1、（1）国内外丁二酸市场概述丁二酸就是用于化工、制药、食品与农业等领域的一种重要基础原料与中间体。一方面由于石油价格剧烈波动,石化法生产丁二酸的成本一直居高不下,另外发酵法能够使温室气体排放量减少50%,因而发酵法代替石化法生产丁二酸的工艺正在逐渐兴起。另一方面目前绿色化学品的市场需求也在不断增长,自然也会牵动对生物基丁二酸的需求。2011年全球丁二酸的产能约4万吨,其中97%的丁二酸来源于石油基原料,而生物基丁二酸仅占3%,从应用领域来瞧,丁二酸主要用于树脂、涂料与油漆等领域约占19、3%,其她重要领域包括医药（15、1%）、食品（12、6%）、PBS /PBST（9%）与聚酯多元醇（6、2%
2、）。从丁二酸市场分布来瞧,2011年,欧洲占市场总量的33、6%,亚太地区占29、6%,北美占29、2%。亚太地区预计将就是未来增长最快的市场,如中国、印度与日本,其中,中国处于主导地位（图2、1）图2、1 2011年全球丁二酸市场分布据Transparency预测,全球丁二酸市场将从2011年的2、403亿美元增长到2018年的8、326亿美元,20122018年的年均增长率达19、4%,2018年产量将超过25万吨,1,4-丁二醇、增塑剂、聚氨酯与树脂需求的增加以及涂料、染料与墨水一直就是该产品市场的主要驱动因素,然而昂贵的原材料与日益严重的环境问题成为了制约该市场增长的主要因素。1、1
3、国内丁二酸市场丁二酸在中国的生产始于上世纪60 年代末期,生产发展较快,到2013 年丁二酸的产量占世界总产量的 40%,目前国内丁二酸的总产能约12、5 万吨/年,年产量在6 万吨左右。随着以丁二酸为原料的PBS等新型生物可降解塑料的逐步产业化,丁二酸的发展将迎来新契机。据专家预测,2020年国内可降解生物塑料市场需求量为300 万吨,以生产1 吨PBS需0、6 吨丁二酸计算,未来国内丁二酸的年需求量将达到180 万吨左右,保守估计到2020年,我国生物法丁二酸产能将达到10万吨/年,加上下游市场的不断开发,需求量也将保持10%以上的年增长率,市场缺口巨大。与此同时,国内已有多家企业正在积极
4、筹备上马PBS 项目,而安庆与兴公司则领先一步,率先与清华大学达成合作意向,在目前3000 吨/年规模的基础上,计划在3 年内建设一条10 万吨/年PBS生产线,同时上马的还有与之配套的6 万吨/年丁二酸项目。但一直以不可再生的战略资源石油产品作为原料的传统丁二酸生产方法导致了高价格与高污染,抑制了丁二酸作为一种优秀的化学平台产品的发展潜力,而采用微生物发酵法生产正好可以弥补。1、2 国外丁二酸市场国外丁二酸市场瞧好,原因就是丁二酸的结构就是饱与二羧酸,可以转化为1,4-丁二醇、四氢呋喃、-丁内酯等其它四碳的化学制品,它的下游衍生物就是很多行业的重要原料,在世界范围内这些衍生物的市场潜力每年超
5、过3106 吨。为了使生物法生产丁二酸能够有效降低成本,美国能源部的4个实验室投资700 万美元,共同研究发酵法生产丁二酸。通过生物发酵法筛选一株优良的菌种,选择利用廉价的原料,经过合理的过程优化,生产出更具优势的丁二酸产品,具有巨大的发展潜力,另外发酵法生产丁二酸也为农业碳水化合物产品打开一个重要的市场。由此可见,发酵法制备丁二酸的研究将成为21 世纪化学工业的一个重要方向,它将使丁二酸及其衍生物市场范围更加宽广。丁二酸的主要应用领域大致可分为5大市场:最大的市场为表面活性剂、清洁剂、添加剂与起泡剂:第二个市场为离子鳌合剂,如电镀行业中的溶蚀与点蚀等;第三个市场就是在食品行业中作为酸化剂、P
