其它有機(jī)酸發(fā)酵工藝衣康酸

其它有機(jī)酸發(fā)酵工藝衣康酸4、1衣康酸得發(fā)酵生產(chǎn)4、1、1概述衣康酸(Itaconicacid)又稱為甲叉丁二酸、亞甲基琥珀酸最早就是由Baup于1836年在研究檸檬酸175℃得熱分解產(chǎn)物時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到得

20世紀(jì)20年代末,日本學(xué)者木下廣野鹽水浸漬得酸梅汁中分離出一種能耐高滲透能利用蔗糖、葡萄糖產(chǎn)生衣康酸得青綠色曲霉,并定名為衣康酸曲霉20世紀(jì)30年代末,Calam、Oxford和Ratajakk等人先后報(bào)道了利用土曲霉為菌種將葡萄糖發(fā)酵生成衣康酸,1945年。Lockwood分離出了適合表面培養(yǎng)得土曲霉(Asp、terreus265),對(duì)糖轉(zhuǎn)化率達(dá)30%～50%,NRRL1960轉(zhuǎn)化率47、3%。1970年10月,日本靜岡縣磐圖化學(xué)公司建立了一座年產(chǎn)1000t衣康酸得工廠,成為當(dāng)時(shí)最大得衣康酸生產(chǎn)公司(該公司目前生產(chǎn)能力為1500t／a。1977年,日本筑波大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系宣布以木屑水解液為主要碳源,采用土曲霉K26為菌種發(fā)酵制備衣康酸獲得成功,其產(chǎn)量達(dá)4、75％,對(duì)糖轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)54、9％20世紀(jì)80年代以來(lái)、衣康酸得研究得到迅速發(fā)展,更多得微生物如假絲酵母M31、黑曲霉P-1等被發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生衣康酸。Horitsu等用聚丙烯酰胺凝膠包埋土曲霉生產(chǎn)衣康酸、在連續(xù)得發(fā)酵柱中產(chǎn)酸速率為60mg/h。H、Kautola等以海藻酸鈣凝膠包埋土曲霉NRRL1960得孢子或用CeliteR-626瓊脂凝膠塊固定化菌體,在間歇深層發(fā)酵中最高葡萄糖轉(zhuǎn)化率為54、5％,容積產(chǎn)率就是320mg／(L·h);居乃琥、王孝憲采用固定化土曲霉NRRLl960,以葡萄糖為原料連續(xù)發(fā)酵、利用交替接觸空氣和液體得固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)衣康酸,最高容積產(chǎn)率為0、73g／g／(L·h)最高衣康酸質(zhì)量濃度為18、2g/L。到20世紀(jì)90年代末,我國(guó)已有10多家衣康酸生產(chǎn)廠我國(guó)衣康酸產(chǎn)業(yè)化體系初步形成。1992年,云南天力生物發(fā)酵廠宣布建成國(guó)內(nèi)首條年產(chǎn)300t衣康酸生產(chǎn)線。1994年該廠又在此基礎(chǔ)上建成年產(chǎn)2000t衣康酸生產(chǎn)線,以白糖為原料,在300m3氣升式發(fā)酵罐中產(chǎn)酸50g/L以上,對(duì)糖轉(zhuǎn)化率大于50％,收率60％,發(fā)酵周期50h。四川成都拉克公司、浙江江山國(guó)光生物化工公司、廣東雷州衣康酸公司,4、1、2衣康酸得性質(zhì)和用途4、1、2、1衣康酸得性質(zhì)衣康酸就是一種不飽和二元酸,分子式為C5H6O4,分子量為130、1,結(jié)構(gòu)式為:純衣康酸就是一種白色粉末狀結(jié)晶或無(wú)色晶體,熔點(diǎn)167~168℃結(jié)晶產(chǎn)品不易吸潮,即使在高溫條件下也不結(jié)塊,在真空條件下加熱升華。易溶于水和其她有機(jī)溶劑。衣康酸得部分物理化學(xué)性質(zhì)性質(zhì)數(shù)值性質(zhì)數(shù)值熔點(diǎn)℃167~168燃燒熱MJ/moL1、98晶體密度Kg/m31、49±0、01生成熱KJ/moL840相對(duì)密度Kg/m31、63毒性(LD50)mg/Kg4000水中解離常數(shù)K1=1、50×10-4K2=2、20×10-6衣康酸在水中得溶解度溫度℃溶解度(g/dL)溫度℃溶解度(g/dL)105、95029、2208、36045、9259、57072、62812衣康酸由于分子內(nèi)存在一個(gè)不飽和雙鍵和兩個(gè)活潑得羧基,使其能夠發(fā)生很多化學(xué)反應(yīng),其中最重要得就是衣康酸得酯化反應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)得脂化反應(yīng)能夠產(chǎn)生衣康酸二酯,且產(chǎn)率很高,衣康酸可以和丙烯酸以不同得比例,于80～20℃得水性介質(zhì)中共聚可以制得分子量在500～2,000,000之間得共聚物。衣康酸分子內(nèi)得雙鍵可以和鹵素起定量得加成反應(yīng),就是測(cè)定衣康酸得基礎(chǔ)。衣康酸和胺類反應(yīng)生成得N-羥基吡咯烷酮就是重要得化合物。衣康酸得同分異構(gòu)體衣康酸有兩種同分異構(gòu)體,即檸康酸和中康酸,在酸性、中性和弱堿性條件下,衣康酸就是穩(wěn)定得。但在強(qiáng)堿性條件下,3種異構(gòu)體可以相互轉(zhuǎn)化。11大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流4、1、2、2衣康酸得用途

