1,3-二羟基丙酮

【引用】二羟基丙酮生产研究进展

2011-03-13 22:24:06| 分类：默认分类| 标签：|字号大中小订阅

本文引用自云中鹤《二羟基丙酮生产研究进展》

二羟基丙酮或1,3-二羟基丙酮，英文名为1,3-dihydroxyaeetone或dihydroxyacetone，简写为DHA，是最简单的三碳酮糖，外观是白色或类白色粉末状结晶，具有甜、凉的味道，易吸湿并分解。一般状态下是二聚体(1,4-Dioxane)的结晶，能缓慢地溶于1份水中或15份乙醇中，微溶于乙醚，但经溶解或加热则变为单体，其单体易溶于水、乙醇、丙酮和乙醚等有机溶剂，熔点为75~80℃，水溶性>250g·L-1(20℃)，在pH为6.0时稳定，是一种重要的化工、生化原料，医药、农药合成中间体和多功能食品添加剂，用途十分广泛。国内有关DHA的报道很少，其生产目前还是一片空白，而国外DHA已得到了广泛的实际应用。

1 工业生产方法

二羟基丙酮的工业生产方法目前是利用微生物分批发酵。该法是在菌体生长到适当的时期，利用菌体产生的脱氢酶以甘油为底物进行脱氢反应，产生DHA。用于生产DHA的微生物主要是醋酸杆菌属(Acetobacter)和葡萄糖杆菌属(Gluconobacter)微生物，尤其是弱氧化醋酸杆菌(Acetobacter Suboxy-dans)和氧化葡萄糖杆菌(Gluoonobacter Oxydans)。菌种在复苏后先进行预培养，然后转发酵罐扩大培养，待菌种达到一定浓度后，接种到含有甘油的发酵培养基当中，经过60-80h的耗氧发酵后，再将发酵液一次放出，经分离纯化得到DHA。每一个分批发酵过程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。目前已有采用流加甘油方法，在菌体生长到对数期时，并在产物DHA达到一定水平(80-120g·L-1)后，放出部分产物，并补加原料和培养基，这样就可以减少达到生产水平的生物量的时间，提高底物甘油

的利用率，节约成本。

分批发酵的特点是微生物所处的环境是不断变化的，发生杂菌污染，能够很容易终止操作。在发酵生产中，使用的菌种处于对数生长期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不出现调整期，这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。但该法的主要问题是底物甘油和产物DHA在培养基中的浓度过高时(积累达到或超过80-120g·L-1)，产生了高渗透压，使得发酵菌体裂解、失活，从而导

致DHA的产率难以提高。

2 新技术研究进展

2.1 催化氧化法

甘油结构上有伯位和仲位2种羟基官能团，在一定条件及催化剂作用下容易被氧化，但不同催化剂以及不同反应条件对于伯位和仲位上的羟基的氧化选择性也不同。甘油氧化可按照2种路径进行：一种是氧化端位的伯羟基，生成甘油醛；另一种是氧化中间的仲羟基，生成DHA。在氧化过程中，可产生一系列的副产物，如甘油酸、丙醇二酸、丙酮二酸等。可利用贵金属制备不同的金属催化剂，选择性的氧化甘油，从而得到所需要的目标产物，该法经历了2个发展阶段。

2.1.1 单元贵金属催化剂

开始采用的是单元贵金属催化剂(例如钯、铂)，以活性碳为载体，空气氧为氧化剂进行氧化，但反应必须严格控制体系的pH值为酸性(pH为2~4)，才能得到最大的产率。当采用Pd/C催化剂时，大多生成甘油伯位羟基氧化的产物，如甘油酸、丙醇二酸，而对甘油仲位羟基的氧化选择性效果较差，催化剂活性较弱，产品收率仅4%(质量分数)。使用Pt/C催化剂，虽然具有较强的催化能力，但Pt对仲位羟基的氧化选择性也不高，如在37%的甘油转化率下，DHA的选择性也只有10%左右。

