生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)丙烯酰胺的研究進(jìn)展

莊賢軍

（浙江鑫甬生物化工股份有限公司，浙江寧波315204）

生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)丙烯酰胺的研究進(jìn)展

莊賢軍

（浙江鑫甬生物化工股份有限公司，浙江寧波315204）

丙烯酰胺是一種精細(xì)化的化工產(chǎn)品，是生產(chǎn)聚丙烯酰胺的單體。聚丙烯酰胺的用途非常廣泛，在水處理、采油、造紙、紡織等多個行業(yè)都有應(yīng)用，號稱“百業(yè)助劑”。生物轉(zhuǎn)化法與化學(xué)法相比有許多優(yōu)點(diǎn)，為了更好地推動丙烯酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)，本文詳細(xì)分析生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)丙烯酰胺的研究進(jìn)展。

生物轉(zhuǎn)化法；丙烯酰胺；生產(chǎn)；研究進(jìn)展

丙烯酰胺是一種應(yīng)用途徑非常廣泛的有機(jī)化工產(chǎn)品，其主要途徑有以下幾方面：①生產(chǎn)以聚丙烯酰胺類共聚物為主的水溶性聚合物，是丙烯酰胺單體的主要應(yīng)用途徑，當(dāng)前我國90%以上的丙烯酰胺用于生產(chǎn)聚丙烯酰胺；②少部分用于合成親油性聚合物形成透水的親水中心；③還有少部分用于制作乙烯基聚合物的交聯(lián)劑[1]。由于聚丙烯酰胺在許多領(lǐng)域的市場潛力日趨凸顯，尤其是近年來國家對環(huán)保事業(yè)的加大關(guān)注，丙烯酰胺單體的需求量進(jìn)一步增大，也提高了探討微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺研究進(jìn)展的必要性。

1 丙烯酰胺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1954年，美國首次研發(fā)了關(guān)于丙烯酰胺的生產(chǎn)技術(shù)，采用硫酸水合法的生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)了丙烯酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)。之后丙烯酰胺單體的生產(chǎn)技術(shù)有2次飛躍，第一次是在20世紀(jì)70年代，將銅催化法應(yīng)用在丙烯酰胺的生產(chǎn)當(dāng)中；第二次是在20世紀(jì)80年代，基本實(shí)現(xiàn)了微生物轉(zhuǎn)化法的工業(yè)生產(chǎn)[2]。對于生物轉(zhuǎn)化法而言，其具備非常多的優(yōu)勢，因?yàn)槊傅膶Ｒ恍詮?qiáng)，單體副反應(yīng)少、純度高、活性強(qiáng)，適合生產(chǎn)超高分子量聚丙烯酰胺，在國內(nèi)外備受研究者與工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。

1984年開始研究關(guān)于生物轉(zhuǎn)化法的丙烯酰胺生產(chǎn)技術(shù)，并通過十多年的研究，最終上海農(nóng)科所沈寅初等在1994年江蘇省相關(guān)技術(shù)中心，建立了國內(nèi)第一套1 000t/a微生物轉(zhuǎn)化丙烯酰胺實(shí)驗(yàn)裝置[3]。通過相應(yīng)鑒定，該項(xiàng)目工藝技術(shù)與各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)屬于國際前列。

2 生物轉(zhuǎn)化法在丙烯酰胺生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生產(chǎn)特點(diǎn)

生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)工藝中，因?yàn)闆]有使用銅催化劑，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高，丙烯腈殘留幾乎為零，所以無需丙烯腈和銅的回收分離工序。該工藝具備多個方面的優(yōu)勢：①在反應(yīng)過程中對溫度的要求不高，可以在常溫、常壓下進(jìn)行，生產(chǎn)安全性較高；②反應(yīng)轉(zhuǎn)換的效率較高，不需要任何回收反應(yīng)的原料；③酶的選擇性比較高，不存在副作用，產(chǎn)品的純度較高；④生產(chǎn)工藝簡單、快捷，資源投入較少，能源使用量較少[1]。

腈水合酶的活性和耐受性是生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)丙烯酰胺的核心技術(shù)。因?yàn)樗戏磻?yīng)底物丙烯腈和產(chǎn)物丙烯酰胺都有毒性，考慮到細(xì)胞對毒性的耐受性、酶易失活的特點(diǎn)以及固定化生產(chǎn)成本，生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)技術(shù)的研究已從原來固定化細(xì)胞技術(shù)轉(zhuǎn)化為游離細(xì)胞直接催化反應(yīng)，當(dāng)前生產(chǎn)工藝是種子→發(fā)酵→離心分離菌體→微濾膜清洗菌體→分批投入水合釜反應(yīng)→超濾膜過濾分離細(xì)胞和濾液→細(xì)胞重新回到水合釜繼續(xù)下一批反應(yīng)?？紤]到腈水合酶的底物和產(chǎn)物毒性耐受性，目前一般固定化細(xì)胞反應(yīng)工藝和游離細(xì)胞反應(yīng)工藝都在酶使用5批次后淘汰更換，所以對腈水合酶菌種的活化、復(fù)壯和菌種改良十分重要，如何提高酶的活性和對毒性的耐受性是研究的重中之重[4]。從技術(shù)角度來看，也可應(yīng)用固定化連續(xù)反應(yīng)器把丙烯腈不斷通過固定化細(xì)胞的反應(yīng)柱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)[5]。

