丁二酸技术分析报告 中国科学院国家科学图书馆 区域信息服务中心 2012年3月 中国科学院国家科学图书馆----丁二酸产品分析报告 目 录 第一章 丁二酸概述 .......................................................................................................................... 3 第二章 丁二酸、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）市场概况 ............................................................... 6 第一节 丁二酸市场概况..................................................................................................................... 6 第二节 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）市场概况 ................................................................................ 10 第三章 丁二酸技术发展趋势 .......................................................................................................... 13 第一节 生物基丁二酸基础研究发展态势 ....................................................................................... 13 第二节 丁二酸专利技术分析 ......................................................................................................... 18 第三节 生物基丁二酸制备的专利技术 ........................................................................................... 24 第四章 丁二酸技术总结与建议 ...................................................................................................... 34 参考文献：…………………………………………………………………………………………..35 表目录 表 1 丁二酸主要合成方法比较 ......................................................................................................................... 4 表 2 生物基丁二酸国外主要生产商信息 ......................................................................................................... 9 表 3 PBS、PLA和常用塑料的性能比较,........................................................................................................ 11 表 4全球PBS产品产能情况........................................................................................................................... 12 表 5 PBS需求量统计及预测............................................................................................................................ 12 表 6 生物基丁二酸SCI论文研究机构分布情况 ........................................................................................... 15 表 7 生物基丁二酸SCI论文中国研究机构分布情况 ................................................................................... 16 表 8 丁二酸专利申请人排名情况 ................................................................................................................... 23 表 9 国内生物基制备丁二酸研发情况 ........................................................................................................... 25 表 10 国外生物基制备丁二酸研发情况 ......................................................................................................... 25 表 11 生物基丁二酸制备的主要专利技术 ..................................................................................................... 28 表 12 丁二酸发酵液提取方法比较 ................................................................................................................. 34 图目录 图 1 化学合成法合成丁二酸途径 ..................................................................................................................... 4 图 2 生物转化法合成丁二酸途径 ..................................................................................................................... 5 图 3 丁二酸作为化学合成原料的主要用途 ..................................................................................................... 6 图 4生物基丁二酸未来产地分布图 ................................................................................................................ 10 图 5生物基丁二酸研究年代分布图 ................................................................................................................ 13 图 6生物基丁二酸研究国家(地区)分布图 ..................................................................................................... 14 图 7生物基丁二酸研究前五名国家发文变化图 ............................................................................................ 14 图 8生物基丁二酸研究机构二十年发文变化图 ............................................................................................ 16 图 9生物基丁二酸研究热点分布图 ................................................................................................................ 