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1、引用】二羟基丙酮生产研究进展2011-03-13 22:24:06|分类：默认分类|标签：|字号大中小订阅本文引用自云中鹤一羟基丙酮牛产研究进展二羟基丙酮或1,3-二羟基丙酮，英文名为1,3-dihydroxyaeetone或dihydroxyacetone,简写为DHA, 是最简单的三碳酮糖，外观是白色或类白色粉末状结晶，具有甜、凉的味道，易吸湿并分解。一般状态下 是二聚体(1,4-Dioxane)的结晶，能缓慢地溶于1份水中或15份乙醇中，微溶于乙醚，但经溶解或加热则 变为单体，其单体易溶于水、乙醇、丙酮和乙醚等有机溶剂，熔点为7580C，水溶性250gL-1(20C), 在 pH 为 6
2、.0 时稳定，是一种重要的化工、牛化原料，医药、农药合成中间体和多功能食品添加剂，用途 十分广泛。国内有关DHA的报道很少，其生产目前还是一片空白，而国外DHA已得到了广泛的实际应用。1 工业牛产方法二羟基丙酮的工业生产方法目前是利用微生物分批发酵。该法是在菌体生长到适当的时期，利用菌体产生的脱氢酶以甘油为底物进行脱氢反应，产生DHA。用于生产DHA的微生物主要是醋酸杆菌属(Acetobacter )和葡萄糖杆菌属(Gluconobacter)微生物，尤其是弱氧化醋酸杆菌(Acetobacter Suboxy-dans)和氧化葡萄糖杆菌(Gluoonobacter Oxydans)。菌种在复苏
3、后先进行预培养，然后转发酵罐扩大培养，待菌种达到一定浓度后，接种到含有甘油的发酵培养基当中，经过60-80h的耗氧发酵后，再将发酵液一次放出，经分离纯化得到DHA。每一个分批发酵过程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。目前已有采用流加甘油方法，在菌体生长到对数期时，并在产物DHA达到一定水平(80-120gL-1)后，放出部分产物，并补加原料和培养基，这样就可以减少达到生产水平的生物量的时间，提高底物甘油的利用率，节约成本。分批发酵的特点是微生物所处的环境是不断变化的，发生杂菌污染，能够很容易终止操作。在发酵 生产中，使用的菌种处于对数生长期，把它们接种到发酵罐新鲜培养
4、基时，几乎不出现调整期，这样可在 短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。但该法的主要问题是底物甘油和产物DHA在培 养基中的浓度过高时(积累达到或超过80-120gL-1)，产生了高渗透压，使得发酵菌体裂解、失活，从而导 致DHA的产率难以提高。2 新技术研究进展2.1 催化氧化法甘油结构上有伯位和仲位2种羟基官能团，在一定条件及催化剂作用下容易被氧化，但不同催化剂以及不同反应条件对于伯位和仲位上的羟基的氧化选择性也不同。甘油氧化可按照2种路径进行：一种是氧化端位的伯羟基，生成甘油醛；另一种是氧化中间的仲羟基，生成DHA。在氧化过程中，可产生一系列的副产物，如甘油酸、丙醇二酸、丙
5、酮二酸等。可利用贵金属制备不同的金属催化剂，选择性的氧化甘油从而得到所需要的目标产物，该法经历了 2个发展阶段。2.1.1 单元贵金属催化剂开始采用的是单元贵金属催化剂(例如钯、铂)，以活性碳为载体，空气氧为氧化剂进行氧化，但反应必须严格控制体系的pH值为酸性(pH为24)，才能得到最大的产率。当采用Pd/C催化剂时，大多生成甘油伯位羟基氧化的产物，如甘油酸、丙醇二酸，而对甘油仲位羟基的氧化选择性效果较差，催化剂活性较弱，产品收率仅4%(质量分数)。使用Pt/C催化剂，虽然具有较强的催化能力，但Pt对仲位羟基的氧化选择性也不高，如在37%的甘油转化率下，DHA的选择性也只有10%左右。2.1.
