衣康酸.ppt

李松 安徽工程大学生化学院生物工程教研室 2020 1 21 1 有机酸发酵工艺学 第五章衣康酸 2020 1 21 2 Itaconicacid 2020 1 21 3 第一节衣康酸发酵史及理化性质 2020 1 21 4 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 terreusNRRL1960 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 2020 1 21 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 2020 1 21 6 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 2020 1 21 7 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 其技术水平的差距远大于发酵水平的差距 衣康酸是英文itaconicacid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 2020 1 21 8 二 衣康酸理化性质 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 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 2020 1 21 9 三 衣康酸的应用 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 2020 1 21 10 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 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 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 因其具有油溶性 添加在油漆中可提高油漆品质 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 2020 1 21 11 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 2020 1 21 12 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 2020 1 21 13 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 2020 1 21 14 2020 1 21 15 2020 1 21 16 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 2020 1 21 17 第二节衣康酸生物合成机理 2020 1 21 18 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 2020 1 21 19 2020 1 21 20 总反应式 理论转化率 72 2020 1 21 21 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 2020 1 21 22 衣康酸体内代谢途径 2020 1 21 23 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 2020 1 21 24 第三节衣康酸发酵微生物 2020 1 21 25 一 衣康酸发酵微生物 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 2020 1 21 26 国内主要用于工业化生产的衣康酸菌种如下表所示 2020 1 21 27 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 射线 紫外线复合处理 2020 1 21 28 第四节衣康酸发酵工艺 2020 1 21 29 温度pH接种量通气与搅拌生物生长量培养基组成 发酵终止判断 28 38 28 曲酸 38 发酵速率降低 菌体 pH3 0 产酸 pH2 1 2 3 控制 NaOH KOH或氨水 一级 孢子数达108 109个 mL 二级 12 14 干重 1 10 1 40g dL 通气不足或过量都会影响产率 碳源 氮源 金属离子 消泡剂等 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 2020 1 21 30 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 2020 1 21 31 2020 1 21 32 2020 1 21 33 2020 1 21 34 2020 1 21 35 2020 1 21 36 2020 1 21 37 2020 1 21 38 2020 1 21 39 2020 1 21 40 2020 1 21 41 2020 1 21 42 2020 1 21 43 2020 1 21 44 2020 1 21 45 2020 1 21 46 2020 1 21 47 2020 1 21 48 2020 1 21 49 2020 1 21 50 2020 1 21 51 2020 1 21 52 2020 1 21 53 2020 1 21 54 2020 1 21 55 2020 1 21 56 2020 1 21 57 2020 1 21 58 2020 1 21 59 2020 1 21 69 第五节衣康酸提取工艺 适合于含杂质较多发酵液的提取 要求发酵液质量较好杂质含量少 2020 1 21 72 第六节衣康酸化学合成 2020 1 21 73 1 柠檬酸合成法美国Pfizer公司以柠檬酸为原料 在480 汽化 喷雾进料 以负载的磷酸盐为催化剂 在