衣康酸

12
2014-6-5
4、氯化乙烯共聚物 衣康酸与氯化乙烯以一定比例共聚，聚合物中衣康酸的COOH极性使之与金属粘着形成相当牢固的膜，形成涂层，可用 于反应釜内部涂层。 5、聚烯烃的改性 通过共聚、接枝或直接添加衣康酸自聚物可以增加聚乙烯、聚 丙烯这类聚合物的羧基数目，使得这些聚合物除双键之外增加通 过金属离子的离子键交联，可改变聚合物的很多物理性质，如透 明度、弹性、伸张特性、抗裂性、抗冲击性等。聚丙烯纤维中含 少量衣康酸就能大大改善其染色性能。
能产生衣康酸的微生物种类很多，有土曲霉、衣康酸曲霉、 假丝酵母、红酵母、黑粉菌、桑卷担菌、查尔斯青霉和黑 曲霉。但这些微生物并不都能适合工业化生产，有的仅仅 是作为科研用的微生物。只有衣康酸曲霉和土曲霉有过工
业化生产的报道，其中衣康酸曲霉仅适用于早期的表面培
养。由于产量高、遗传性能稳定，当今国内几乎所有用深 层发酵生产衣康酸的工厂均采用土曲霉。
49
2014-6-5
50
2014-6-5
51
2014-6-5
52
2014-6-5
53
2014-6-5
54
2014-6-5
LOGO
有机酸 发酵 工艺学
李松
安徽工程大学生化学院 生物工程教研室
2014-6-5 1
2014-6-5
第五章 衣康酸
Itaconic acid
2
2014-6-5
第一节 衣康酸发酵史及理化性质
3
2014-6-5
一、衣康酸发酵史
1836：Baup于蒸馏分解柠檬酸时发现的，同时这也是最原始的衣康 酸制备方法。 1929：日本人木下广野在盐水浸渍的酸梅汁中分离出一种产生衣康酸 的能力微生物，能耐高渗透压并能利用葡萄糖、蔗糖产生衣康酸的青绿 色曲霉，并定名为衣康酸曲霉，这是最早发现的能产生衣康酸的微生物。 20世纪30年代，Calam、Oxford和Ratajak等人先后报道了利用土曲 霉为菌种将葡萄糖发酵生成衣康酸。 20世纪40年代以后，随着化学工业的迅速发展，衣康酸的用途也得到 了清晰的认识，美国农业部北方地区研究所对衣康酸的工业化生产做了 大量的工作。 1945年，Lockwook分离出了适合表面培养的Asp. terreus265，对 糖转化率达30~50%。不久又从Texas土壤中分离出一株表面培养和深 层培养均能适用的Asp. terreus NRRL 1960，对糖转化率为47.3%。 1952年，Pfeifer等利用该菌在2.2m3发酵罐中开始小规模生产，产酸 达3.24%，转化率45%。 1955年建立了全世界第一个以蔗糖为原料发酵法生产衣康酸的公司。
11
2014-6-5
3、丙烯酸乳胶 用衣康酸与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；用于汽车以及其他电器、冷藏库的涂料，具有粘着 力强、色泽美观和不受外界气候条件影响等优点。加入多价金属 氧化物（如锌和镁的硅铝酸盐或氧化物）交联的衣康酸-丙烯酸 制成的牙科粘合剂具有良好的抗压性能和粘结强度，并有很好的 生理适应性。这种聚合物还是一种高分子螯合剂，是水处理的除 垢剂。
8
2014-6-5
三、衣康酸的应用
衣康酸的分子结构中含有一个非常活泼的甲叉基（CH2 ＝C－）和二个羧基。衣康酸分子既可利用甲叉基中的双键 与其它单体聚合成高分子，也可利用羧基与其它单体进行 离子型聚合。单体衣康酸本身用途不大，但衣康酸或其衍 生物与其他单体聚合成的高分子化合物具有重要而广泛的 用途。
6
2014-6-5
以微生物发酵生产衣康酸已成为当今普遍采用的生产方法。
但对于发酵菌种的研究，以局限于传统的诱变筛选。迄今为止，
国内外还未出现基因工程菌的报道。 为了满足激烈的市场竞争，各工厂都在寻求产酸更高、转化率
更高、发酵周期更短的生产菌种。
利用石油裂解产物化学合成衣康酸的各种报道也势必刺激和促 使发酵法生产衣康酸技术水平的进一步提高。 同时，我国衣康酸生产的后提取率普遍在75%以下，有些工厂 甚至远低于这个水平，这与国外先进水平92%收率相比，其技术
