生物转化法生产丙烯酰胺的研究进展

庄贤军

（浙江鑫甬生物化工股份有限公司，浙江宁波315204）

生物转化法生产丙烯酰胺的研究进展

庄贤军

（浙江鑫甬生物化工股份有限公司，浙江宁波315204）

丙烯酰胺是一种精细化的化工产品，是生产聚丙烯酰胺的单体。聚丙烯酰胺的用途非常广泛，在水处理、采油、造纸、纺织等多个行业都有应用，号称“百业助剂”。生物转化法与化学法相比有许多优点，为了更好地推动丙烯酰胺的工业化生产，本文详细分析生物转化法生产丙烯酰胺的研究进展。

生物转化法；丙烯酰胺；生产；研究进展

丙烯酰胺是一种应用途径非常广泛的有机化工产品，其主要途径有以下几方面：①生产以聚丙烯酰胺类共聚物为主的水溶性聚合物，是丙烯酰胺单体的主要应用途径，当前我国90%以上的丙烯酰胺用于生产聚丙烯酰胺；②少部分用于合成亲油性聚合物形成透水的亲水中心；③还有少部分用于制作乙烯基聚合物的交联剂[1]。由于聚丙烯酰胺在许多领域的市场潜力日趋凸显，尤其是近年来国家对环保事业的加大关注，丙烯酰胺单体的需求量进一步增大，也提高了探讨微生物法生产丙烯酰胺研究进展的必要性。

1 丙烯酰胺国内外研究现状

1954年，美国首次研发了关于丙烯酰胺的生产技术，采用硫酸水合法的生产方式实现了丙烯酰胺的工业化生产。之后丙烯酰胺单体的生产技术有2次飞跃，第一次是在20世纪70年代，将铜催化法应用在丙烯酰胺的生产当中；第二次是在20世纪80年代，基本实现了微生物转化法的工业生产[2]。对于生物转化法而言，其具备非常多的优势，因为酶的专一性强，单体副反应少、纯度高、活性强，适合生产超高分子量聚丙烯酰胺，在国内外备受研究者与工业领域的关注。

1984年开始研究关于生物转化法的丙烯酰胺生产技术，并通过十多年的研究，最终上海农科所沈寅初等在1994年江苏省相关技术中心，建立了国内第一套1 000t/a微生物转化丙烯酰胺实验装置[3]。通过相应鉴定，该项目工艺技术与各项质量指标属于国际前列。

2 生物转化法在丙烯酰胺生产中的应用现状

2.1 生产特点

生物转化法生产工艺中，因为没有使用铜催化剂，反应转化率高，丙烯腈残留几乎为零，所以无需丙烯腈和铜的回收分离工序。该工艺具备多个方面的优势：①在反应过程中对温度的要求不高，可以在常温、常压下进行，生产安全性较高；②反应转换的效率较高，不需要任何回收反应的原料；③酶的选择性比较高，不存在副作用，产品的纯度较高；④生产工艺简单、快捷，资源投入较少，能源使用量较少[1]。

腈水合酶的活性和耐受性是生物转化法生产丙烯酰胺的核心技术。因为水合反应底物丙烯腈和产物丙烯酰胺都有毒性，考虑到细胞对毒性的耐受性、酶易失活的特点以及固定化生产成本，生物转化生产技术的研究已从原来固定化细胞技术转化为游离细胞直接催化反应，当前生产工艺是种子→发酵→离心分离菌体→微滤膜清洗菌体→分批投入水合釜反应→超滤膜过滤分离细胞和滤液→细胞重新回到水合釜继续下一批反应。考虑到腈水合酶的底物和产物毒性耐受性，目前一般固定化细胞反应工艺和游离细胞反应工艺都在酶使用5批次后淘汰更换，所以对腈水合酶菌种的活化、复壮和菌种改良十分重要，如何提高酶的活性和对毒性的耐受性是研究的重中之重[4]。从技术角度来看，也可应用固定化连续反应器把丙烯腈不断通过固定化细胞的反应柱，进而实现连续性生产[5]。

2.2 腈水合酶的研究进展

目前工业上生产腈水合酶应用最多的是红球菌和诺卡氏菌，腈水合酶生产流程主要为：摇瓶种子、种子罐、一级发酵罐、二级发酵罐、离心机、微滤膜清洗至菌体备用。随着丙烯酰胺需求量的不断提高，国内许多学者开展了腈水合酶生成菌的分离选育、菌株特性、极端耐受性驯化、基因改造、影响酶的生成因素、酶的最佳反应条件、提高毒性耐受性、降低反应副产物以及提高产品纯度等方面的研究工作。清华大学、浙江工业大学、河南大学、辽宁石油化工大学等多家大学和科研机构的科研人员对腈水合酶菌种、发酵条件、腈水合酶催化反应动力学和失活动力学进行了相应研究，研究了生物转化法生产丙烯酰胺过程中腈水合酶的抑制和失活，对腈水合酶的催化活性和耐受性的提高有积极作用[6]。清华大学还对原始菌种进行了基因工程改造，通过剔除副产酶腈水解酶的基因，提高腈水合酶酶纯度，减少水合反应副产物丙烯酸，达到了降低生产消耗和成本的目的[7]。