2.2 腈水合酶的研究進(jìn)展

目前工業(yè)上生產(chǎn)腈水合酶應(yīng)用最多的是紅球菌和諾卡氏菌，腈水合酶生產(chǎn)流程主要為：搖瓶種子、種子罐、一級發(fā)酵罐、二級發(fā)酵罐、離心機(jī)、微濾膜清洗至菌體備用。隨著丙烯酰胺需求量的不斷提高，國內(nèi)許多學(xué)者開展了腈水合酶生成菌的分離選育、菌株特性、極端耐受性馴化、基因改造、影響酶的生成因素、酶的最佳反應(yīng)條件、提高毒性耐受性、降低反應(yīng)副產(chǎn)物以及提高產(chǎn)品純度等方面的研究工作。清華大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、河南大學(xué)、遼寧石油化工大學(xué)等多家大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的科研人員對腈水合酶菌種、發(fā)酵條件、腈水合酶催化反應(yīng)動力學(xué)和失活動力學(xué)進(jìn)行了相應(yīng)研究，研究了生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)丙烯酰胺過程中腈水合酶的抑制和失活，對腈水合酶的催化活性和耐受性的提高有積極作用[6]。清華大學(xué)還對原始菌種進(jìn)行了基因工程改造，通過剔除副產(chǎn)酶腈水解酶的基因，提高腈水合酶酶純度，減少水合反應(yīng)副產(chǎn)物丙烯酸，達(dá)到了降低生產(chǎn)消耗和成本的目的[7]。

近些年，國外許多學(xué)者對于腈水合酶的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等均進(jìn)行了相應(yīng)的深入探討，同時揭示了關(guān)于腈水合酶的結(jié)構(gòu)特征，這些研究為以后的菌株改良提供了新的方向。研究發(fā)現(xiàn)不同菌株的腈水合酶具有共通性，酶的活性部位都需要螯合金屬離子作為輔助因子，這對酶活性形成十分關(guān)鍵，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)酵過程金屬鈷離子的用量對酶活性高低有重大影響，鈷離子用量不足，酶活必然偏低甚至?xí)霈F(xiàn)不產(chǎn)酶活的情況，但鈷用量太大也會造成鈷中毒，控制鈷用量很關(guān)鍵[8]。

3 生物法生產(chǎn)丙烯酰胺的未來研究方向

在實(shí)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化法的工業(yè)生產(chǎn)之后，丙烯酰胺生產(chǎn)技術(shù)有了顯著的發(fā)展和進(jìn)步，但是仍然存在著一些問題，如因?yàn)榈孜锖彤a(chǎn)物毒性，生產(chǎn)中一直存在酶易失活、壽命較短、處理困難、重復(fù)利用次數(shù)少以及雜酶產(chǎn)生副產(chǎn)物丙烯酸等缺陷。同時，水合過程產(chǎn)生的電導(dǎo)率會提高消耗和一系列的成本。關(guān)于酶的研究雖然在特性、結(jié)構(gòu)及功能方面有了明顯的創(chuàng)新，但是仍然有許多的研究工作有待進(jìn)行，主要包括如何提高酶活性、菌種改良和基因改造，發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵條件優(yōu)化，提高酶對底物和產(chǎn)物的耐受性，如何實(shí)現(xiàn)水合反應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)等問題，這些研究成果必然有利于提高丙烯酰胺生產(chǎn)技術(shù)水平，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。此外，還需要對腈水合酶的催化反應(yīng)給予動力學(xué)的優(yōu)化改進(jìn)，從而提升整體的水合效率，并減少副產(chǎn)物的形成和影響[9]。

酶催化反應(yīng)和普通的化學(xué)催化反應(yīng)相比，酶的催化效果顯著超過常見的催化劑，同時反應(yīng)條件也相對較為溫和，具備較為明顯的選擇性，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，在丙烯酰胺的工業(yè)生產(chǎn)中最突出還是腈水合酶耐受性問題，酶的使用次數(shù)普遍都是5次，反應(yīng)時間一般為4～5h，反應(yīng)過程和水合濾液出料過程都會產(chǎn)生雜質(zhì)，造成濾液電導(dǎo)率升高，影響轉(zhuǎn)化率，大大提高后續(xù)離子交換工藝的生產(chǎn)成本。此外，還需要深入探討腈水合酶的基因調(diào)控原理及酶反應(yīng)的控制原理，可以借助基因工程技術(shù)對腈水合酶進(jìn)行改造和優(yōu)化，剔除產(chǎn)生副酶的基因，提高腈水合酶活性和酶純度，減少副酶產(chǎn)生量。同時，通過腈水合酶催化反應(yīng)動力學(xué)研究進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)控制條件，達(dá)到縮短反應(yīng)時間、增加酶使用次數(shù)的目的，從而更加顯著地挖掘腈水合酶在丙烯酰胺工業(yè)生產(chǎn)中的價值和作用[10]。

