莊賢軍

（浙江鑫甬生物化工股份有限公司，浙江寧波315204）

生物轉化法生產丙烯酰胺的研究進展

莊賢軍

（浙江鑫甬生物化工股份有限公司，浙江寧波315204）

丙烯酰胺是一種精細化的化工產品，是生產聚丙烯酰胺的單體。聚丙烯酰胺的用途非常廣泛，在水處理、采油、造紙、紡織等多個行業(yè)都有應用，號稱“百業(yè)助劑”。生物轉化法與化學法相比有許多優(yōu)點，為了更好地推動丙烯酰胺的工業(yè)化生產，本文詳細分析生物轉化法生產丙烯酰胺的研究進展。

生物轉化法；丙烯酰胺；生產；研究進展

丙烯酰胺是一種應用途徑非常廣泛的有機化工產品，其主要途徑有以下幾方面：①生產以聚丙烯酰胺類共聚物為主的水溶性聚合物，是丙烯酰胺單體的主要應用途徑，當前我國90%以上的丙烯酰胺用于生產聚丙烯酰胺；②少部分用于合成親油性聚合物形成透水的親水中心；③還有少部分用于制作乙烯基聚合物的交聯劑[1]。由于聚丙烯酰胺在許多領域的市場潛力日趨凸顯，尤其是近年來國家對環(huán)保事業(yè)的加大關注，丙烯酰胺單體的需求量進一步增大，也提高了探討微生物法生產丙烯酰胺研究進展的必要性。

1 丙烯酰胺國內外研究現狀

1954年，美國首次研發(fā)了關于丙烯酰胺的生產技術，采用硫酸水合法的生產方式實現了丙烯酰胺的工業(yè)化生產。之后丙烯酰胺單體的生產技術有2次飛躍，第一次是在20世紀70年代，將銅催化法應用在丙烯酰胺的生產當中；第二次是在20世紀80年代，基本實現了微生物轉化法的工業(yè)生產[2]。對于生物轉化法而言，其具備非常多的優(yōu)勢，因為酶的專一性強，單體副反應少、純度高、活性強，適合生產超高分子量聚丙烯酰胺，在國內外備受研究者與工業(yè)領域的關注。

1984年開始研究關于生物轉化法的丙烯酰胺生產技術，并通過十多年的研究，最終上海農科所沈寅初等在1994年江蘇省相關技術中心，建立了國內第一套1 000t/a微生物轉化丙烯酰胺實驗裝置[3]。通過相應鑒定，該項目工藝技術與各項質量指標屬于國際前列。

2 生物轉化法在丙烯酰胺生產中的應用現狀

2.1 生產特點

生物轉化法生產工藝中，因為沒有使用銅催化劑，反應轉化率高，丙烯腈殘留幾乎為零，所以無需丙烯腈和銅的回收分離工序。該工藝具備多個方面的優(yōu)勢：①在反應過程中對溫度的要求不高，可以在常溫、常壓下進行，生產安全性較高；②反應轉換的效率較高，不需要任何回收反應的原料；③酶的選擇性比較高，不存在副作用，產品的純度較高；④生產工藝簡單、快捷，資源投入較少，能源使用量較少[1]。

腈水合酶的活性和耐受性是生物轉化法生產丙烯酰胺的核心技術。因為水合反應底物丙烯腈和產物丙烯酰胺都有毒性，考慮到細胞對毒性的耐受性、酶易失活的特點以及固定化生產成本，生物轉化生產技術的研究已從原來固定化細胞技術轉化為游離細胞直接催化反應，當前生產工藝是種子→發(fā)酵→離心分離菌體→微濾膜清洗菌體→分批投入水合釜反應→超濾膜過濾分離細胞和濾液→細胞重新回到水合釜繼續(xù)下一批反應?？紤]到腈水合酶的底物和產物毒性耐受性，目前一般固定化細胞反應工藝和游離細胞反應工藝都在酶使用5批次后淘汰更換，所以對腈水合酶菌種的活化、復壯和菌種改良十分重要，如何提高酶的活性和對毒性的耐受性是研究的重中之重[4]。從技術角度來看，也可應用固定化連續(xù)反應器把丙烯腈不斷通過固定化細胞的反應柱，進而實現連續(xù)性生產[5]。

2.2 腈水合酶的研究進展

目前工業(yè)上生產腈水合酶應用最多的是紅球菌和諾卡氏菌，腈水合酶生產流程主要為：搖瓶種子、種子罐、一級發(fā)酵罐、二級發(fā)酵罐、離心機、微濾膜清洗至菌體備用。隨著丙烯酰胺需求量的不斷提高，國內許多學者開展了腈水合酶生成菌的分離選育、菌株特性、極端耐受性馴化、基因改造、影響酶的生成因素、酶的最佳反應條件、提高毒性耐受性、降低反應副產物以及提高產品純度等方面的研究工作。清華大學、浙江工業(yè)大學、河南大學、遼寧石油化工大學等多家大學和科研機構的科研人員對腈水合酶菌種、發(fā)酵條件、腈水合酶催化反應動力學和失活動力學進行了相應研究，研究了生物轉化法生產丙烯酰胺過程中腈水合酶的抑制和失活，對腈水合酶的催化活性和耐受性的提高有積極作用[6]。清華大學還對原始菌種進行了基因工程改造，通過剔除副產酶腈水解酶的基因，提高腈水合酶酶純度，減少水合反應副產物丙烯酸，達到了降低生產消耗和成本的目的[7]。

