

生物质发酵生产丁二酸项目调研

一、项目可行性报告

(一)立项的背景与意义

丁二酸(Succinic Acid)又称琥珀酸,就是一种重要的“C4平台化合物”,广泛存在于动植物与微生物体内,就是TCA循环的中间产物之一,它作为有机合成原材料、中间产物或专用化学品可应用于食品、医药、农药、染料、香料、油漆、塑料与材料工业等众多领域。其中医药领域,主要用于生产琥乙红霉素等药品;农业领域,主要用于生产植物生长调节剂、杀菌剂等;食品领域,主要用于液体调味品及炼制品的风味改良剂等;染料领域,主要用于生产高级有机颜料酞菁红等,2010年丁二酸在这四个领域总价值超过24亿美元。除此之外,丁二酸的主要潜在应用领域就是基础化工原料,它可以作为许多重要的中间产物与专业化学制品,还可以取代很多基于苯与石化中间产物的化学品,这可减少在超过300种苯基化学制品的生产与消费过程中所产生的污染,丁二酸的结构就是饱与的二羧酸,可以转化为包括l,4-丁二醇(BDO)、四氢呋喃(THF)、γ-丁内酯(GBL)、己二酸与N-甲基吡咯烷酮等一系列重要的工业化学品。据统计丁二酸全世界市场需求量可高达2700万t/a,美国能源部发布的报告中将丁二酸列为12 种最有潜力的大宗生物基化学品的第一位。图1、1就是以丁二酸及其衍生物为原料的化学制品路线图。

图1、1 丁二酸及其衍生物路线简图

采用生物法制备丁二酸的技术将填补了国内生物法路线生产丁二酸的空缺。丁二酸通过加氢还原反应可以制取1,4丁二醇,丁二酸分别与1,4-丁二醇与己二醇进行聚合即可得到生物可降解塑料PBS(聚丁二酸丁二醇酯)与PHS(聚丁二酸己二醇酯)。假如过程中使用的氢气与热量也就是使用生物质分解与发酵产生的话,那整个聚酯多元醇领域的原料与能量就应该可以算就是与传统能源完全分离了,该项目将成为生物质循环利用的示范性工程。

另外,由于石油危机及环境污染的双重压力,生物质发酵法生产丁二酸以其具有节约大量的石油资源并且可以降低由石化方法产生的污染等优点而备受国内外专家学者的重点关注。因此,本技术属于国家鼓励与支持的废弃资源综合利用与节能减排项目,就是循环经济与低碳经济发展模式项目,并在2011年获得总统绿色化学挑战奖,也就是国家“863”计划与重点鼓励发展类项目,符合国家及部分省市相关产业政策导向。

与传统化学方法相比,微生物发酵法生产丁二酸具有诸多优势:生产成本具有竞争力,因此对于聚氨酯行业的发展具有强有力的支撑作用,有助于我国聚氨酯产业发展;利用可再生的农业资源包括二氧化碳作为原料,避免了对石化原料的依赖,实现了使用可再生资源替代不可再生资源进行中间体的制作;减少了化学合成工艺对环境的污染。

专家分析认为,未来几年我国聚酯二元醇的年需求量将达到300万吨以上,在面对不可再生能源的紧缺条件下,石化法生产丁二酸的产量将会受到限制,加上PBS产业化技术的完善与国内外对生物可降解塑料需求的不断拓展以及丁二酸新应用领域的不断开发,因而这将给生物质发酵制取丁二酸的应用留下了非常大的发展空间与十分广阔的市场前景。

(二)国内外丁二酸研究现状与发展趋势

(1)国内外丁二酸市场概述

丁二酸就是用于化工、制药、食品与农业等领域的一种重要基础原料与中间体。一方面由于石油价格剧烈波动,石化法生产丁二酸的成本一直居高不下,另外发酵法能够使温室气体排放量减少50%,因而发酵法代替石化法生产丁二酸的工艺正在逐渐兴起。另一方面目前绿色化学品的市场需求也在不断增长,自然也会牵动对生物基丁二酸的需求。

2011年全球丁二酸的产能约4万吨,其中97%的丁二酸来源于石油基原料,而生物基丁二酸仅占3%,从应用领域来瞧,丁二酸主要用于树脂、涂料与油漆等领域约占19、3%,其她重要领域包括医药(15、1%)、食品(12、6%)、PBS /PBST(9%)与聚酯多元醇(6、2%)。从丁二酸市场分布来瞧,2011年,欧洲占市场总量的33、6%,亚太地区占29、6%,北美占29、2%。亚太地区预计将就是未来增长最快的市场,如中国、印度与日本,其中,中国处于主导地位(图2、1)

图2、1 2011年全球丁二酸市场分布

据Transparency预测,全球丁二酸市场将从2011年的2、403亿美元增长到2018年的8、326亿美元,2012~2018年的年均增长率达19、4%,2018年产量将超过25万吨,1,4-丁二醇、增塑剂、聚氨酯与树脂需求的增加以及涂料、染料与墨水一直就是该产品市场的主要驱动因素,然而昂贵的原材料与日益严重的环境问题成为了制约该市场增长的主要因素。