2.1.2 双元催化剂

第二阶段采用的是双元催化剂(例如Bi-Pt/C)。研究表明Pt如果与带P电子的金属，尤其是第四主族(Pb)与第五主族(Bi)的共同作用，则对仲位羟基的氧化选择性会大大提高。如Kimura等公布的一项研究结果表明，当催化剂是1%Bi-5%Pt/C时，一批反应中DHA的产率为20%，当催化剂是0.6%Bi-3%Pt/C 时，在一个混合床反应器中，甘油转化率为40%，DHA的产率为25%。Kimura等人随后又报道了以Bi-Pt 硼粒炭作催化剂，采用固定床反应器，进行连续式操作反应，产品的选择性突增至80%，DHA的产率可以达到32%。而Gallezot等人同样选用Bi-Pt体系，但保持酸碱性恒定，在60℃和pH=2时，甘油转化率达到了60%，DHA的选择性达到50%。这可能是由于Bi原子吸附的氧在催化剂表面形成Pt-Bi-OH物种，这种吸附态充当另一种活性中心，从而催化氧化吸附于Pt上的甘油分子，除了能提高氧化反应的速度，还能改善反应的选择性。此外，Bi的促进作用也降低了醇氧化过程中催化剂的还原电势，阻止产物DHA的

进一步氧化。

Demirel等人最近报道了采用Au-Pt/C作催化剂，在常压下以分子氧作氧化剂，并且使反应在恒定的pH值下进行(pH=12)，当采用0.8%Au-0.2%Pt时，甘油的转化率为50%，DHA的选择性已从26%(Au/C)增加到36%。Rosaria等人则采用电催化氧化甘油制DHA，其产率最高可达35%，开辟了一条新的甘油催化氧化路径。而我国的谢艳丽，赵振东等合成了一系列贵金属多元催化剂，采用催化剂5%Bi-9%Pt/C可以有效地将甘油催化氧化成DHA，反应温度为55℃，反应时间为50h时，甘油全部转化，DHA的产率为

50.05%，这可能是目前报道的甘油催化氧化制备DHA的最高产率。

甘油催化氧化法是一条经济、绿色的制备DHA的工艺路线。但是，目前这个反应的产率还不是很高，反应结束后体系中尚余大量未转化的甘油，因此从甘油的部分氧化产物中分离纯化DHA比较麻烦，还有待

进一步研究。

2.2微生物转化法

自从1848-1849年Bertrand发现某些微生物能将甘油转化为DHA并鉴定该微生物为醋酸杆菌后，醋酸杆菌中甘油的代谢途径及微生物法生产DHA就开始被研究。现在已知的制备DHA的方法是醋酸杆菌生长细胞在完全培养基中批次发酵转化甘油生成DHA，但是因底物和产物的反馈抑制作用导致产率还不高。因此微生物转化生产DHA水平的提高，还要依赖于菌种选育和发酵工艺(培养基和培养条件)的优化、改进培养方式、连续培养等都是获得高产过程的重要手段。

2.2.1 选育高活性的菌种

微生物转化甘油生产DHA的机理是利用微生物代谢产生的甘油脱氢酶，使甘油分子结构仲位上的羟基进行脱氢反应而生成DHA，因此凡是能够利用甘油，并且具有相应的甘油脱氢酶系的微生物，都可以转化甘油生产DHA。目前国外已经从多种微生物中提取出甘油脱氢酶，并对其进行了深入的研究，在我国

也已成为可能。

华东理工大学魏东芝等构建了一种全新的基因工程菌，该菌株为用重组基因工程质粒pET-gdh和pET-ndh转化的大肠杆菌，开辟了利用基因工程菌生产DHA的先例。利用该工程菌生产DHA，提高了DHA 的转化率，同时收集到的菌体经处理后可循环利用，降低了生产成本，缩短了发酵时间。浙江工业大学的郑裕国等人在生物法DHA的研究中，已筛选到新的能产生甘油脱氢酶的微生物菌株，如葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitani-ae)、膜醭毕赤酵母(Pichia membranifaciens)、地衣芽孢杆菌B-05571(Bacillus licheniformis B-05571)。利用这种微生物生产DHA，在较佳工艺条件下，甘油的转化率最高可达90%，DHA平均浓度达到50～80g·L-1以上，提取率达到80%以上，并申请了国家发明专利，已完成多批次50～100L生物反应器实验，现正进行20～60t发酵罐的产业化前期试验。

2.2.2 改进培养方式