6、H 改良剂与抗菌剂;第四个市场就是与健康有关的产品,包括医药、抗生素、氨基酸与维生素的生产:第五个市场也就是最具发展前景的市场,即作为生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的主要原料。不同市场对于丁二酸的纯度要求也就是不同的,这对于生物法制备丁二酸就是十分有利的,因为化学法生产的丁二酸由于含有微量的其她不明化合物,限制了其在食品、医药等行业的应用,而生物发酵法生产的丁二酸完全满足美国 FDA 的要求,并且已经给出了安全的许可。（2）国内外生物基丁二酸生产企业概述2、1 国外主要企业经过多年的研发,生物基丁二酸在技术上获得突破,早期存在的生产成本较高、性能不高导致应用范围有限等不足已有明显改善
7、,再加上其所具有的环保优势,这类产品的市场竞争力越来越强。目前,帝斯曼、巴斯夫、Myriant（麦里安科技公司）与BioAmber（生物琥珀公司）均已兴建多个世界级规模的生物基丁二酸生产厂（表2、1）。2、1、1 生物琥珀公司生物琥珀公司就是一家从事生物材料加工的公司,于2010年1月22日建成了世界上第一套商业化规模生物基丁二酸装置,采用由小麦衍生的葡萄糖为原料,初期生产能力为2000吨/年。近年来,生物琥珀公司与日本三井公司（Mitsui）合作较为紧密。2013年生物琥珀公司与日本三井公司合作在加拿大安大略省萨尼亚市启动一套大型生物基丁二酸生产装置,初始产能为1、7 万吨/年,并可继续扩能
8、到3、4 万吨/年。2014年生物琥珀公司与日本三井公司还计划再共同建立两套装置,预计总产能将达到16、5 万吨/年。第二个工厂先在泰国建立,再在北美或就是巴西建立第三个工厂,两套装置规模相当。通过合作,生物琥珀公司与日本三井公司将充分发挥各自的优势。首先,生物琥珀公司已经研发出一个拥有专利的技术平台,将工业生物技术与专利催化剂结合把可再生原料转化成化学品,从而能降低对石油的依赖,减少成本,其次,生物琥珀公司在法国的工厂能生产并销售丁二酸,已被证明有价格优势。而日本三井公司作为世界上最大的综合贸易公司之一,在国际化学品市场拥有很高的份额,有利于生物琥珀公司生产的生物基丁二酸进行全球市场销售。表
9、2、1 国外主要企业的生物基丁二酸的产能比较公司年产量/吨工厂地址运行时间巴斯夫/Purac 合资公司50000-25000巴塞罗那2013年BloAmber-ARD3000POMACLE（法国）2012年BloAmber/Mitsul合资公司65000TBA（美国或巴西）17000（前期）34000（后期）萨尼亚市（加拿大）Myriant77110普罗维登斯湖（美国路易斯安那州）2014年Myriant-中国蓝星110000南京（中国）Myrlant-Uhde（owner and operator）500（第一年）Infraleuna site（德国）Reverdia（DSM-Roquett
10、e）10000萨诺斯皮诺拉（意大利）注:来源ISIC公司报告2、1、2 麦里安科技公司美国麦里安科技公司2011年初在路易斯安那州开工建设全球最大的生物基丁二酸工厂,并于2013年第一季度启动其在路易斯安那州普罗维登斯湖产能为1、36 万吨/年的生产装置,计划在2014年初将产能扩大到7、7 万吨/年。2012年,麦里安科技公司与德国洛伊纳（Leuna）的蒂森克虏伯伍德公司（ThyssenKrupp Uhde）合作开始商业化生产生物基丁二酸,生产工艺可达商业化生产规模与产品质量的标准。早在2009年,麦里安科技公司与蒂森克虏伯伍德公司就商业化开发生物基丁二酸签订了独家联盟协议,旨在确保生物基丁