近些年，國外許多學者對于腈水合酶的性質、結構等均進行了相應的深入探討，同時揭示了關于腈水合酶的結構特征，這些研究為以后的菌株改良提供了新的方向。研究發(fā)現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屬離子作為輔助因子，這對酶活性形成十分關鍵，在實際生產中發(fā)酵過程金屬鈷離子的用量對酶活性高低有重大影響，鈷離子用量不足，酶活必然偏低甚至會出現不產酶活的情況，但鈷用量太大也會造成鈷中毒，控制鈷用量很關鍵[8]。

3 生物法生產丙烯酰胺的未來研究方向

在實現生物轉化法的工業(yè)生產之后，丙烯酰胺生產技術有了顯著的發(fā)展和進步，但是仍然存在著一些問題，如因為底物和產物毒性，生產中一直存在酶易失活、壽命較短、處理困難、重復利用次數少以及雜酶產生副產物丙烯酸等缺陷。同時，水合過程產生的電導率會提高消耗和一系列的成本。關于酶的研究雖然在特性、結構及功能方面有了明顯的創(chuàng)新，但是仍然有許多的研究工作有待進行，主要包括如何提高酶活性、菌種改良和基因改造，發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵條件優(yōu)化，提高酶對底物和產物的耐受性，如何實現水合反應連續(xù)化生產等問題，這些研究成果必然有利于提高丙烯酰胺生產技術水平，進一步提升產品質量，降低生產成本。此外，還需要對腈水合酶的催化反應給予動力學的優(yōu)化改進，從而提升整體的水合效率，并減少副產物的形成和影響[9]。

酶催化反應和普通的化學催化反應相比，酶的催化效果顯著超過常見的催化劑，同時反應條件也相對較為溫和，具備較為明顯的選擇性，具有明顯的優(yōu)點。當前，在丙烯酰胺的工業(yè)生產中最突出還是腈水合酶耐受性問題，酶的使用次數普遍都是5次，反應時間一般為4～5h，反應過程和水合濾液出料過程都會產生雜質，造成濾液電導率升高，影響轉化率，大大提高后續(xù)離子交換工藝的生產成本。此外，還需要深入探討腈水合酶的基因調控原理及酶反應的控制原理，可以借助基因工程技術對腈水合酶進行改造和優(yōu)化，剔除產生副酶的基因，提高腈水合酶活性和酶純度，減少副酶產生量。同時，通過腈水合酶催化反應動力學研究進一步優(yōu)化反應控制條件，達到縮短反應時間、增加酶使用次數的目的，從而更加顯著地挖掘腈水合酶在丙烯酰胺工業(yè)生產中的價值和作用[10]。

此外，膜過濾問題也是未來需要著重研究的部分，發(fā)酵和水合過程分別使用了微濾膜和超濾膜，膜問題主要是膜管堵塞、膜通量下降、膜絲強度不夠容易斷裂等幾個方面。酶發(fā)酵結束以后，通過微濾膜清洗發(fā)酵液中的雜質，存在膜通量不夠和堵膜問題，導致菌體清洗速度和清洗效果降低，影響酶活性，清洗效果不好會使發(fā)酵液中的雜質帶入水合反應，膜絲漏則會造成菌體損失。游離細胞水合工藝中，主要用超濾膜分離反應液和細胞，同樣存在膜通量下降和膜絲漏的問題，并且超濾膜出料速度對濾液的電導率影響很大，堵膜會造成出料時間大幅延長，電導率大幅升高，對后續(xù)工序影響巨大。超濾膜漏則會造成濾液不清，雜質增加。如何采用新的膜材料和膜工藝，提高膜性能，探索膜再生工藝，加快膜分離速度是未來需要研究的一大技術難題。

4 結語

應用生物轉化法生產丙烯酰胺技術以來，各個方面的生產優(yōu)勢越發(fā)明顯，其整體生產效益也在不斷提高。對此，需要進一步研究生物轉化法在丙烯酰胺生產中的相關技術與方法，不斷提高我國丙烯酰胺工廠生產能力和技術水平，降低生產成本，提高產品質量，推動丙烯酰胺和下游各個行業(yè)的發(fā)展。

[1]秦嬌.微生物法生產丙烯酰胺的研究進展[J].山東化工,2005,34(1):24-26.

[2]?；萋?常萬葉.微生物法生產丙烯酰胺技術[J].煤炭與化工,1999,22(2):34-36.

[3]沈寅初,張國凡,韓建生.微生物法生產丙烯酰胺[J].工業(yè)微生物,1994,24(2):24-32.

[4]馬武生,馬同森,楊生玉.腈水合酶及其在丙烯酰胺生產中應用的研究進展[J].化學研究,2004,15(1):75-79.

[5]劉舒,沈旭豐,孫先鋒.腈水合酶催化反應條件的研究[J].紡織高?；A科學學報,2012,25(1):83-87.

[6]陳跖,孫旭東,史悅,等.微生物法生產丙烯酰胺的研究(II)——腈水合酶催化反應動力學與失活動力學[J].生物工程學報,2002,18(2):225-230.

[7]陳跖,孫旭東,史悅,等.微生物法生產丙烯酰胺的研究(Ⅰ)——腈水合酶產生菌株的培養(yǎng)和高活力的表達[J].生物工程學報,2002,18(1):55-58.

[8]劉銘,焦鵬,曹竹安.微生物法生產丙烯酰胺的生物催化劑——腈水合酶研究進展[J].化工學報,2001,52(10):847-852.

[9]高毅,劉銘,曹竹安.生物法生產丙烯酰胺過程中腈水合酶的抑制和失活[J].過程工程學報,2005,5(2):193-196.

[10]馬武生,馬同森,楊生玉.丙烯腈水合酶催化動力學及失活動力學研究[J].鄭州輕工業(yè)學院報自然科學版,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

莊賢軍（1968-），男，浙江寧波人，本科，工程師，研究方向：微生物法丙烯酰胺的工業(yè)化生產和研究。