近些年，国外许多学者对于腈水合酶的性质、结构等均进行了相应的深入探讨，同时揭示了关于腈水合酶的结构特征，这些研究为以后的菌株改良提供了新的方向。研究发现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属离子作为辅助因子，这对酶活性形成十分关键，在实际生产中发酵过程金属钴离子的用量对酶活性高低有重大影响，钴离子用量不足，酶活必然偏低甚至会出现不产酶活的情况，但钴用量太大也会造成钴中毒，控制钴用量很关键[8]。

3 生物法生产丙烯酰胺的未来研究方向

在实现生物转化法的工业生产之后，丙烯酰胺生产技术有了显著的发展和进步，但是仍然存在着一些问题，如因为底物和产物毒性，生产中一直存在酶易失活、寿命较短、处理困难、重复利用次数少以及杂酶产生副产物丙烯酸等缺陷。同时，水合过程产生的电导率会提高消耗和一系列的成本。关于酶的研究虽然在特性、结构及功能方面有了明显的创新，但是仍然有许多的研究工作有待进行，主要包括如何提高酶活性、菌种改良和基因改造，发酵培养基和发酵条件优化，提高酶对底物和产物的耐受性，如何实现水合反应连续化生产等问题，这些研究成果必然有利于提高丙烯酰胺生产技术水平，进一步提升产品质量，降低生产成本。此外，还需要对腈水合酶的催化反应给予动力学的优化改进，从而提升整体的水合效率，并减少副产物的形成和影响[9]。

酶催化反应和普通的化学催化反应相比，酶的催化效果显著超过常见的催化剂，同时反应条件也相对较为温和，具备较为明显的选择性，具有明显的优点。当前，在丙烯酰胺的工业生产中最突出还是腈水合酶耐受性问题，酶的使用次数普遍都是5次，反应时间一般为4～5h，反应过程和水合滤液出料过程都会产生杂质，造成滤液电导率升高，影响转化率，大大提高后续离子交换工艺的生产成本。此外，还需要深入探讨腈水合酶的基因调控原理及酶反应的控制原理，可以借助基因工程技术对腈水合酶进行改造和优化，剔除产生副酶的基因，提高腈水合酶活性和酶纯度，减少副酶产生量。同时，通过腈水合酶催化反应动力学研究进一步优化反应控制条件，达到缩短反应时间、增加酶使用次数的目的，从而更加显著地挖掘腈水合酶在丙烯酰胺工业生产中的价值和作用[10]。

此外，膜过滤问题也是未来需要着重研究的部分，发酵和水合过程分别使用了微滤膜和超滤膜，膜问题主要是膜管堵塞、膜通量下降、膜丝强度不够容易断裂等几个方面。酶发酵结束以后，通过微滤膜清洗发酵液中的杂质，存在膜通量不够和堵膜问题，导致菌体清洗速度和清洗效果降低，影响酶活性，清洗效果不好会使发酵液中的杂质带入水合反应，膜丝漏则会造成菌体损失。游离细胞水合工艺中，主要用超滤膜分离反应液和细胞，同样存在膜通量下降和膜丝漏的问题，并且超滤膜出料速度对滤液的电导率影响很大，堵膜会造成出料时间大幅延长，电导率大幅升高，对后续工序影响巨大。超滤膜漏则会造成滤液不清，杂质增加。如何采用新的膜材料和膜工艺，提高膜性能，探索膜再生工艺，加快膜分离速度是未来需要研究的一大技术难题。

4 结语

应用生物转化法生产丙烯酰胺技术以来，各个方面的生产优势越发明显，其整体生产效益也在不断提高。对此，需要进一步研究生物转化法在丙烯酰胺生产中的相关技术与方法，不断提高我国丙烯酰胺工厂生产能力和技术水平，降低生产成本，提高产品质量，推动丙烯酰胺和下游各个行业的发展。

[1]秦娇.微生物法生产丙烯酰胺的研究进展[J].山东化工,2005,34(1):24-26.

[2]常惠联,常万叶.微生物法生产丙烯酰胺技术[J].煤炭与化工,1999,22(2):34-36.

[3]沈寅初,张国凡,韩建生.微生物法生产丙烯酰胺[J].工业微生物,1994,24(2):24-32.

[4]马武生,马同森,杨生玉.腈水合酶及其在丙烯酰胺生产中应用的研究进展[J].化学研究,2004,15(1):75-79.

[5]刘舒,沈旭丰,孙先锋.腈水合酶催化反应条件的研究[J].纺织高校基础科学学报,2012,25(1):83-87.

[6]陈跖,孙旭东,史悦,等.微生物法生产丙烯酰胺的研究(II)——腈水合酶催化反应动力学与失活动力学[J].生物工程学报,2002,18(2):225-230.

[7]陈跖,孙旭东,史悦,等.微生物法生产丙烯酰胺的研究(Ⅰ)——腈水合酶产生菌株的培养和高活力的表达[J].生物工程学报,2002,18(1):55-58.

[8]刘铭,焦鹏,曹竹安.微生物法生产丙烯酰胺的生物催化剂——腈水合酶研究进展[J].化工学报,2001,52(10):847-852.

[9]高毅,刘铭,曹竹安.生物法生产丙烯酰胺过程中腈水合酶的抑制和失活[J].过程工程学报,2005,5(2):193-196.

[10]马武生,马同森,杨生玉.丙烯腈水合酶催化动力学及失活动力学研究[J].郑州轻工业学院报自然科学版,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

庄贤军（1968-），男，浙江宁波人，本科，工程师，研究方向：微生物法丙烯酰胺的工业化生产和研究。