1、1 国内丁二酸市场

丁二酸在中国的生产始于上世纪60 年代末期,生产发展较快,到2013 年丁二酸的产量占世界总产量的40%,目前国内丁二酸的总产能约12、5 万吨/年,年产量在6 万吨左右。随着以丁二酸为原料的PBS等新型生物可降解塑料的逐步产业化,丁二酸的发展将迎来新契机。据专家预测,2020年国内可降解生物塑料市场需求量为300 万吨,以生产1 吨PBS需0、6 吨丁二酸计算,未来国内丁二酸的年需求量将达到180 万吨左右,保守估计到2020年,我国生物法丁二酸产能将达到10万吨/年,加上下游市场的不断开发,需求量也将保持10%以上的年增长率,市场缺口巨大。

与此同时,国内已有多家企业正在积极筹备上马PBS 项目,而安庆与兴公司则领先一步,率先与清华大学达成合作意向,在目前3000 吨/年规模的基础上,计划在3 年内建设一条10 万吨/年PBS生产线,同时上马的还有与之配套的6 万吨/年丁二酸项目。但一直以不可再生的战略资源石油产品作为原料的传统丁二酸生产方法导致了高价格与高污染,抑制了丁二酸作为一种优秀的化学平台产品的发展潜力,而采用微生物发酵法生产正好可以弥补。

1、2 国外丁二酸市场

国外丁二酸市场瞧好,原因就是丁二酸的结构就是饱与二羧酸,可以转化为1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯等其它四碳的化学制品,它的下游衍生物就是很多行业的重要原料,在世界范围内这些衍生物的市场潜力每年超过3×106 吨。为了使生物法生产丁二酸能够有效降

低成本,美国能源部的4个实验室投资700 万美元,共同研究发酵法生产丁二酸。通过生物发酵法筛选一株优良的菌种,选择利用廉价的原料,经过合理的过程优化,生产出更具优势的丁二酸产品,具有巨大的发展潜力,另外发酵法生产丁二酸也为农业碳水化合物产品打开一个重要的市场。由此可见,发酵法制备丁二酸的研究将成为21 世纪化学工业的一个重要方向,它将使丁二酸及其衍生物市场范围更加宽广。

丁二酸的主要应用领域大致可分为5大市场:最大的市场为表面活性剂、清洁剂、添加剂与起泡剂:第二个市场为离子鳌合剂,如电镀行业中的溶蚀与点蚀等;第三个市场就是在食品行业中作为酸化剂、PH 改良剂与抗菌剂;第四个市场就是与健康有关的产品,包括医药、抗生素、氨基酸与维生素的生产:第五个市场也就是最具发展前景的市场,即作为生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的主要原料。不同市场对于丁二酸的纯度要求也就是不同的,这对于生物法制备丁二酸就是十分有利的,因为化学法生产的丁二酸由于含有微量的其她不明化合物,限制了其在食品、医药等行业的应用,而生物发酵法生产的丁二酸完全满足美国FDA 的要求,并且已经给出了安全的许可。

(2)国内外生物基丁二酸生产企业概述

2、1 国外主要企业

经过多年的研发,生物基丁二酸在技术上获得突破,早期存在的生产成本较高、性能不高导致应用范围有限等不足已有明显改善,再加上其所具有的环保优势,这类产品的市场竞争力越来越强。目前,帝斯曼、巴斯夫、Myriant(麦里安科技公司)与BioAmber(生物琥珀公司)均已兴建多个世界级规模的生物基丁二酸生产厂(表2、1)。

2、1、1 生物琥珀公司

生物琥珀公司就是一家从事生物材料加工的公司,于2010年1月22日建成了世界上第一套商业化规模生物基丁二酸装置,采用由小麦衍生的葡萄糖为原料,初期生产能力为2000吨/年。近年来,生物琥珀公司与日本三井公司(Mitsui)合作较为紧密。2013年生物琥珀公司与日本三井公司合作在加拿大安大略省萨尼亚市启动一套大型生物基丁二酸生产装置,初始产能为1、7 万吨/年,并可继续扩能到3、4 万吨/年。2014年生物琥珀公司与日本三井公司还计划再共同建立两套装置,预计总产能将达到16、5 万吨/年。第二个工厂先在泰国建立,再在北美或就是巴西建立第三个工厂,两套装置规模相当。通过合作,生物琥珀公司与日本三井公司将充分发挥各自的优势。首先,生物琥珀公司已经研发出一个拥有专利的技术平台,将工业生物技术与专利催化剂结合把可再生原料转化成化学品,从而能降低对石油的依赖,减少成本,其次,生物琥珀公司在法国的工厂能生产并销售丁二酸,已被证明有价格优势。而日本三井公司