6、2 双元催化剂第二阶段采用的是双元催化剂(例如Bi-Pt/C)。研究表明Pt如果与带P电子的金属，尤其是第四 主族(Pb)与第五主族(Bi)的共同作用，则对仲位羟基的氧化选择性会大大提高。如Kimura等公布的一项研 究结果表明，当催化剂是1%Bi-5%Pt/C时，一批反应中DHA的产率为20%，当催化剂是0.6%Bi-3%Pt/C 时，在一个混合床反应器中，甘油转化率为40%, DHA的产率为25%。Kimura等人随后又报道了以Bi-Pt 硼粒炭作催化剂，采用固定床反应器，进行连续式操作反应，产品的选择性突增至80%，DHA的产率可以 达到32%。而Gallezot等人同样选用Bi-Pt体
7、系，但保持酸碱性恒定，在60C和pH=2时，甘油转化率达 到了 60%，DHA的选择性达到50%。这可能是由于Bi原子吸附的氧在催化剂表面形成Pt-Bi-OH物种， 这种吸附态充当另一种活性中心，从而催化氧化吸附于Pt上的甘油分子，除了能提高氧化反应的速度，还 能改善反应的选择性。此外，Bi的促进作用也降低了醇氧化过程中催化剂的还原电势，阻止产物DHA的 进一步氧化。Demirel等人最近报道了采用Au-Pt/C作催化剂，在常压下以分子氧作氧化剂，并且使反应在恒定的pH值下进行(pH=12),当采用0.8%Au-0.2%Pt时，甘油的转化率为50%,DHA的选择性已从26%(Au/C)增加到3
8、6%。Rosaria等人则采用电催化氧化甘油制DHA，其产率最高可达35%，开辟了一条新的甘油催化氧化路径。而我国的谢艳丽，赵振东等合成了一系列贵金属多元催化剂，采用催化剂5%Bi-9%Pt/C可以有效地将甘油催化氧化成DHA，反应温度为55C，反应时间为50h时，甘油全部转化，DHA的产率为50.05%，这可能是目前报道的甘油催化氧化制备DHA的最高产率。甘油催化氧化法是一条经济、绿色的制备DHA的工艺路线。但是，目前这个反应的产率还不是很高，反应结束后体系中尚余大量未转化的甘油，因此从甘油的部分氧化产物中分离纯化DHA比较麻烦，还有待进一步研究。2.2微生物转化法自从1848-1849年B
9、ertrand发现某些微生物能将甘油转化为DHA并鉴定该微生物为醋酸杆菌后，醋酸杆菌中甘油的代谢途径及微生物法生产DHA就开始被研究。现在已知的制备DHA的方法是醋酸杆菌生长细胞在完全培养基中批次发酵转化甘油生成DHA，但是因底物和产物的反馈抑制作用导致产率还不高。因此微生物转化生产DHA水平的提高，还要依赖于菌种选育和发酵工艺(培养基和培养条件)的优化、改进培养方式、连续培养等都是获得高产过程的重要手段。2.2.1 选育高活性的菌种微生物转化甘油生产DHA的机理是利用微生物代谢产生的甘油脱氢酶，使甘油分子结构仲位上的羟基进行脱氢反应而生成DHA，因此凡是能够利用甘油，并且具有相应的甘油脱氢酶
10、系的微生物，都可以转化甘油生产DHA。目前国外已经从多种微生物中提取出甘油脱氢酶，并对其进行了深入的研究，在我国也已成为可能。华东理工大学魏东芝等构建了一种全新的基因工程菌，该菌株为用重组基因工程质粒pET-gdh和 pET-ndh转化的大肠杆菌，开辟了利用基因工程菌生产DHA的先例。利用该工程菌生产DHA，提高了 DHA 的转化率，同时收集到的菌体经处理后可循环利用，降低了生产成本，缩短了发酵时间。浙江工业大学的 郑裕国等人在生物法DHA的研究中，已筛选到新的能产生甘油脱氢酶的微生物菌株，如葡萄牙棒抱酵母(Clavispora lusitani-ae)、膜醭毕赤酵母(Pichia membr
11、anifaciens)、地衣芽抱杆菌 B-05571(Bacilluslicheniformis B-05571)。利用这种微生物生产DHA，在较佳工艺条件下，甘油的转化率最高可达90%，DHA平均浓度达到5080gL1以上，提取率达到80%以上，并申请了国家发明专利，已完成多批次50100L生物反应器实验，现正进行2060t发酵罐的产业化前期试验。2.2.2 改进培养方式传统的生长细胞发酵生产DHA虽有较高的转化率，但发酵产品中水溶性的杂质很多，如培养基的营养成分、细胞的代谢副产物等，导致其后的提取工艺比较麻烦，因为DHA只有在很纯的水溶液中才能结晶出来，因此改进培养方式如静息细胞法或固定化
