1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1 丁二酸

1.1.1 丁二酸的简介

丁二酸又称琥珀酸^[1]。分子式HOOCCH₂CH₂COOH。丁二酸除存在于琥珀外，还广泛存在于多种植物及人和动物的丁二酸组织中，例如未成熟的葡萄、甜菜和大黄，人的血液和肌肉，牛的脑、脾、甲状腺等。丁二酸是碳水化合物在体内新陈代谢的中间体。丁二酸为无色结晶；相对密度1.572(25/4℃)，熔点188℃，在235℃时分解；在减压下蒸馏可升华；能溶于水，微溶于乙醇、乙醚和丙酮中。

丁二酸是一种常见的天然有机酸，其作为三羧酸循环的中间产物以及厌氧代谢的终端还原产物，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中^[2]。丁二酸不仅可以用于化工、食品、医药等行业的添加剂，还可以作为C₄平台化合物用于合成1,4-丁二醇，四氢呋喃、γ-丁内酯等大宗化学品以及聚丁二酸丁二醇酯类生物可降解材料。生物法制备丁二酸由于利用可再生资源、固定温室气体CO₂等优点，近年来成为国内外研究的热点。

1.1.2 丁二酸的制备

丁二酸的制备方法： 工业制法较多，主要有以下几种：

1.氧化法，石蜡经深度氧化生成各种羧酸的混合物，再经过水蒸气蒸馏和结晶等分离步骤后可得丁二酸。

2.加氢法，顺丁烯二酸酐或反丁烯二酸在催化剂作用下加氢反应，生成丁二酸，然后经分离得到成品。催化剂为镍或贵金属，反应温度约为130-140℃。

3.丙烯酸羰基合成法，丙烯酸和一氧化碳在催化剂作用下，生成丁二酸。尚未工业化。

4.电解氧化法，苯酐与硫酸和水按1：0.5：4比例，在陶瓷电解槽中电解，可得丁二酸。电解法合成的原料为顺丁烯二酸或顺酐，阴、阳极液用稀硫酸，由阳离子膜隔开，阴、阳极一般均用铅板，通常用板框式电解槽合成。

5.乙炔法，乙炔与一氧化碳及水在[CO(CO)₄]催化剂存在下，于酸性介质中反应可得丁二酸，反应温度80-250℃，压力2.94-49.03MPa。

丁二酸的生产方法有化学合成法、生物转化法和微生物发酵法，目前国内外的研究热点是采用微生物发酵法来生产丁二酸，以减轻人们对石油等不可再生资源的依赖^[4]。随着生物工程技术的迅速发展和成熟,利用微生物发酵法大规模生产丁二酸已经引起各个国家的关注。但是得到一种经济上可行的丁二酸发酵生产方式是迫在眉睫的。而发酵制备丁二酸至关重要的是利用廉价的原料和营养成分来获得高产量以及高产物浓度。如利用微生物菌种 ,以农业产物玉米、木薯等为基本原料 ,不仅可以得到安全的食品医药级产品 ,同时还能为农产品的深加工及转化为高附加值产品提供一条可行的途径^[5]。

1.2 丁二酸生产方法概况

1.2.1 化学合成法

当前大部分的丁二酸都是通过化学法生产的，其中在工业生产上应用的方法主要有催化加氢法、石蜡氧化法、电化学合成法。将这三种方法总结如表1-1所示：

表1-1 化学法合成丁二酸的方法比较

Table 1-1 Comparison of succinic acid production by chemical methods

1.2.2 微生物发酵法

发酵法制备丁二酸是指以淀粉、葡萄糖等糖类或牛乳为原料，通过微生物发酵产生丁二酸。

丁二酸是植物、动物和微生物中常见的代谢物。微生物代谢产丁二酸主要有两方面的作用，其一是在分解代谢中，葡萄糖被转化为丁二酸的同时产生菌体生长所需要的能量，其二是在合成代谢中，丁二酸是其他生物大分子的合成前体，此外丁二酸还是三羧酸循环的中间代谢产物，在代谢过程中有损耗需要补充。丁二酸是许多种严格厌氧菌和兼性厌氧菌的主要发酵终产物。理论上，丁二酸发酵的总反应方程式为:

C6H₁₂O₆ CO₂ → 1 HCOO#8212;CH₂#8212;CH₂#8212;COOH 1 CH₃COOH HCOOH

虽然产丁二酸的微生物很多，但大部分丁二酸产生菌的产酸量很低。有机酸的大规模商业发酵，如柠檬酸、乳酸通常都是高浓度的发酵，大约最终的产品浓度在80-120g/L。所以丁二酸的发酵在很长的一段时间内都不为人们所重视。最近由MBI研制的发酵技术生产规模可以达到5,000吨/年，这样将售价降低到$2.20/kg，如果将来可以进一步加大生产规模，达到75,000吨/年，可将售价降低到$0.55/kg。由此可以看到丁二酸发酵有很好的工业应用前景。