4、1、2、2衣康酸得用途

(1)衣康酸和丙烯酸共聚物得應(yīng)用以衣康酸和丙烯酸共聚生成得乳膠可用于皮革得涂層,增加皮革得可塑性,作為汽車、電器涂料,粘著力加強(qiáng),色澤美觀,不易受外界條件得影響,加入多價(jià)金屬氧化物交聯(lián)得衣康酸,丙烯酸制成得牙科粘和劑具有良好得抗壓性能和黏結(jié)強(qiáng)度及生理適應(yīng)性。以不同比例得衣康酸,丙烯酸共聚物可制備多種不同用途得聚合物,如無(wú)菌食品包裝材料等。(2)新型高效除臭劑得應(yīng)用以衣康酸及其聚合物為原料,添加少量天然物制成得除臭劑反應(yīng)活性高,依賴于分子內(nèi)活潑得雙鍵和兩個(gè)羧基,可以與氨,胺類等堿性惡臭物或硫化氫等酸性惡臭物反應(yīng),達(dá)到除臭得目得。(3)在藥物合成中得應(yīng)用衣康酸與甲苯胺環(huán)縮反應(yīng),再用甲醇酯化制成1-(4-甲苯基)-5-氧-3-吡啶羧酸甲酯,在氫硼化鈉作用下生成經(jīng)甲基衍生物,再用甲基磺酰氯酯化生成甲磺酰酯,進(jìn)一步用經(jīng)基苯甲酸酯進(jìn)行醚化、皂化、脫酯化等系列反應(yīng),可制成4·[11甲基苯基-2-吡咯烷酮-4-基]-甲氧基苯甲酸。該品在生物體內(nèi)與輔酶A酯化,有極強(qiáng)得抑制膽固醇合成酶和脂肪酸合成酶得作用,從而抑制人體內(nèi)得脂肪酸和膽固醇得合成,就是預(yù)防相治療動(dòng)脈硬化、糖尿病等多尿病和肥胖病得新藥(4)在紡織行業(yè)得應(yīng)用無(wú)水衣康酸可與蠶絲蛋白中得絲氨酸和羊毛蛋白中賴氨酸、精氨酸及酯氨酸分子反應(yīng)形成直鏈化合物,對(duì)纖維本身無(wú)不良影響,可大大改善蛋白質(zhì)纖維得防皺性、耐熱性和熱穩(wěn)定性,而吸濕性顯著降低。(5)在造紙行業(yè)得應(yīng)用聚丙烯酰胺稱為標(biāo)準(zhǔn)造紙助劑,衣康酸作為陰性單體合成得聚丙烯酰胺除了可以作為助濾劑以外,還可以作為紙張?jiān)鰪?qiáng)劑,與使用普通得紙張?jiān)鰪?qiáng)劑相比,能夠使紙張強(qiáng)度獲得較大程度得提高,且紙張均勻平整,品質(zhì)優(yōu)良。與丁苯乳膠配制成新型水溶液,用具有較強(qiáng)支持力得白土等作為填充劑,能與紙張形成牢固得膜層,可使紙張變得強(qiáng)韌,并對(duì)油墨具有很強(qiáng)得粘著力,使印刷出來(lái)得圖案鮮艷美觀。(6)在其她行業(yè)得應(yīng)用