12、细胞法生产DHA具有重要意义。Juraj等人采用静息细胞法研究发现，用甘油作为底物转化的最适温度为30C,随着温度的升高 酶的活性下降，最适pH为5.5-6.0。甘油的浓度为1.5 molL-1时，加入适量的菌体(6 mgmL-1)，可以将 甘油完全转化为DHA。冯屏、周家春等人利用弱氧化醋酸杆菌静止细胞发酵甘油制备DHA，改变培养条 件，结果表明，处于非生长期的弱氧化醋酸杆菌在相当一段时间内表现出稳定的高氧化活性，DHA转化周 期缩短，获得了较高产率。其优化培养条件为：甘油浓度60-90 gL-1，pH6.5,种龄40h,接种量2.0gL1(以 干细胞计)，摇床转速200rmin-1。甘油转
13、化率为94%，转化时间4-6h，体积产率为14.1g(Lh)-1。Wei等人对固定化细胞法生产DHA进行了研究，结果表明，用聚丙酰胺固定化细胞比卡拉胶固定化细胞取得的效果好。固定化细胞相对于非固定化细胞生产时，可以容耐较宽的pH值范围，固定化细胞的最适pH值为4.0-5.5，而没有固定化的细胞的最适pH值为5.5。固定化细胞对温度更为稳定，固定化培养温度以35C为宜，用来生产DHA的最佳甘油浓度为0.3-0.5molL-1。2.2.3 连续培养法在分批发酵生产过程中，高浓度的甘油和随之产生较高浓度的DHA对脱氢酶的抑制作用，造成氧化活性的下降，对生物转化有一定的影响，不仅转化率下降，且不利于D
14、HA的分离提取。为了提高甘油的转化率而采用连续培养的方法。Nobuhiko等人对多阶反应器连续生产DHA进行了研究，第一阶反应器用于细胞增殖，第二阶反 应器用于酶反应或氧化反应，第三阶反应器用于产物的分离。结果表明，利用多阶反应器生产DHA，可分 别创造适合微生物细胞生长及产物生成的良好环境，避免了高浓度底物、高浓度DHA对细胞生长及甘油到 DHA转化过程的抑制作用，实现了细胞的充分增殖与产物的生成，可以得到稳定的DHA产率。我国的冯屏、周家春等利用膜生物反应器(MBR)连续培养发酵制取DHA，通过膜的选择性滤过作 用，及时引出产物，可在有效地实现生物反应的同时，进行产物的分离，避免了产物DH
15、A在菌体细胞周围 的高浓度积累，消除了产物对菌体的抑制，获得较高的催化稳定性，大大简化了后续分离纯化过程。研究 结果表明，连续发酵制取DHA的最适条件为甘油浓度60gL，玉米浆和蛋白水解液浓度为0.5 gL-1,稀 释率为0.067h-1，其体积产率较分批发酵提高2-3倍，连续发酵时间可达到400h。微生物转化法生产DHA具有专一性强、反应条件温和、底物利用率高、转化率高和副产物少等优点，而且微生物发酵制备的DHA还可应用于食品和医药工业等领域，该技术日趋成熟。从技术的经济性和环境的友好性角度来看，该法更具有经济效益和社会效益。2.3 甲醛缩合法甲醛缩合法是指在含有含氮杂环化合物的盐和质子接受
16、体的缩合催化剂体系存在下，于基本上无水的液体反应介质中进行甲醛的自缩合反应，生成DHA或其二聚物或低聚物。适宜的含氮杂环化合物的盐为噻唑铺盐或咪唑锚盐，以脂肪族、芳香族或杂环噻唑锚盐为佳。这类盐具体指卤化物，尤其是溴化物和碘化物盐；质子接受体包括胺类、含有碱性氧原子的化合物和金属醇盐。该二者以缩合催化剂体系的活性和与DHA易于分离为最佳组合效果。2.3.1 早期研究自从1861年Butlerow首次报道甲醛在碱存在下可生成糖类及其同系物(亦称聚糖反应)以来，人们不 断探索提高目的产物的选择性，但是研究进展缓慢。Niitsu等人曾以Ca(OH)2为催化剂进行甲醛水溶液的 聚糖反应，发现产物中主要是C2C7的直链糖和支链糖，
