尼龙单体己二酸的化学合成与生物制造

尼龙单体己二酸的化学合成与生物制造 全国生物化工技术发展研讨会MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1716071263552_0与成果汇编 ,,,, 济南 尼龙单体己二酸的化学合成与生物制造 韩丽，陈五九，张媛媛，涂然，王钦宏, 中国科学院系统微生物工程重点实验室，中国科学院天津工业生物技术研究所摘要:己二酸是一种重要的二元羧酸，具有广泛的应用前号。目前己二酸的生产还主要依靠化学合成法进行合成，随着己二酸的需求量以及价格的上涨，研究探索一种有效、无污染并且低成本的不依赖于传统石油资源的生产己二酸的方法已成为趋势。本文对目前己二酸的生产方法如化学合成法、生物转化法以及生物合成发酵法生产进行了综述，并对己二酸生物制造的新途径以及新策略进行了介绍，同时对己二酸的生物制造进行了展望。,前言,(,己二酸及其用途 己二酸(,,,,,; ,;,,)是六碳二元酸，俗称肥酸，在外观上呈现白色结晶体，微溶于水，易溶于酒精、乙醚等大多数有机溶剂。它具有脂肪族二元酸的通性，能发生成盐反应、酯化反应、酰胺反应，能与二元胺缩合成高分子聚合物，是生产己二胺、尼龙,,、纤维和工程塑料及其树脂的主要原料。它可以与多种化合物进行缩合反应，其产物可以用作合成橡胶增塑剂、合成润滑剂、聚氨酯的重要原料，而聚氨酯在我国轻化工业中占有重要地位，是我国正在大力发展的产业川。除此之外，由于己二酸的不潮解特性，它还可用于食品添加剂，作为酸化剂改善食品的储存。目前全球己二酸年均需求增长率约,(,,，我国的己二酸需求量也是每年都在增长，其中聚氨酯生产企业的需求量每年增长在,,,以上。据统计，,,,,年全球己二酸的需求量已达到,,,万吨左右，我国的需求量约为,,力(吨左右。,(,己二酸的市场产需分析,(,。,己二酸的世界生产和消费现状 ,,,,年全球己二酸产量达到,,,(,万吨，其中，美国产量,,(,力(吨，西欧,,(,万吨，亚洲,,(,万吨。从表观消费量来看，亚洲已经成为仅靠欧美之后的消费地，其中亚洲区进口为,,(,万吨，出口,,(,力(吨，存在较大缺口，说明在亚洲范围内己二酸市场处于供不应求，发展己二酸产业具有巨大前景。 当今世界，己二酸主要用来生产尼龙,,盐，进而生产尼龙,,树脂、纤维、聚酯多元醇、增塑剂等聚合物，,,,,年全球己二酸总消费量约为,,,万吨。其中，北美约占全球总消费量的, ,(,,，西欧约占全球总消费量的,,(,,，亚洲地区约占全球总消费量的天津空港经济区西七道,,号，天津,,,,,,?通讯作者(,,,,,:～垦旦, ,,鱼～,堕:曼垦墨:曼墼) ,,,全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,,,济南,,(,,，其他地区消费量仅占全球总消费量的,(,,，,,,,年世界己二酸分地区消费结构见表,。 表, ,,,,年己二酸消费分布(资料来源:,,,),(,(,己二酸的国内生产及消费需求情况 国内己二酸生产在,,世纪,,年代末才刚刚开始，,,,,年以前我国己二酸基本为净进口，己二酸作为一种化工行业中的细分产品，用量较小，因此己二酸行业集中度很高，生产者不多。国内目前仅有,,多家己二酸生产企业。我国大型己二酸生产装置通过引进后经过自身消化、吸收、创新，目前装置技术水平、产品质量稳定性等各项指标及管理过程均基本达到国际同等水平，但问题较大的是中小型己二酸生产装置，其普遍存在生产规模小、技术水平低下、产品质量次等诸多方面的问题，影响了我国整体水平。表,列出了国内己二酸主要生产企业及产能状况。 表,国内己二酸主要生产装置概况 ,,,全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,, ,济南 河南神马有限 河南平顶山 ,, ,,,,年引进日本旭化成公司技术建成投产，产 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 公司 品全部用于公司内部尼龙,,生产。