1.2.3 丁二酸生产方法比较

化学合成法生产丁二酸会造成大量的污染，而且化学合成法的原料是不可再生的石油化工产品。与化学合成法相比发酵法有以下三点优势：

首先，发酵法的原料主要来自可再生资源如玉米、乳清等^[6,7]，它不仅能提供菌体生长所必须的碳水化合物而且能够提供廉价的氮源。除以玉米为原料以外，欧洲和美洲过剩的乳清产品也是生产丁二酸的良好碳源^[8]，不仅能够减轻废乳清的污染，还能够生产出高附加值的丁二酸，通过选育特定的菌株，还能够以垃圾或造纸等行业的废料为原料发酵生产丁二酸，这将消除很大的环境污染，而且实现了资源的循环利用。

其次，上述微生物发酵生产工艺若再配以回收新工艺，预计丁二酸的成本比传统的化学生产法成本将大幅度降低，这就使发酵法生产的丁二酸为大量生产化学制品提供可能，它可以作为很多重要的中间产物和专业化学制品。作为一种商品化的化学制品，因为丁二酸的环境友好特性，成本的降低会有利于该产品取代很多基于苯和石化中间产物的商品，这可减少在超过250种苯基化学制品的生产和消费过程中所产生的污染^[9]，并节约大量的能源，根据美国能源部的信息，丁二酸此项产品每年能够节约大约1.034#215;1016J的能源，这将大大缓解现今社会的能源大量短缺的现象，减少煤等不可再生资源的消耗，社会和环境效益显著。

第三，由于发酵法生产丁二酸是以可再生糖源(如葡萄糖)和CO₂作为主要原料，因此新工艺本身不仅摆脱了对石化原料的依赖，而且还开辟了温室气体CO₂利用的新途径^[10]。丁二酸发酵过程中吸收CO₂，理论上每生成l mol的丁二酸要消耗l mol的CO₂，从环保角度来看，丁二酸发酵过程要比现在已经工业化了的乙醇发酵(乙醇发酵过程中放出CO₂)更有发展潜力。如果可以将丁二酸发酵和乙醇发酵过程整合在一起，不仅可以解决乙醇发酵的空气污染问题，同时也可以降低生产这两种有机物的成本^[11]。微生物发酵法生产丁二酸取代传统的化学合成法已成为必然趋势。

目前生物基丁二酸的分离提取方法有钙盐法^[12]、铵盐法^[13]、溶剂萃取法^[14]、离子交换法^[15]、膜分离^[16]等，结晶技术被认为是氨基酸、有机酸和抗生素等生物产品为重要的分离纯化手段^[17]，高纯度丁二酸产品最终需要通过结晶获得。丁二酸的结晶收率取决于丁二酸与其溶液之间的平衡关系，因此丁二酸的溶解度变化规律对结晶过程的优化具有重要意义。目前纯水体系中分子态丁二酸的溶解度数据已有文献报道^[18]，但丁二酸生产菌在pH 6~7.2的环境中生长代谢^[19]，因此需加入碱性物质（如碳酸钠，氢氧化钠，碳酸镁等）中和生成的丁二酸，导致绝大部分丁二酸是以丁二酸盐的形式存在，而丁二酸盐在其酸化过程中，会产生高浓度的无机盐（如NaCl等），文献[20]指出高浓度的无机盐对有机酸溶解度的影响不能忽略。

1.3 选题的目的与意义

由于生物法制备丁二酸过程加入的碱性物质（如碳酸钠，氢氧化钠，碳酸镁等）在分离过程中将形成某些无机盐，在浓缩结晶过程中，高浓度的无机盐将直接影响丁二酸的溶解度及结晶行为，因此研究高盐体系对丁二酸溶解度的影响规律具有重要意义。

参 考 文 献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一．本课题要研究或解决的问题：

研究不同温度下四种高盐体系（氯化钠、氯化铵、氯化镁、氯化钙）对丁二酸饱和溶解度的影响规律，并与纯水体系中丁二酸溶解度的变化规律进行比较，最后采用相关模型对实验数据进行了关联，获得基于四种不同高盐体系（氯化钠、氯化铵、氯化镁、氯化钙）的丁二酸溶解度方程，为生物基丁二酸结晶过程的优化提供基础数据。