衣康酸二雙烷共聚體作為原油得流動(dòng)點(diǎn)下降劑、可使原油流動(dòng)溫度由24℃下降至1℃;衣康酸與月桂酸—氨乙基乙醇胺得縮合反應(yīng)生成咪唑啉衍生物、就是生產(chǎn)化妝品得有用試劑;衣康酸與芳香二胺生成得吡咯烷酮衍生物就是潤(rùn)滑劑和增稠劑;與其她各種胺生成得吡咯烷酮衍生物可用于洗滌劑、醫(yī)藥和除草劑之中。衣康酸及其酯類具有廣泛得用途,就是化學(xué)合成工業(yè)得重要原輔材料、也就是化工原料生產(chǎn)中得重要中間體,具有廣泛得開發(fā)前景。國(guó)外衣康酸得消費(fèi)構(gòu)成

用途比例%樹脂行業(yè)53化纖行業(yè)17、8離子交換樹脂8鍋爐清洗劑1增塑劑7牙科材料、人造寶石、特種透鏡10、2時(shí)間19951998200020052010需求量(萬(wàn)噸)2、673、454、055、508、141995~2010年世界衣康酸需求情況預(yù)測(cè)4、1、3衣康酸生產(chǎn)得原理和微生物育種

4、1、3、1、發(fā)酵原理關(guān)于衣康酸生物合成途徑已有很多研究,由于研究得菌種、培養(yǎng)方法、檢測(cè)手段和分析角度不同,所得得結(jié)論也不完全一致。所以衣康酸得生物合成機(jī)理至今尚無(wú)統(tǒng)一得看法。Bentley等認(rèn)為,葡萄糖經(jīng)糖酵解(EMP)途經(jīng)和三羧酸循環(huán)(TCA)合成檸檬酸之后、再脫水脫羧生成衣康酸;也有人認(rèn)為可能直接由乙酰CoA和丙酮酸合成檸蘋酸,再由檸蘋酸失水而生成衣康酸;上述兩條途徑實(shí)際就是交叉得,第一條途徑到檸檬酸時(shí)可脫羧形成檸蘋酸而走第二條途徑。因此總得反應(yīng)式都為:對(duì)糖得理論轉(zhuǎn)化率為72%Shimt等人認(rèn)為,乙酸和琥珀酸先縮合成三羧酸,再脫氫脫羧,生成衣康酸。對(duì)糖得理論轉(zhuǎn)化率為48%從文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看,發(fā)酵轉(zhuǎn)化率在40％以上者很多,達(dá)50％以上者也不少,從我國(guó)中試研究及生產(chǎn)情況來(lái)看,轉(zhuǎn)化率均在50％以上。故前兩種途徑占優(yōu)勢(shì)得可能性較大。4、1、3、2發(fā)酵微生物