扩建,,, ,,,,装置有望于,,,,年下半年投产，新装置投 产后，己二酸产品能部分外售 山西太原化工 山西太原 ,, 采用环己烷法和,,,工艺控制，总投资,(,亿 股份有限公司 元，,,,,年开工建设 尽管国内有数十家生产厂商，但是从表,可以看出国内己二酸生产依然不能满足市场需求，存在较大的缺口，每年都需从国外大量进口，,,,,年己二酸进口量达到,,(,万吨，创历史最高 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ，,,,,年受到金融危机影响需求有所下降，同时因为新增多套己二酸生产装置，使得产量增加，从而进口量有所下降。 表, ,,,,(,,,,年国内己二酸供需情况(资料来源:海关统计、,，,,,整理),(,(,己二酸的世界及国内市场前景展望 近年来，从全球范围看呈现全球己二酸的消费量呈现出增长态势，其中亚洲的己二酸需求增速最快，因此投资项目也主要集中在亚洲，但日本、韩国及中国台湾和日本需求增量很少，增长动力主要来自中国大陆。预计到到,,,,年，亚太地区将成为己二酸最主要生产地区【,,。另外，国家出台的反倾销政策，减轻了低价进口产品冲击国内市场，为国内己二酸生产企业腾出了更多的市场空间，创造了良好的市场竞争环境,,,。己二酸下游产品主要应用于人们的日常生活，考虑到我国是人口大国这一现状，己二酸下游尼龙与非尼龙产品的使用必将都有大量的需求,,】，尤其是目前我国出台的对下游产品尼龙,,反倾销措施极有利于国内己二酸市场发展。从目前形势来看，国内尼龙,,产业正处在蓬勃发展期，大批项目的规划促使己二酸的需求将呈现爆发式增长【,,。 表,国内近几年己二酸产能及进出口情况 年份 ,能(,(,,?,,) 产量,,, 进,, ,„„(厦,————百否,,瓦 ,,,, ,,, ,,, ,,, ,,(, ,,,, ,,, ,,, ,,, ,,(, ,,,, ,,, ,,, ,,, ,,(, ,,,全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,, ,济南 、,…““,，,,,,，，,,,,,,,一 ,,,, ,,, ,,, ,,, ,,(, ,,,, ,,, ,,, ,, ,,(, ,,,, ,,, ,,, ,, ,,(, ,,,,(预测) ,,, ,,, ,, ,,(, 综上所述，预测未来,年中国内己二酸市场需求仍将保持较高的增长速度，鉴于国内己二酸快速增长的市场需求和供需缺口，发展己二酸产业势在必行，国内许多家企业也抓住时机大量投入新装置进行己二酸生产，预计到,,,,年，我国将拥有,,, ,,,,以上的己二酸生产能力，供需矛盾将逐步缓和。,(己二酸的生产工艺分析 目,;,『己二酸的生产按照其生产工艺可以分为传统化学法，微生物转化法和生物合成发酵法。其中，现阶段己二酸的生产主要是以环己醇和环己酮混合物为原料进行硝酸氧化的化学法。该方法使用强氧化性的硝酸，设备腐蚀严重，同时产生的氮氧化物也给环境造成了极大的污染。另外，己二酸的化学法生产原料环己醇、环己酮、环己烷、苯及丁二烯等都来自于石油，而利用可再生的生物质资源代替石油等化石资源是国家可持续发展的需要。因此，随着环境立法的同趋完善和公众环保意识的不断加强，研究开发新的清洁无害己二酸生物合成技术将,益受到人们的重视。,(,己二酸的传统化学法生产工艺介绍,(,(,苯酚法 苯酚法即苯酚加氢氧化法，是最早生产己二酸的方法，过程为在,,(,,,,,的催化作用下，于,,，,(,，,,,?下反应使苯酚加氢生成环己醇，再进一步脱氢生成环己酮，环己酮在乙酸中用空气氧化得到己二利引。 该法的原料来源于煤焦油中提出的苯酚，故适合在苯酚原料相对丰富的地区，一般地区容易受到原料的限制使得产量增加和降 低价格方面捉襟见肘。 该工艺的合成过程如下: ,仙一?一,—,(,(,环己烯法 环己烯法分为三步，首先以苯和氢气为原料进行苯部分加氢制得环己烯，再经水合生成环己醇及环己酮的混合物，即,,油，最后将,,油用硝酸氧化生成己二酸【,,。 