戊二胺生物工業(yè)合成技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展意義

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1 性質(zhì)及用途

1.1 性質(zhì)

戊二胺分子式為NH2(CH2)5NH2，具有一定的毒性，是生物胺類(包括腐胺、精胺、亞精胺等)中的一種，常溫下為透明無色漿狀液體，帶有一種惡臭，是尸臭的主要味道之一，在空氣中發(fā)煙，能形成二水合物[1]。戊二胺也被命名為1,5-二氨基戊烷、五亞甲基二胺或尸胺、尸毒素。戊二胺是賴氨酸在脫羧酶的作用下脫羧的產(chǎn)物，不僅可在動物身體組織腐爛時由蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生，生物活體在生命代謝中也會產(chǎn)生少量的1，5-戊二胺。

細胞內(nèi)的戊二胺是脫羧酶催化賴氨酸產(chǎn)生的，是賴氨酸的延伸產(chǎn)物。戊二胺具有許多重要的生理功能：①在關(guān)閉孔蛋白通道和保護大腸桿菌方面有重要的作用；②可調(diào)節(jié)微生物細胞鐵離子濃度；③一些嚴格厭氧的革蘭氏陰性菌肽聚糖的主要成分；④細胞內(nèi)高濃度戊二胺積累可抑制頭孢霉素類抗生素的作用。

戊二胺物性數(shù)據(jù)如下：熔點9 ℃，沸點178～180 ℃，閃點(開杯)62.78 ℃，蒸氣壓(25 ℃)6.57×10-6，折光率1.458，密度(25 ℃)0.873 kg/L。

1.2 用途

戊二胺在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛。在農(nóng)業(yè)上，戊二胺可以提高坐果并促進發(fā)育，大幅提高果實產(chǎn)量；在醫(yī)學(xué)上，戊二胺可用于治療痢疾；在工業(yè)上，戊二胺可以替代己二胺與二元酸進行聚合反應(yīng)，合成優(yōu)質(zhì)高分子聚酰胺產(chǎn)品，一種新型尼龍。

2 發(fā)展生物合成戊二胺的意義

①全球每年消耗約需3 000萬t聚酰胺產(chǎn)品，而且市場需求量呈逐年上漲的趨勢。目前使用較為廣泛的聚酰胺產(chǎn)品是聚酰胺PA66和聚酰胺PA6，約占全球聚酰胺產(chǎn)品消費總量的90%[2]。聚酰胺PA66是由己二胺和己二酸聚合的產(chǎn)物，開發(fā)最早、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大，被廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、航空航天等領(lǐng)域[1]。目前，原料己二酸可利用生物技術(shù)催化合成，但是己二胺依賴于石油化工合成。隨著石油資源的日漸枯竭及環(huán)境污染日益嚴重，急需一種能實現(xiàn)資源可持續(xù)利用、綠色環(huán)保的生物合成技術(shù)，來替代己二胺生產(chǎn)高分子聚合物單體。

②戊二胺與己二胺互為同系物，替代己二胺與己二酸聚合形成新型聚酰胺材料PA56；與聚酰胺PA66相比，同樣具有較高的熔點、良好的機械強度和耐受各種有機溶劑的優(yōu)良特性，經(jīng)處理后得到的纖維具有同樣的染色性和耐磨性。戊二胺與癸二酸聚合形成新型聚酰胺材料PA510，具有高熔點、低吸水率、低密度等優(yōu)點，其性能與聚酰胺PA66相似。

③未來應(yīng)用生物技術(shù)合成的戊二胺將具有五大優(yōu)勢：生物基材料的新概念，生產(chǎn)不再使用石油原料，而是采用可再生原料；尼龍56材料性能高，市場巨大；替代國際進口的己二胺，促進中國尼龍產(chǎn)品擺脫進口限制(包括軍用材料)；與傳統(tǒng)的己二胺相比，戊二胺具有巨大的成本優(yōu)勢；可實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用，具有綠色環(huán)保、污染少等優(yōu)點。

由于己二酸、琥珀酸可以通過微生物合成，因此，作為聚酰胺重要的組成單體，生物法合成戊二胺成為合成新型聚酰胺材料的一個關(guān)鍵問題，具有經(jīng)濟學(xué)和生態(tài)學(xué)雙重意義。

3 國內(nèi)生物合成戊二胺技術(shù)現(xiàn)狀

中國科學(xué)院微生物研究所開展的戊二胺小試和中試研究，開發(fā)了以賴氨酸為原料生物合成戊二胺的全套生產(chǎn)技術(shù)，突破和掌握了一種新型尼龍單體的多項關(guān)鍵核心技術(shù)，已建有年產(chǎn)2萬t的工業(yè)化裝置。中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研發(fā)完成了從葡萄糖生產(chǎn)戊二胺完整的工藝包，已經(jīng)在其產(chǎn)業(yè)基地完成了中試放大。該成果已申請4項中國發(fā)明專利，一項專利在中國、美國、日本、歐洲、加拿大布局，并已經(jīng)獲得中國、日本和美國專利局授權(quán)[2]。其他處于實驗室階段的生物法合成戊二胺技術(shù)，因戊二胺的合成量達不到實際生產(chǎn)要求，還需要深入研究提高谷氨酸棒狀桿菌和大腸桿菌對戊二胺的耐受性。

4 結(jié)束語

1，5-戊二胺生物合成必將充分體現(xiàn)出環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益，為了實現(xiàn)戊二胺生物合成工業(yè)化，需要構(gòu)建合理的代謝模型及計算模型，進一步分析研究微生物中戊二胺代謝途徑、代謝分配及關(guān)鍵酶等控制因素，通過促進戊二胺合成、抑制旁路代謝等途徑，培育具有產(chǎn)業(yè)化前景的基因工程菌[3]。

以戊二胺為原料與不同二元酸聚合生成新型尼龍5X，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)將解決國內(nèi)賴氨酸產(chǎn)能過剩的問題，形成以生物發(fā)酵產(chǎn)品為源頭尼龍制造新型產(chǎn)業(yè)鏈，調(diào)整優(yōu)化生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；同時將改善現(xiàn)有己二胺技術(shù)壟斷的局面，實現(xiàn)國內(nèi)尼龍行業(yè)生產(chǎn)的重大突破。