18 图 10丁二酸国内外专利申请时间演化图 ...................................................................................................... 19 图 11丁二酸专利技术来源国家（地区）分布；图 12丁二酸专利技术市场国家（地区）分布 ............ 20 图 13各国专利国际化对比 .............................................................................................................................. 20 图 14 专利权人年代分布图 ............................................................................................................................. 22 图 15 Bioamber 公司工艺路线图 .................................................................................................................... 30 图 16 BioAmber 公司采用E.coli发酵生产琥珀酸的分子机理 .................................................................... 31 图 17 Myriant 公司采用E.coli发酵生产琥珀酸的分子机理 ........................................................................ 32 2 中国科学院国家科学图书馆----丁二酸产品分析报告 第一章 丁二酸概述 1、基本介绍1 又名琥珀酸，一种常见的天然有机酸，作为三羧酸循环的中间代谢产物和某些微生物的代谢终产物存在于人体、动物、植物和微生物中。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。 2、 基本信息2 中文名称：丁二酸；琥珀酸 英文名称：succinic acid；amber acid CAS No.：110-15-6 分子式： C4H6O4 分子量： 118.09 结构式： HOOC-(CH2)2COOH 3、合成方法 丁二酸的制备方法主要有化学法和生物发酵法。其中化学合成方法主要有石蜡氧化法、催化加氢法、电化学合成法及轻油氧化法、丁二腈水解法等。表1比较了丁二酸主要合成方法的特点和不足，化学方法以石油为原料，生产成本高，环境污染严重。而微生物发酵方法将可再生的生物质(如淀粉、纤维素、半纤维素)原料的葡萄糖和木糖等碳水化合物转化为丁二酸，避免使用石油资源、生产过程环境友好。食草反刍动物的瘤胃能预消化大分子糖类，其特殊微生态环境为厌氧及兼性厌氧微生物提供了良好的繁殖条件，是适合琥珀酸生成的充满CO 的环境。目前大多数琥珀酸产生菌都是从反刍动物瘤胃中分离的，如从牛瘤胃中分离产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)，产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniciproducens)等。发酵生产丁二酸的菌种种类繁多，目前研究较多的有：产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniproducens）、产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)和大肠杆菌(Escherichia coli)。 123,4 王庆昭.琥珀酸发酵菌种研究发展[J].生物工程学报,2007,23(4):570-576. Reaxys https://www.reaxys.com/ 3 王庆昭.生物转化制取琥珀酸及其衍生物的前景分析[J].化工进展,2004,23(7):794-798. 4 王金主.发酵法生产琥珀酸的研究进展[J].食品与药品,2010,12(1):55-59. 3 中国科学院国家科学图书馆----丁二酸产品分析报告
表 1 丁二酸主要合成方法比较
方法名称
合成过程
石蜡在钙、锰催化下氧化得到混合二元酸氧
石蜡氧化法
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
顺，反丁烯二酸在催化剂作用下加氢反应，
催化加氢法
生成琥珀酸，然后分离得到成品。反应的催化剂为镍以及其他一些贵金属，反应温度约为130-140oC
通过电解，在阴极上顺丁烯二酸烯键加成，
电化学合成法
发生还原反应生成丁二酸，阳极电解出的H+提供给阴极
利用细菌或其他微生物发酵的方法以淀粉，
微生物发酵法
糖或其他微生物能够利用的废料为原料生产琥珀酸及其衍生物
生产条件温和，收率高、纯度高，设备简单，无三废污染
原料成本低，可再生；发酵过程可吸收二氧化碳，绿色环保；节约能源
高产量发酵菌株的构建
新兴工艺，存在电耗大，离子膜易破、阳极消耗严重等问题
产率高，无明显的副反应，产物质量良好
操作条件较高，催化剂价格昂贵
传统生产方法，生产工艺成熟
产率、纯度不高
特 点
不 足
? 化学法合成丁二酸
化学合成法生产丁二酸可通过多种途径，采用何种生产方法取决于原料的来源、生产费用和能耗情况。工业上丁二酸的生产方法主要为化学法，包括石蜡氧化法、轻油氧化法、丁烷氧化法、丁二睛水解法、催化加氢法以及以乙烯和一氧化碳为原料的电解氧化法等。目前，国内外石油化工厂一般采用丁烷为原料生成顺丁烯二酸酐(马来酸酐)，然后在催化剂作用下进行加氢反应，生成丁二酸(见图1)。催化剂为镍以及其他一些贵金属，反应温度约为1300C~1400C。以化学方法获得丁二酸，不仅底物马来酸酐和催化剂的价格较高，并且不可避免的要消耗不可再生的石化资源，对环境造成污染5。
图 1 化学合成法合成丁二酸途径
? 生物转化法合成丁二酸
生物转化法为丁二酸生产开拓了一条新的途径。1993年，日本三菱石油化学公司利用Brevibacterium flavum MJ-233发酵产生的富马酸还原酶将富马酸转化成为丁二酸6,7。2001年， 56
董晋军，丁二酸发酵工艺研究，江南大学硕士学位论文，2008.6
JP 5068576.Ikuta M.Production of succinic acid.1993.
4
中国科学院国家科学图书馆----丁二酸产品分析报告 韩国筛选出一株能够转化富马酸生成丁二酸的粪肠球菌Enterococcus faecalis RKY1。该菌株利用甘油(或葡萄糖)为碳源发酵时，能够产生富马酸还原酶将富马酸转化为丁二酸，转化率达95%以上8。生物转化法合成丁二酸过程中，需要使用大量的富马酸作为底物(图2)，目前化学法生产富马酸的主要原料也是化学原料顺丁烯二酸酐，其生产的经济性还有待深入研究。 图 2 生物转化法合成丁二酸途径 ? 发酵法生产丁二酸 丁二酸是动植物和微生物代谢中常见的代谢物。发酵法制备丁二酸是指以淀粉、葡萄糖或乳清等原料，通过微生物发酵的方法生产丁二酸。发酵法生产丁二酸具备生产成本低、环境友好、下游产品市场前景广阔等优点。随着石油资源的紧缺、化学合成丁二酸成本上升，丁二酸发酵成为近年来研究的热点问题，并被公认为是除乳酸和柠檬酸外的下一个发酵法大规模生产的有机酸产品。利用微生物发酵方法可以将来自可再生生物质(如淀粉、纤维素)的还原糖转化为丁二酸，避免消耗化学方法中所使用的石化原料，生产过程无污染，对于缓解大气中的温室效应有着积极的意义，为丁二酸的工业化生产开辟新的途径。 4、主要用途9 自从1546年Georgius Agricola从琥珀中分离出丁二酸后，用微生物发酵的方法生产的丁二酸已被广泛应用于农业、食品业和医药工业。目前丁二酸存在四个主要市场：第一，作为表面活性剂、清洁剂、添加剂和起泡剂；第二，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，在食品行业中作为酸化剂、pH改良剂、风味物质和抗菌剂；第四是和健康有关的产品，包括医药、抗生素、氨基酸和维生素等。丁二酸的这四个市场份额总量超过4亿美元/年10。 丁二酸同时还是一种重要的化学合成原材料，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，它可以取代很多基于苯和石化中间产物的商品，这可减 78 JP 9031011.Yamada S.Production of succinic acid. 1997. Ryu H W,et al.Characteristics and glycerol metabolism of fumarate-reducing Enterococcus faecalis RKY1.Biotechnol Bioeng,2001, 72:120-124. 9 薛峰.丁二酸合成研究进展[J].安徽化工,2009,35(5):10-13. 10 Zeikus J G, et al.Biotechnology of succinic acid production and markets for derived industrial products.Appl Microbiol Biotechnol,1999,51:545-552. 5