此外，膜過濾問題也是未來需要著重研究的部分，發(fā)酵和水合過程分別使用了微濾膜和超濾膜，膜問題主要是膜管堵塞、膜通量下降、膜絲強(qiáng)度不夠容易斷裂等幾個方面。酶發(fā)酵結(jié)束以后，通過微濾膜清洗發(fā)酵液中的雜質(zhì)，存在膜通量不夠和堵膜問題，導(dǎo)致菌體清洗速度和清洗效果降低，影響酶活性，清洗效果不好會使發(fā)酵液中的雜質(zhì)帶入水合反應(yīng)，膜絲漏則會造成菌體損失。游離細(xì)胞水合工藝中，主要用超濾膜分離反應(yīng)液和細(xì)胞，同樣存在膜通量下降和膜絲漏的問題，并且超濾膜出料速度對濾液的電導(dǎo)率影響很大，堵膜會造成出料時間大幅延長，電導(dǎo)率大幅升高，對后續(xù)工序影響巨大。超濾膜漏則會造成濾液不清，雜質(zhì)增加。如何采用新的膜材料和膜工藝，提高膜性能，探索膜再生工藝，加快膜分離速度是未來需要研究的一大技術(shù)難題。

4 結(jié)語

應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)丙烯酰胺技術(shù)以來，各個方面的生產(chǎn)優(yōu)勢越發(fā)明顯，其整體生產(chǎn)效益也在不斷提高。對此，需要進(jìn)一步研究生物轉(zhuǎn)化法在丙烯酰胺生產(chǎn)中的相關(guān)技術(shù)與方法，不斷提高我國丙烯酰胺工廠生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，推動丙烯酰胺和下游各個行業(yè)的發(fā)展。

[1]秦嬌.微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺的研究進(jìn)展[J].山東化工,2005,34(1):24-26.

[2]?；萋?lián),常萬葉.微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺技術(shù)[J].煤炭與化工,1999,22(2):34-36.

[3]沈寅初,張國凡,韓建生.微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺[J].工業(yè)微生物,1994,24(2):24-32.

[4]馬武生,馬同森,楊生玉.腈水合酶及其在丙烯酰胺生產(chǎn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究,2004,15(1):75-79.

[5]劉舒,沈旭豐,孫先鋒.腈水合酶催化反應(yīng)條件的研究[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報,2012,25(1):83-87.

[6]陳跖,孫旭東,史悅,等.微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺的研究(II)——腈水合酶催化反應(yīng)動力學(xué)與失活動力學(xué)[J].生物工程學(xué)報,2002,18(2):225-230.

[7]陳跖,孫旭東,史悅,等.微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺的研究(Ⅰ)——腈水合酶產(chǎn)生菌株的培養(yǎng)和高活力的表達(dá)[J].生物工程學(xué)報,2002,18(1):55-58.

[8]劉銘,焦鵬,曹竹安.微生物法生產(chǎn)丙烯酰胺的生物催化劑——腈水合酶研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報,2001,52(10):847-852.

[9]高毅,劉銘,曹竹安.生物法生產(chǎn)丙烯酰胺過程中腈水合酶的抑制和失活[J].過程工程學(xué)報,2005,5(2):193-196.

[10]馬武生,馬同森,楊生玉.丙烯腈水合酶催化動力學(xué)及失活動力學(xué)研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院報自然科學(xué)版,2004,19(1):56-59.

Advances in Bioconversion of Acrylamide

Zhuang Xian-jun
(Zhejiang Xinyong Biological Chemical Co.,Ltd.,Zhejiang Ningbo 315204)

Acrylamide is a kind of elaborative chemical product,which is the monomer to produce polyacrylamide.Polyacrylamide is called "extensive auxiliaries",has a very wide range of application,including water treatment,oil exploitation,paper making and textile,etc.Compared with chemical method,bioconversion has many advantages.In order to better promoting the industrialization of acrylamide,the research progress of bioconversion of acrylamide was expounded in detail.

Bioconversion;Acrylamide;Production;Advances

TQ225.261

A

2096-0387（2017）03-088-03

莊賢軍（1968-），男，浙江寧波人，本科，工程師，研究方向：微生物法丙烯酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)和研究。