该法的工艺优点是所有合成反应都在液相环境下进行，过程缓和，安全可靠，过程中无污垢和残渣产生，不会堵塞设备，因此多数设备可用碳钢制作，产品质量好、纯度高。缺点是过程产生的废液较多，主要副产物为戊二酸和丁二酸，且有废气,,,，严重污染环境。 ,?全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,,, 济南 该工艺的合成过程如下: , ，,,———? ,，, ,, , ，,,,——————? (,) ,, , 〔,, ———?, ,(,,,,,,,,, , 《,, ,, ,,, ,,,,,,(,(,丁二烯法【,】 (,)丁二烯氢氰化和形成己二酸 本法采用催化剂为,,(,,)配合物或铜盐配合物，反应条件,,,—,,,?,，优点为原料便宜，收率较高，缺点是工艺不成熟、复杂、条件要求苛刻，并且副产物较多。 该工艺的合成过程如下: ,,,,,,,,(,,,，,,,”,?,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,——， ,,,,(,,,), ,,,, (,)丁二烯烷氧基化制备己二酸 烷氧基化制备己二酸的缺点主要是反应要求较高，有较多的副产物产生，后期分离困难。 该工艺的合成过程如下: ,,,,,,,,,,,,，,,，,,,———卜,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,，,,，,,,,,,,,(,,,),,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,(,,,),,,,,，,,,,,,,,(,,,),,,,,,(,(,己二酸的改良化学法 目前己二酸的生产工艺，使用最广泛的是以环己醇、环己酮为原料的硝酸氧化工艺路线〔,,。在此生产路线中，使用强氧化性的硝酸，严重腐蚀设备，而且生产过程中产生大量的,,,气体和硝酸蒸气，给环境造成极大的污染。,,,,, ,,,,,,提出了以环己烯为原料，用水做溶剂，,,,,做氧化剂，钨酸钠做催化剂，在硫酸氢钾的参与下、甲基三辛基氯化铵做相转移催化剂制备己二酸的绿色合成路线【,,】。这种方法不用强酸，不产生,,,危害气体，用水做溶剂，不产生废液，并且催化剂不用回收，可以直接循环使用。但是，相转移催化剂甲基三辛基氯化铵价格昂贵，用它来生产己二酸成本较高。此后，又有研究人员发现，无需相转移催化剂，采用水做溶剂，,,,,做氧化剂，利用钨酸钠(全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,, ,济南草酸原位合成的配位催化剂【,,】或使用钨酸钠，硫酸体系【,,】亦可成功合成己二酸。目前改良后的化学绿色合成制备己二酸相对具有较大的经济和社会效益，其催化体系的研究成为近年来的热点研究之一【,,,,,,。,(,己二酸的生物法生产工艺 己二酸的生物生产工艺根据其涉及到的微生物生产途径可以分为简单的微生物转化法和利用改造的微生物宿主进行的微生物合成发酵法。,(,(,微生物转化法的研究优点与进展 微生物转化法与化学合成法比较，有许多优点:(,)微生物转化法反应条件温和，化学物质经催化生成己二酸过程中不产生分解，副产物较少，环境压力小，节约能源和投资;(,)微生物转化法所得到的产物具有较好的立体专一性和光学专一性，不需要再后期进行复杂化学拆分;(,)应用微生物转化法只要进行几步反应，极大提高了反应效率,,?。因此，利用微生物炼制来生产精细化工产品完全能满足绿色精细化工的要求。 微生物转化某些化合物生成己二酸的研究已经很多，一些微生物可以转化苯甲酸、 苯酚、环己酮、环己烯等进而生成己酸或者己酸的前体物质顺，顺一粘糠酸。可进行微生物转化生成己二酸的菌及可转化的化合物见表,。这些生物转化不需要化学催化剂、氧化剂以及溶剂，对生态环境影,,;，,,，，是洁净无害的生产工艺。