13
2014-6-5
6、衣康酸及衣康酸酯类的聚合 衣康酸自身聚合可作为高分子分散剂、凝集剂和土壤改良剂。 衣康酸酯类也能与很多单体聚合。在衣康酸烯丙酯与丙烯酸甲酯、 二乙烯苯进行共聚过程中加入致孔剂，使形成大孔型结构，经二 次聚合可制成乳白色球状颗粒的大孔弱酸性阳离子交换树脂如 D113和DK110。 7、衣康酸衍生物 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 氨酸及酪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。
18
2014-6-5
19
2014-6-5
总反应式：
理论转化率：72%
20
2014-6-5
与上述观点不一致的是Shimi等人提出的生物体内合成衣康酸 的途径是由乙酸和琥珀酸先缩合成三羧酸,再脱氢脱羧生成衣康 酸其合成途径示意如下:
总反应式： 理论转化率：48%
21
2014-6-5
衣康酸体内代谢途径
残余还原糖少于0.5g/dL、产酸很慢或停止时，必须立即终 止发酵、放罐，否则酸浓度反而会下降。
29
2014-6-5
衣康酸生产菌种诱变及发酵举例
《衣康酸发酵的研究》 天津科技大学 刘建军（博士论文）
30
2014-6-5
31
2014-6-5
32
2014-6-5
33
2014-6-5
34
2014-6-5
22
2014-6-5
关于衣康酸的生物合成机理仍是研究的一个重点, 目前仍没有一个统一的认识,随着技术的发展,彻底 搞清衣康酸的合成机理,深入研究其代谢调节机制
对定向选育衣康酸的优良菌种,提高衣康酸发酵水
平具有重要的意义。
23
2014-6-5
第三节 衣康酸发酵微生物
24
2014-6-5
一、衣康酸发酵微生物
9
2014-6-5
1、新型高效除臭剂上的应用
采用衣康酸及其聚合物为主要原料，添加少量天然物制 成的除臭剂，反应活性高，不但能与氨、胺类等碱性恶臭 和反应而且能与硫化氢等酸性恶臭物质有良好反应。衣康 酸聚合物具有易于成膜、可以制成具有除臭功能的纸或塑
料膜等系列产品。
10
2014-6-5
2、SBR乳胶（丁苯橡胶） SBR乳胶是衣康酸与丁二烯及苯乙烯的共聚物，是目前衣康酸 所有用途中用量最大的，约占其总用量的60%~70%，其主要用 途为： ①将其配制成新型水溶液，用具有较强支持能力的白土等作为 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； ②作为水溶性涂料能在金属、混凝土等表面上形成粘着力很强 的涂膜，易于着色并且不受气候变化影响，是家庭装潢中的理想 涂料； ③因其具有油溶性，添加在油漆中可提高油漆品质； ④用做地毯的上浆料。普通的合成纤维地毯通常需要上浆以提 高其硬度和韧性，SBR乳胶可以增加上浆剂与地毯之间的粘着 力，使地毯经久耐用。
25
2014-6-5
国内主要用于工业化生产的衣康酸菌种如下表所示：
菌种名称 Asp. terreus 54-S-30 源系 NRRL 1960 适用原料 蔗糖及低脂玉米粉 研究单位 中国食品发酵工业研究所
Asp. terreus Lu 663 Asp. terreus WX-1 Asp. terreus 15-UV17 Asp. terreus A9001
35
2014-6-5
36
2014-6-5
37
2014-6-5
38
2014-6-5
39
2014-6-5
40
2014-6-5
41
2014-6-5
42
2014-6-5
43
2014-6-5
44
2014-6-5
45
2014-6-5
46
2014-6-5
47
2014-6-5
48
2014-6-5
14
2014-6-5
Leabharlann Baidu
15
2014-6-5