能產(chǎn)生衣康酸得微生物種類:土曲霉(Asp、terrus)、衣康酸曲霉(Asp、Itaconicus)假絲酵母(Candidaspecies)、紅酵母(Rhodotrorula)、黑粉菌(Ustilagojeae)、桑卷?yè)?dān)菌(Helicobasidiummompa)查爾斯青霉(Penicillumcharlesii)黑曲霉(Asp、niger)。衣康酸生產(chǎn)菌誘變選育生產(chǎn)衣康酸得微生物篩選法:(1)形態(tài)篩選法根據(jù)以往育種工作得經(jīng)驗(yàn),對(duì)突變菌落得形態(tài)有針對(duì)性地篩選。(2)指示劑顯色法,將誘變株移植在合有0、01％溴甲酚綠指示劑得瓊脂平板上培養(yǎng),根據(jù)透明圈直徑得大小來(lái)篩選突變株。(3)“濃縮”過濾篩選法將經(jīng)誘變得細(xì)胞懸浮液移于以衣康酸為惟一碳源得合成培養(yǎng)基中,30-37℃靜置培養(yǎng)18～24h經(jīng)曲層薄宣紙過濾,濾去菌絲,濾液經(jīng)稀釋后在瓊脂平板上分離、篩選。這種方法得主要目得就是篩選不能利用衣康酸得突變株,從而提高衣康酸產(chǎn)量。(4)標(biāo)記篩選法有得科研人員在含1％LiCl抗性平板中篩選出優(yōu)良得菌株。也有人利用單氟乙酸為烏頭酸水合酶得專一性抑制劑,在單氟乙酸抗性平板中挑選出得菌落烏頭酸水合酶活性較高,從而獲得高產(chǎn)衣康酸菌種。4、1、4

衣康酸生產(chǎn)方法工藝4、1、4、1化學(xué)合成法美國(guó)Pfizer公司和日本電氣化學(xué)公司曾經(jīng)研究開發(fā)以丁二酸酐或丁二酸酯為原料,以不同得催化劑與甲醛反應(yīng)生成擰康酸,在加熱異構(gòu)化得到衣康酸。美國(guó)Pfizer公司以檸檬酸為原料,在480℃汽化,噴霧進(jìn)料,以負(fù)載得磷酸鹽為催化劑,在290～340℃反應(yīng)得到檸康酸,轉(zhuǎn)化率達(dá)82%,然后加熱220℃異構(gòu)化得到衣康酸。英國(guó)人Calsson等以檸檬酸為原料在250℃高溫,34、5Mpa高壓下反應(yīng)生成衣康酸和檸康酸,反應(yīng)得總選擇性超過了90%。4、1、4、2發(fā)酵法生產(chǎn)