11、二酸生产工艺具有成本竞争优势与生产高纯度产品;目前,麦里安科技公司正在研究与中国蓝星（集团）总公司在南京建设生物基丁二酸项目,此外还与泰国PTT国际化学公司合作,在东南亚建设丁二酸项目。在销售方面,2011年美国麦里安科技公司与日本双日株式会社就缔结销售与市场合作关系,在日本、韩国、中国大陆与中国台湾经销生物基丁二酸,目的就是凭借双日株式会社的市场覆盖,极大地提升麦里安科技公司生产的生物基丁二酸在这些地区的长期价值。2、1、3 Reverdia（DSM-Roquette）由荷兰皇家帝斯曼集团（Royal DSM）与法国罗盖特公司（Roquette Frres）合资建成的Reverdia公司,早
12、在2010年初,就在法国Lestrem建成示范工厂,将这种生产技术投入实际运用,并不断进行改进与优化,为产品大规模推向市场作好准备。Reverdia公司于2012年10月开始投产于意大利卡萨诺斯皮诺拉（Cassano Spinola）的第一个商业化的生物基丁二酸项目,初始设计产能为1万吨/年,这也为全球丁二酸项目的大规模启动打下坚实基础。Reverdia公司还就是目前唯一一家利用低PH值酵母技术进行大规模商业化生产的公司,该技术的获取源于其公司的示范工厂,被Reverdia公司视作未来进一步提升产品性能的关键要素。通过其掌握的专利生产技术,Reverdia公司有望能够满足全球市场对于丁二酸日益
13、增长的需求,从而确立其在生物基丁二酸生产领域的领导地位。帝斯曼与罗盖特强强联手,结合各自在材料科学与生物技术及植物原料加工方面的优势,构成Reverdia公司发展的强劲推动力。2、1、4 Succinity GmbH（BASF-Purac）巴斯夫及CSM 旗下普拉克（Purac）成立了合资公司Succinity GmbH,总部位于德国杜塞尔多夫。2013年在西班牙巴塞罗那建立的发酵能力为2、5万吨/年的生物基丁二酸装置正式投产。巴斯夫与CSM在2009年已签署共同发展协议并开始对丁二酸进行调研。双方在发酵与下游处理方面的互补优势形成了可持续的高效生产过程。生产中使用的细菌为产丁二酸厌氧螺菌,通
14、过自然过程生产丁二酸。这个过程可以生成很多可再生的原材料,结合了高效与可再生原材料使用的优点,同时还具有较好的固碳效果。另外巴斯夫与CSM还改建了普拉克巴塞罗那附近的一家工厂,用来生产丁二酸,年产能约1 万吨,该工厂在2013年底正式投产,并计划筹建第二个世界级规模的丁二酸工厂,产能达5万吨/年,以满足日益增长的丁二酸使用需求。2、2 国内主要企业国内以微生物发酵为基础的丁二酸绿色生产工艺才刚刚起步,同时由于PBT、PBS树脂、医药及聚氨酯等行业近年来在国内发展较迅速,因而我国每年都要进口大量丁二酸及其下游产品来满足生产需求。我国现有丁二酸生产企业十余家,且大部分均以石化为原料（表2、2）。但
15、我国对生物发酵法制备丁二酸的研究从未间断过,2013年1月28日,扬子石化公司1000吨/年生物发酵法制丁二酸中试装置建成中交,该装置依托扬子石化现有装置及公用工程配套设施,采用中国石化与高校科研单位共同开发的生物发酵法合成丁二酸技术,装置设计生产能力为1000吨/年,年工作日300天,年生产时数7200小时。生物法制取丁二酸项目主要利用可再生生物质资源作为原料,采用丰富的农林生物质资源,确保了生物基丁二酸不受石油价格波动的影响。同时减少石油与煤等不可再生资源的消耗,达到节能减排的效果,为我国循环经济的发展与绿色GDP增长做出突出贡献。表2、2 国内丁二酸生产单位及生产方法生产单位生产方法产能
