文 献 综 述

1,2,4-丁三醇（Butanetriol,BT）是一种无色、无臭、透明的水溶性粘稠糖浆状体，市场上销售的BT通常是草黄色至褐色的粘稠状液体，具有甜味，但是无毒，其性质与甘油类似。BT是有机合成的重要化学中间体，广泛应用于军事中，如：合成丁三醇三硝酸酯BTTN⑴；医药，如：用于手术后镇痛⑵和压制骨折后的疼痛⑶、用来制备降胆固醇药和抗癌药、用作药物缓释制剂等；烟草中用作烟草添加剂可以消除硝基化合物对人体的毒害，减少焦油成分对人体的伤害；在彩色显影液中，它可以改善其稳定性和色溶度⑷~⑸。

Wagner在1894年首次以3-丁烯-醇为原料合成了BT，后来陆陆续续也有其他合成方法的研究报道，许多研究者从改变原料、催化剂、反应条件以及提纯等方面作出努力。Callaghan⑹~⑻等采用四氧化锇做催化剂，用H2O2氧化水和，获得BT，收率为85%。1976年德国BASF公司提出，首先氧化生成2，3-环氧基-1，4- 丁二醇，再由Raney-Ni催化氢解，转化率可达88%。加氢时压力高达20 30MPa，对生产设备和安全操作提出了极高要求。而后有日本公司报道了利用环氧化得到的2，3-环氧基-1，4-丁二醇在Pd/C催化下加氢的方法，氢解时需要150#176;C和5MPa氢气压力，工艺条件较BASF的方法温和，但是该工艺需要使用贵金属催化剂Pd的量较大，增加了工艺成本。而马来酸酯的直接氢解，虽然省略了氧化步骤，但是其氢解亦需达到150#176;C和17 21MPa氢气压力，并且收率较低(30%)。丙烯醇与甲醛和醋酐反应虽然工艺条件温和、成本低，但是反应机理复杂，产品提纯困难。其他合成1，2，4-丁三醇的方法也都存在一定问题。如还原法需要硼氢化物和三氟化硼乙醚络合物，由于其使用的危险性，很难在工业化中应用；乙炔和甲醛合成1，2，4- 丁三醇则需使用汞盐，对环境造成极大的污染。

这些化学合成法，不是反应过程条件苛刻，副产物多，污染物排放严重等，就是产率低，提纯难度大，导致其价格昂贵。直到美国密歇根州立大学Niu等2003年在美国化学会志（Journal of the American Chemical Society）上发表文章，介绍了1,2,4-丁三醇的微生物合成法⑼⑽。具体为：D-木糖在假单胞菌的氧化下转化成D-木糖酸，产率70%，再由大肠埃希氏菌DH5α/pWN6.186A催化D-木糖酸转化成D-1,2,4-丁三醇，产率25%,详细见图1。除此还有通过L-阿拉伯糖在P. fragi的氧化下转化成L-阿拉伯-1,4-内酯和L-阿糖酸的混合物，总产率54%，内酯水解后，L-阿糖酸采用E. coli BL21 (DE3)/pWN6.222A 转化生成L-1,2,4-丁三醇，产率35%。虽然木糖/木糖酸和阿拉伯糖/阿糖酸两种路径都可用于合成1,2,4-丁三醇，但相对于L-阿拉伯糖或L-阿糖酸而言，D-木糖和D-木糖酸更具有经济优势。因而，获得利用D-木糖（或D-木糖酸）源且可用于工业化生产1,2,4-丁三醇的生物合成系统更为理想。

而在早前由于石化价格一路走低导致石化法合成丁三醇价格低廉，所以生物法一直被搁浅，直到近些年石化短缺且价格上涨，使得对生物法生产丁三醇的研究多了起来。生物法产丁三醇具有反应条件温和，有效保护环境，节约资源等优点。另外为了降低成本必需对丁三醇生产过程进行工艺的优化。首先利用小麦、黑麦、淀粉等的废液进行发酵⑾，调整最优原料比例，不仅节约原材料成本，还能废物利用，达到节约资源和保护环境的目的;其次还可以对工程菌进行选择与优化以提高丁三醇的产量⑿⒀；以及优化工艺参数等都可以达到提高产量、降低成本的目的。对于优化提取工艺从而达到提高收率的方法属于下游工艺，也是很重要的一步，我们可以通过采取萃取、离心分离、精馏、色谱、膜分离等不同的方法相结合，综合优化提取率。

丁三醇发酵液中还含有木糖、木糖酸、乳酸、乙酸等副产物，而发酵液中丁三醇的含量一般较低为0.3g/L，最高也才1.8g/L，浓度过低，如果采用精馏，对能量消耗大。所以在本次研究中，我们拟采用色谱分离的方法提纯丁三醇，可以在提高产率的同时节约能量。色谱法⒂又称层析法或色层法，是一种分离手段，是利用被分析混合物中各组分在固定相和流动相中的作用力不同而实现分离的方法，工业上常用来分离性质近似组分。 色谱柱内的填充吸附剂是多孔的惰性固体，用非挥发性的惰性液体涂渍。被分离溶液的溶质与惰性液体有大小不同的溶解度。色谱法的特点是分离效果好，对于经典方法难以得到分离的化合物采用色谱法往往可以得到满意的分离。在色谱法中，表面积较大的固体或者附着在固体上不动的液体，静止不动的一相称为固定相：自上而下运动的一相称为流动相。色谱分离法具有分离效果好，应用范围广，选择性强，对环境友好，设备简单等优点，且固定相和流动相都可以回收利用。

吸附法的关键是选择吸附剂和解吸剂，我们可以根据丁三醇发酵液中主要成分的物化性质差异选择合适的吸附树脂以及解析条件，以达到最优分离条件。丁三醇与发酵液其他杂质比较，丁三醇含有4个C，链长最长，有较强的疏水性（吸附分离原理图见图2）。因此，开发大孔型疏水性树脂会利于丁三醇和发酵液中其他杂质组分的分离。大孔树脂的比表面积大，有助于提高树脂对丁三醇的吸附容量，疏水性则利于树脂对丁三醇的高选择吸附性。经实验测定，自行合成的树脂对丁三醇具有吸附容量高，吸附选择性高的特点，当选用合适解吸剂洗脱时，丁三醇的脱附收率平均都在99.5%以上,具有较高的脱附收率，树脂再生容易。

图2 树脂对丁三醇吸附/解吸原理示意图