(1)深層分批發(fā)酵工藝

以淀粉為例,深層批發(fā)酵得工藝流程在深層批發(fā)酵中重要得工藝參數(shù)包括溫度,pH,接種量,通氣與攪拌速度等。土曲霉對(duì)溫度極為敏感,不但會(huì)影響衣康酸得積累,而且還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)雜酸。土曲霉孢子培養(yǎng)溫度以(33±1)℃最佳;一、二級(jí)種子培養(yǎng)溫度以34℃為宜,pH對(duì)最終衣康酸得產(chǎn)量起著十分重要得作用。pH在1、8以下時(shí),土曲霉幾乎不能生長(zhǎng)和產(chǎn)酸;pH在4、5以上時(shí)、菌絲形成較大菌絲球、有時(shí)直徑可達(dá)5～6mm,同時(shí)幾乎不產(chǎn)酸。在菌體生長(zhǎng)高峰期應(yīng)維持pH在3、0左右,以獲得最大生長(zhǎng)速率;一旦進(jìn)入產(chǎn)酸期,應(yīng)控制pH在2、1～2、3范圍內(nèi)。一級(jí)種子接種量保證培養(yǎng)液內(nèi)孢子數(shù)達(dá)108～109個(gè)／mL為宜,二級(jí)種子接菌絲懸浮液12％～14％。在生產(chǎn)中如果通氣不足,則嚴(yán)重影響產(chǎn)酸速率及轉(zhuǎn)化風(fēng)量0、18m3/m3、min,轉(zhuǎn)速80~90r/min、(2)固定化細(xì)胞發(fā)酵工藝60年代,Kobayashi提出了固定化技術(shù)連續(xù)生產(chǎn)衣康酸得發(fā)酵工藝。尤其就是進(jìn)20年來(lái),利用包埋法固定衣康酸生產(chǎn)菌得全細(xì)胞生產(chǎn)衣康酸技術(shù)得研究比較活躍,固定化土曲霉菌體細(xì)胞使用得載體多為聚丙烯酰胺凝膠。1983年Horitsu等人報(bào)道了用聚丙烯酰胺凝膠固定土曲霉細(xì)胞生產(chǎn)衣康酸得方法,將固定化后得凝膠切成4mm3得碎塊,取40g凝膠裝入和間歇發(fā)酵同樣得反應(yīng)柱,采用流速4ml/h,35℃通氣1、4L/min連續(xù)發(fā)酵15天后,衣康酸產(chǎn)生速率達(dá)到60mg/h,固定化細(xì)胞半衰期為10天。1986年我國(guó)居乃琥等人報(bào)道了利用多孔轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器培養(yǎng)固定化土曲霉菌生產(chǎn)衣康酸得方法。使用得菌種為NRRL1960,在36℃,pH3、0,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速8r/min,通氣100ml/min得條件下連續(xù)發(fā)酵,流加速度在60ml/h時(shí),衣康酸得產(chǎn)生速率達(dá)0、73g/L、h。但到目前為止,固定化細(xì)胞發(fā)酵工藝生產(chǎn)衣康酸得技術(shù)還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究,尚無(wú)工業(yè)化生產(chǎn)得報(bào)道(3)補(bǔ)料分批發(fā)酵工藝根據(jù)衣康酸發(fā)酵過程底物消耗速率和代謝產(chǎn)物合成得關(guān)系,可以找出補(bǔ)料發(fā)酵得規(guī)律。例如Asp、terreus54-S-30,在200L氣升式反應(yīng)器中發(fā)酵,在36～65h階段,衣康酸發(fā)酵進(jìn)入產(chǎn)酸期,在此階段,衣康酸得容積產(chǎn)率維持在2、3g／(L·h),糖得消耗速率也恒定在3、9g／(L·h),糖酸轉(zhuǎn)化率維持在60％。通過向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)充物料,可以使培養(yǎng)液底物濃度較長(zhǎng)時(shí)間保持在一定范圍,達(dá)到延長(zhǎng)產(chǎn)酸期得目得。從而提高容積產(chǎn)率、產(chǎn)物濃度和得率。4、1、5衣康酸得提取工藝

4、1、5、1濃縮結(jié)晶法主要工藝步驟概括為:發(fā)酵液預(yù)處理,脫色過濾,濃縮,結(jié)晶和重結(jié)晶,干燥等幾個(gè)步驟。①發(fā)酵液預(yù)處理一般加熱溫度為70～75℃;維持15min,可以殺死菌體,防止衣康酸被分解代謝,使蛋白質(zhì)等肢體性物質(zhì)變性凝固,有利于過濾;同時(shí)使菌體中得衣康酸釋放出,以提高收率。衣康酸濃度達(dá)15％以上時(shí),為了防止衣康酸結(jié)晶,必須對(duì)過濾設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱和保溫。②脫色過濾過濾主要就是利用壓力差為推動(dòng)力來(lái)達(dá)到固液分離得目得。在衣康酸生產(chǎn)中通常使用粉狀活性炭,也可使用顆?；钚蕴考懊撋珮渲M(jìn)行脫色。脫色后得過濾與發(fā)酵醪得過濾有所不同,一就是活性炭易穿濾和堵塞濾孔、所以在過濾前必須加入與活性炭等量得助濾劑,以加強(qiáng)過濾效果。常用得助濾劑為硅藻土;二就是衣康酸濃度達(dá)15％以上時(shí),為了防止衣康酸結(jié)晶、必須對(duì)過濾設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱和保溫。③濃縮在常溫下水溶液(或?yàn)V液)中衣康酸濃度較低、容易被微生物分解,所以應(yīng)立即濃縮,不宜停留時(shí)間過長(zhǎng)。在濃縮過程中溫度不能過高,若在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱,衣康酸會(huì)發(fā)生部分分解或可能被破壞而變性;同時(shí),殘留在溶液中得其她有機(jī)物在高溫下也易分解,使?jié)饪s液色澤加深,粘度增加造成結(jié)晶困難,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。濃縮過程中真空度一般要在0、087MPa以上,料溫不超過70℃。蒸汽壓力控制在0、2MPa以下,放料時(shí)酸度達(dá)40％～45％