16、/吨湖北远成化学合成法15001800安徽三信电化学法上海申人600宝鸡宝玉1000陕西渭南惠丰300临沂市利兴湖南长岭武汉金诺500吉林市琥珀酸项目发酵法前期3万后期10万扬子石化山东振兴江苏仙桥湖南云溪山东飞扬（3）国内外丁二酸生产技术现状基于丁二酸在工业中的广泛使用,对应丁二酸的需求量在逐年递增,世界各国对其生产方法研究在不断深入。丁二酸的工业制法较多,目前主要有化学合成法,电化学法与新兴的生物质发酵法,其中发酵法生产丁二酸主要就是利用可再生能源与二氧化碳作为原料,开辟了温室气体二氧化碳利用的新途径,且成本低廉,环境友好,因此生物法生产丁二酸代表着未来发展的方向。3、1 化学合成法丁二酸
17、的化学合成法主要有石蜡氧化法、乙炔法、催化加氢法、丙烯酸羰基合成法等。石蜡氧化法:传统的生产方法,石蜡在钙、锰催化下深度氧化得到混合二元酸氧化石蜡,后者通过热水蒸汽蒸馏,去除不稳定羟基油溶性酸与酯后,水相中含有丁二酸,干燥后得到丁二酸的结晶（图3、1）。该工艺比较成熟,但收率与纯度都不高,且有污染。催化加氢法:以顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酐为原料,采用载有活性炭的镍或贵金属为催化剂,在大约130140,230105 Pa条件下催化加氢得到。顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酐的催化加氢体系可分为多相与均相,其中多相催化体系又可分为气相催化加氢体系与液相催化加氢体系。催化加氢法就是目前世界上使用最广泛的丁二酸工
18、业合成方法,其转化率高,产率高,产品纯度良好,无明显副反应,但操作要求较高,工艺复杂,成本高,且污染严重。丙烯酸羰基合成法:丙烯酸与一氧化碳在催化剂作用下,生成丁二酸,目前仍未工业化。图3、1 丁二酸石蜡氧化法制备路线简图3、2 电化学法以顺丁烯二酸或顺丁烯二酸酐为原料,电解还原得到丁二酸（图3、2）。电解槽主要分为隔膜与无隔膜两种,工作电极有铅、铅合金、石墨、不锈钢、铜、钛、二氧化钛电极等。电化学还原顺丁烯二酸合成丁二酸主要有两种方式:直接电还原与间接电还原。直接电还原就是直接在电极表面由电子进攻双键或活性氢还原生成丁二酸。间接阴极电还原主要以Ti3+ /Ti4+ 为媒质,间接还原顺丁烯二酸
19、合成丁二酸。丁二酸的电化学法虽然具有设备简单,产品纯度高,无污染等特点,但实际生产发现还有许多问题需要解决,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。图3、2 丁二酸电化学法制备原理简图3、3 发酵法生物发酵法就是以淀粉、纤维素、葡萄糖、蔗糖、牛乳或其她微生物能够利用的废料为原料,利用细菌或其她微生物发酵的方法生产丁二酸及其衍生物（图3、3）。丁二酸就是一些厌氧与兼性厌氧微生物代谢途径中的共同中间物。一般情况下,丙酸盐生产菌、典型的胃肠细菌以及瘤胃细菌均能够分泌丁二酸。据报道,一些乳酸菌（LactobaciIlus）也能在特定的培养基上不同程度地产生丁二酸。国外在20世纪90
20、年代就开始发酵生产丁二酸的研究,其中认为可接近工业化的发酵水平为产丁二酸浓度60 gL-1以上,糖酸转化率0、8 gg-1与生产效率1、5 g（Lh）-1以上。目前有望成为丁二酸发酵工业生产的微生物菌株主要有:放线杆菌（Actinobacillus succinogenes）、谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）工程菌、厌氧螺菌（Anaerobiospirillum succiniproducens）、曼氏杆菌（Mannhei miasucciniciproducens）以及重组大肠杆菌（Escherichia coli）等（表3、1）与可再生原料如:乳清、糖