但是这些微生物转化的能力却不高，还不适于发酵生产。绻芄辉谖?锾迥诤铣梢陨匣衔铮倮么还こ痰姆椒ㄔ谖?镏凶可降解这些化合物的途径便可以在微生物体内合成己二酸口?，如玉米纤维中含有大量的阿魏酸(,,,,,; ,;,,)，有研究表明通过微生物组合可以降解阿魏酸，而这种阿魏酸在生物降解的过程中会产生己二酸【,,,，这种不依赖于化学合成而进行己二酸转化的方法也不失为一种可行的方法。 表,可进行生物转化生成己二酸的微生物及其转化的相应化合物 化合物 微生物 苯甲酸 ,,,,,;,, ,,,,,,,，,,, ,,,,,,,,,够【,,， 荧葸(,,) ,,;,,,;,,,,,, ,,(,,,,,, ,,,,,〔,,】 扁桃酸盐,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,〔,,, 邻苯二酚,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,， 环己胺(,,,,) ,,,,,,,;,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,(,,,,，,,～ 环己醇 ,;,,,,,,,;,,, ,,(〔,,，,,，,,， 环烷烃,,,,,,,,;,,, ,,(〔,,, 另外，除表,中所列的微生物可将一些芳香族化合物转化为己二酸，人体的尿液中 ,,,全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,,, 济南也存在一定含量的己二酸，研究人员认为人体内己二酸的来源有可能是通过,(,氧化途径产生【,,,。,(,(,微生物合成发酵法生产己二酸的研究进展 在己二酸生物法生产方面，美国,,,, ,,,,,等人发明了以工程大肠杆菌从葡萄糖来生产己二酸的方法。该方法利用芳香族氨基酸共同合成途径转变葡萄糖生产,(脱氢莽草酸，然后引入由,(脱氢莽草酸脱水酶，原儿茶酸脱羧酶和儿茶酚,，,(双氧化酶组成的异源代谢途径催化,一脱氢莽草酸先转变为儿茶酚，儿茶酚进一步转化为顺，顺(粘康酸。分批补料发酵试验能使工程大肠杆菌产生约,, ,,,的顺，顺(粘康酸，糖酸摩尔转化率为,,,(约,(,,‖,)。发酵液中的顺，顺一粘康酸可直接以铂为催化剂、在低压室温下化学氢化转化为己二酸，该步转化率在,,,左右【,,,,,】。 然而,,,, ,,,,,等人开发的工程大肠杆菌需添加昂贵的诱导剂异丙基(,(,硫代半乳糖苷(，,,,)来诱导生产儿茶酚,，,(双氧化酶转化儿茶酚产生顺，顺一粘康酸，从而增加过程费用，影响大规模工业化生产。而且为了满足产业化发展的需要，该茵生物合成己二酸的生产能力，特别是糖酸转化效率有待进一步提高。为了改进微生物合成己二酸，一方面可以通过改进现有的工程大肠杆菌系统，用固定表达来替代诱导表达，例如替换质粒上诱导型启动子为组成型启动子，并通过后期定向进化得到高表达菌株，优化和提高己二酸的产量和产率，最终达到降低生产成本;另一方面是寻找其他合适微生物，通过各种先进工业生物技术实现和提高生物合成己二酸能力。再则可以通过开发利用廉价的可再生的生物质资源，如木质纤维素作为原料来生产己二酸，进一步降低生产成本，推进生物合成的产业化发展。如王钦宏小组在,,,, ,,,,,研究组基础之上将外源基因的诱导型启动子改为组成型启动子，这样在不降低顺，顺(粘糠酸产量的同时将更有利于解决大规模生产的成本问题(待发表结果)。杜邦公司的,,,,, ,,,,,等,,,】通过,,,,,,构建土壤棒杆菌(,;,,,,,,,;, ,, ,,(,,,,,, ,,,,)基因组文库，筛选到土壤棒杆菌氧化环己醇基因簇，通过体外翻译技术从而得到可氧化坏己醇而产生己二酸的大肠杆菌，其己二酸的含量为,,,,,,。涉及的工程菌株大肠杆菌从坏己醇到己二酸的合成途径示意如下(图,)。此外，美国,,,,,,,,,公司,,,,年宣称已经获得可以从烷烃类、植物油以及糖类转化为己二酸的酵母基因工程菌并将投入大规模生产。