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。
16
2014-6-5
第二节 衣康酸生物合成机理
17
2014-6-5
有关衣康酸生物合成途径的研究报导很多,但由于研究的菌种不 同,培养方法、检测手段和分析角度的不同,所得出的结论并不完 全一致,因此衣康酸的生物合成机理至今尚无统一的认识,迄今主 要有两种观点比较有代表性： 1957年,Benuey等人研究认为,葡萄糖经EMP途径和三羧酸 循环合成柠檬酸之后,再经脱水脱梭生成衣康酸; 有人提出也有可能直接由乙酰CoA和丙酮酸合成柠苹酸,再 由柠苹酸脱水生成衣康酸; 两种途径实际上是相互交叉的,柠檬酸是两条途径的交叉点, 柠檬酸可脱梭形成柠苹酸,也可以脱水形成顺乌头酸,但二者 的合成效率一致,即1分子葡萄糖合成1分子衣康酸。
土壤分离
蔗糖 木薯粉
无锡轻工大学
NRRL 1960
蔗糖及玉米淀粉水 解糖
四川食品 发酵工业设计研 究 院 上海市工业微生物研究所
NRRL 1960
玉米及木薯淀粉水 解糖
26
2014-6-5
二、衣康酸发酵菌种选育
原则首先是高产，能大量产生需要的产品；其次是产物单一，
尽可能减少副产物，使提取工艺简单化，产品质量稳定；第三是 遗传性能稳定，适应工业生产的长期性；第四是生长适应性粗放， 对发酵条件和发酵原料的要求不能过于苛刻。 衣康酸目前主要采用诱变的方法进行育种。实践证明，在衣康 酸菌株的诱变处理上，下列处理方法的正向突变率是较高的： 1、紫外线诱变法 2、60Co辐射法 3、N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍（NTG）处理 4、紫外线－高温复合处理 5、60Co-γ射线-紫外线复合处理
27
2014-6-5
第四节 衣康酸发酵工艺
28
2014-6-5
温度 28-38℃ <28℃,曲酸 >38℃,发酵速率降低 pH 菌体:pH 3.0 产酸:pH 2.1-2.3 控制: NaOH、KOH或氨水 接种量 一级:孢子数达108~109个/mL 二级:12%~14% 通气与搅拌 通气不足或过量都会影响产率 生物生长量 干重:1.10~1.40g/dL 碳源、氮源、金属离子、消泡剂等 培养基组成 发酵终止判断
水平的差距远大于发酵水平的差距。
7
2014-6-5
二、衣康酸理化性质
衣康酸是英文itaconic acid的译名，按分子结构应 为甲叉丁二酸。它与柠檬酸及中康酸互为异构体： 在酸性、中性和弱碱性常温条件下，衣康酸是稳定的。 但在强碱性条件下，三种异构体可相互转化。在水溶液中 ，由于双键的加水也可以生成少量羟基酸。
4
2014-6-5
20世纪50年代起，世界各国出现了一大批研究衣康酸发酵的学 者。他们筛选了大量的菌种，利用淀粉、蔗糖、糖蜜等不同原料 进行衣康酸发酵研究，大大地推动了发酵法生产衣康酸的科研及 生产。 1970年10月，日本静岗县磐田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，其产酸达 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。多年 来一直争论不休的衣康酸合成机理得以更深入研究。
5
2014-6-5
我国在20世纪60年代初就已经有衣康酸生产。当时兰州石油
化学公司从英国引进的腈纶生产线以衣康酸做第三单体，化工部 投资在上海溶剂厂建立一年产200t的衣康酸生产车间，产酸3% 左右，转化率35%，后因文革停产。 80年代末期才全面、系统开展地衣康酸的发酵研究。 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。 四川成都后克公司、浙江江山国光生物化工公司、广东雷州衣 康酸公司相继投产成功。至此，我国衣康酸产业化体系初步形成。 20世纪90年代末，我国已有10多家康康酸生产厂。