文 献 综 述

1. 琥珀酸的生产研究概况

1.1.1琥珀酸的理化性质

琥珀酸，学名丁二酸，英文名称：succinic acid ，是三羧酸循环中重要的四碳二羧酸中间产物，也是某些氨基酸的降解物。分子量是118.09,无色结晶体，味酸，可燃。有两种晶型，相对密度是1.572(25/4℃).1g溶于13mL冷水，1mL沸水，18.5mL乙醇，6.3mL甲醇，36mL甘油和11mL乙醚^[1,2]，不溶于苯，二硫化碳，四氯化碳和石油醚。琥珀酸是二元羧酸，具有二元酸大多数的典型反应，由于其分子内含有活泼的亚甲基官能团，因而具有许多其它重要的反应特性，如氧化、还原、脱水、酯化、磺化、卤化、醚化等反应^[3,4]。

1.2 琥珀酸的工业应用

琥珀酸是一种常见的天然有机酸，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中。它可以用于合成许多大宗化学产品如1，4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯、己二酸等有机化学品以及聚丁二酸丁二醇酯(PBS)类生物可降解材料^[6,7]，可以取代很多基于苯和石化中间产物的商品，被美国能源部认为是未来12种最有价值的生物炼制产品之一^[8-10]。琥珀酸作为一种重要的有机酸，它在食品、化学、医药以及其他领域有广泛的应用，如在医药行业中，琥珀酸可以用来合成利尿剂、镇静剂、止血药、解毒剂、抗生素以及维生素A、B，还可以用做防腐剂，pH值调节剂，助溶剂等。在食品行业中，琥珀酸主要是作为食品的调味剂、中和剂、酸化剂、pH改良剂、风味物质和抗菌剂。琥珀酸的钠盐可改善豆酱、酱油及炼乳制品的质量，用于火腿、香肠、咸菜、肉罐头等的风味增强剂，还可用作奶粉、饼干等的强化剂，促进生长发育。在农业生产上，琥珀酸可用于处理种子以提高发芽率，促进作物生长，作为植物的助长剂；还可用来处理大麦黑穗病，作为除草剂的添加剂使用；琥珀酸酰化淀粉可作为增稠剂，赖氨酸残基的琥珀酸酰化能提高食品中大豆蛋白的物理和功能属性等。琥珀酸盐还可以用做反刍动物和单胃动物(如猪)的饲料添加剂。在化学工业中，琥珀酸主要是作为离子螯和剂，用于电镀行业防止金属的溶蚀和点蚀。同时琥珀酸也是一种良好的表面活性剂，是肥皂、破乳剂和去垢剂的组分；可用于生产清洗剂、脱毛剂、牙膏、润滑剂、弹性体中；在纺织品加工中可用于上浆防收缩，改进染色性，改进己内酰胺黏度与防火性等^[5]。

但是琥珀酸真正的潜力是作为大规模工业原料的应用。传统的琥珀酸生产是以不可再生战略资源石油为原料，而目前石油储量在不断减少，价格在不断增长，并且石油工业对环境有很大的负面影响，这促使了琥珀酸生物合成工业的研究和发展^[11-13]。微生物发酵生产琥珀酸以可再生资源糖和二氧化碳等作为主要原料，不仅摆脱了对石油化工原料的依赖，而且可以固定二氧化碳，减少温室气体，绿色环保，具有一定的环境效益。通过发酵法生产的琥珀酸，价格约为0.55~1.10$/kg^[14] ，使得丁二酸衍生物1,4-丁二醇、四氢呋喃和γ-丁内酯等可以和石油化学产品在生产成本上形成竞争 。

1.3琥珀酸的市场现状和前景

琥珀酸存在四种主要的市场：最大的市场是作为表面活性剂、清洁剂添加剂和起泡剂；第二个市场是作为离子鳌合剂，用于在电镀行业防止金属的溶蚀和点蚀；第三个市场是在食品行业中作为酸化剂、PH改良剂、风味物质和抗菌剂；第四个市场是和健康有关的产品，包括医药、抗生素、氨基酸和维生素的生产。琥珀酸的这四个市场总量每年超过四亿美元^[16]不过，目前只有食品市场的琥珀酸是发酵生产的，而如果我们采用新的发酵工艺将能使琥珀酸的销售价格降为2.20美元/kg(年产5000t)，若当年产量为7.5万t时，其销售价格将低于0.55美元/kg^[15]，这种价格可使琥珀酸打开新的商品化化学制品市场，获得巨大的效益，因而具有极好的市场前景。

2．琥珀酸的生产方法概述

琥珀酸的生产主要有三种方法：化学合成法、生物转化法、微生物发酵法。化学合成法工业上常见的主要为石蜡氧化法、电化学合成法、催化加氢法。石蜡氧化法是将石蜡在钙、锰催化下氧化得到混合二元酸氧化石蜡，后者经过热水蒸汽蒸馏，去除不稳定羟基油性酸及酯，水相含有琥珀酸，经过除水得到琥珀酸的结晶^[14]。这是传统生产琥珀酸的方法，工艺比较成熟，但产率、纯度都不高。电化学合成法是以顺丁烯二酸为原料，在50℃、常压下以0.26A/dm²的电流密度电解合成琥珀酸。电解过程中，在阴极上顺丁烯二酸的稀键加成，发生还原反应生成琥珀酸，阳极电解出H 提供给阴极。实际生产中表明，琥珀酸的电化学合成法生产条件温和，收率高、纯度高，设备简单，无三废污染，但还有许多问题如电耗大、离子膜易破损、阳极消耗严重、工艺操作条件不佳等还有待解决^[17]。催化加氢法是利用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琥珀酸，然后分离得到成品（反应催化剂为镍或其它贵金属，反应温度约为130~140℃）^[18]。而顺丁烯二酸酐的工业生产主要采用苯法或正丁烷法，对石油等战略资源的依赖性较强，且采用的氰化钠是剧毒化学物质。因此，化学合成法存在生产成本高、环境污染大、原料不可再生、消耗大量石化战略资源等弊端，极大地限制了琥珀酸的应用前景。

生物转化法主要是指以富马酸为底物，通过富马酸还原酶的催化作用转化生成琥珀酸^[19]，其反应式如下：

生物转化法为琥珀酸的生产开拓了一条新的途径，但是由于使用了大量的底物富马酸，而目前生产富马酸主要采用化学法，所用的原料为顺丁烯二酸酐，所以其生产的经济性还有待深入研究^[20,21]。

琥珀酸是许多种严格厌氧菌和兼性厌氧菌的发酵终产物，具应用前景的菌种有产琥珀酸的厌氧螺菌、放线杆菌、工程大肠杆菌等。因而微生物发酵法产琥珀酸是以淀粉、葡萄糖或乳清等可再生性生物质资源作为原料，通过微生物发酵的方法生产。与化学合成法相比，微生物发酵法生产琥珀酸具有以下几点优势^[22]：