,,,,,,,;,公司【,,,在己二酸市场前景可观的前提下同年也积极开展生物合成己二酸项目，并对外宣布可以从葡萄糖合成己二酸。但是，均未见,,,,,,,,,及,,,,,,,,;,公司公布其己二酸的产量。全国生物化工技术发展研讨会论文与成果汇编 ,,,,济南 ;,;,,,,,,,,, 。 ;,;,,,,,,,,,,,,)?,,,,,,,,, ,、、,,,, 上 ;,;,,,,,,,,,, 代缈册、、， ;(?，(;,,,,,,,,,, ,，,,,,,,,,,,,,(,, , ,,,,,,,,,,,;,;,,,,,,,,, ,,、弋蝴。嘶哪如,哪山啪徽 „ ,,,,,,,,,,,,,,,,,, 。 ,,,?,,。码„,,,,,口,抛,,,,,,,,,„辐,卜,，,, ，一 上 ,一,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,?,,,,,,,,,卜,,,, ,,,,,,, 图,从环己醇到己二酸合成途径,己二酸生物制造的新途径与新策略 尽管己二酸在微生物体内并非天然存在，但是随着合成生物学的不断发展，越来越多的化工产品可以通过人为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、拼接并组装从而合成。,,,,,,,提出了几条可以合成己二酸的途径,,,,，其中最为可行的是逆己二酸降解途径合成己二酸以及经,(酮基己二酸合成己二酸两条途径，另外经由赖氨酸形成己二酸也是一条可以尝试的策略。本文着重对逆己二酸降解途径合成己二酸和经,(酮基己二酸合成己二酸两条途径加以介绍，并结合本实验室的研究方向，对己二酸生物制造的生化反应新途径(即以上两条途径对基因元件的选择、途径组装方式)和提高己二酸生物合成产率的新策略(即表达调控策略)进行简介。,(,己二酸生物制造的新途径,(,(,逆己二酸降解途径合成己二酸 己二酸在生物体内可降解为琥珀酰,,,及乙酰,,,，生物体内大多数的反应均属于可逆反应，为了实现己二酸在大肠杆菌中的合成，我们将对这一途径中大肠杆菌中不存在的关键酶基因进行分析及筛选，如:烯脂酰辅酶,还原酶(,,,,,(,,, ,,,,;,,,,)，酮酰,,,硫解酶(,,,,,;,,(,,, ,,,,,,,,)，筛选的基因来源于一些可降解己二酸或者苯甲酸的微生物，由这些基因进行组合成途径模块。图,为逆己二酸降解途径合成己二酸示意图。呈旦兰塑些三楚垄堇丝里塑皇堡皇～堕墨堑叁 垫～～童壹 ,;,,,,,,,, ,,;;,,,,—,,, ，?爿:,“„““岬… 。,,…岍“一““”,,心((, 。”, 。”,,,，卜 。“，媪‰。 幽,逆己酸降解合成选径 本研究室针对己一酸降解途径的逆合成途径，将对大肠牛,茵中不存在的烯脂酰辅酶,还原酶(,,,,, ,,, ,,,,;,,,,)进行筛选，初步选用丙酮,,酵梭状芽孢杆菌(;,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,),,,，,,埘(,胂基因，合成密旋螺体(,,,,,,,,,,,,,,;,,,, ,,,基因以及裸藻属(,,,,,,,,,,;,,,,),,,基因。并克隆大肠杆菌中本身存在的榭以及血鹏丛划，这些皋囡表现出喇酰辅酶,硫解酶(,,,,,;,,—,,,)、,(羟酰辅胁,脱氨酶 (,,,,,,,,,,;,,—,,,)、烯酰 辅瞎,台酶(,,,,〔,,, ,,,,,,,。,,)的活性。这些基冈的活性类似,逆己二酸合成途径,,，前三步的转化反应。而血甜及血“基因类似,,向相与血把的功能，但是只在厌氧的条件,发挥作用，对这些基因进行组装如图,。分别将拼接的途径堆困构建到质粒,,,,一,,,〕,,,以及,,,,,,,,上，将基凼进行组合共转化人 曩蕾唧?—方肠杆菌苗株,,,,,。 —铃 墨降 :(;……((…((。((((((，: :…(………(………。………((: 矧,逆己一麟降解近释,《块的翔装,, ,经,(.