21、类、小麦、菊芋粉及木质纤维素等。由于天然菌株产丁二酸的能力非常低,发酵产物多种多样,对糖或丁二酸的耐受性比较差,因此必须运用生物工程技术对现有的菌种进行改良重组。图3、3 丁二酸生物法制备路线简图3、3、1 乳清原料发酵生产丁二酸乳清就是奶酪生产过程的副产物,每10 L牛奶可以得到1 kg 奶酪与9 L 乳清。乳清中含有3%8%的乳糖,0、8%1%的牛乳蛋白,1%的盐与0、1%0、8%的乳酸。乳清可以液体、干乳清与乳清渗透物的形式作为发酵原料。密西根大学的Samuelov等最先开始研究厌氧微生物发酵乳清乳糖生产丁二酸的能力,以A、 succiniciproducens ATCC29305为模式
22、菌,用分批、连续与补料分批的方式直接发酵乳清生产富含丁二酸的动物饲料添加剂。在灭菌后的粗乳清中补加玉米浆、磷酸盐与镁盐作为培养基,其中乳糖的含量在44、748、7 g/L。A、 succiniciproducens在高CO2浓度的环境下培养,发酵液中丁二酸浓度最终达34、7 g/L,其中丁二酸与乙酸的比为4:1,乳糖的消耗率在90%以上,丁二酸对乳糖的产率大于80%,证实了由乳清原料生产丁二酸的可行性。表3、1 国内发酵法制备丁二酸的主要研究进展研究机构研究进展江南大学开展菌株选育与工艺研究,获得比较优良的产丁二酸放线杆菌菌株（Actinobacillus succinogenes CGMCC
23、1593）,利用制糖工业的副产物糖蜜为碳源,初始总糖浓度为 65g/L 时,产丁二酸放线杆菌厌氧发酵 48 h,丁二酸浓度可达55、2g/L,生产率 1、15g/（Lh）山东大学底物 52g/L 葡萄糖发酵生产丁二酸达到 26、4g/L,转化率达到50、7%合肥工业大学木质纤维素水解液为碳源时分批培养的丁二酸最后浓度及得率分别为11、73g/L 与 56%,生产率为1、17g/（Lh）;连续培养的丁二酸得率为 55% ,生产能力为3、19g/（Lh）南京工业大学采用稀酸水解玉米籽皮制备混合糖液,脱毒脱色后,产丁二酸放线杆菌NJ113 培养基总糖浓度为50g/L 时,丁二酸分批发酵的质量收率可达
24、0、68g/g,浓度可达34、2g/L,生产强度达0、83g/（Lh）,总糖浓度为68、2g/L 时,丁二酸质量收率仍可达0、62g/g,浓度为42、3g/L,生产强度为0、98g/（L烟台大学进行好氧发酵研究,对丁二酸产生菌 S-1 进行紫外线与亚硝基胍的复合诱变后,筛选出丁二酸产量高、遗传性状稳定的菌株S-57,并对其进行激光诱变,筛选出菌株 SH-24,丁二酸产量达到 21、25g/L。经鉴定该菌为总状枝毛霉Mucor racemosus Fresenius）SH-24韩国Lee等报道了A、 succiniciproducens ATCC29305与M、 succiniciproduce
25、ns MBEL55E分批、连续发酵乳清生产丁二酸的情况。在基础盐与乳清组成的培养基上,A、 succiniciproducens ATCC29305菌体不生长,但在补加酵母膏与聚蛋白胨的乳清培养基中,菌体生长与产酸。当葡萄糖与乳清作为混合底物时（20 g/L乳清与7 g/L葡萄糖）,丁二酸产率与生产强度分别为95% 与0、46 g /（L h）,丁二酸浓度达15、5 g/L,比单以乳清为底物时的生产强度高出近一倍。在最佳的稀释速率下连续发酵,丁二酸的生产强度达到1、35 g/（L h）,并且发酵液中,丁二酸与乙酸比值提高到5、1:15、8:1。用玉米浆代替乳清培养基中的酵母膏,M、 succi
26、niciproducens MBEL55E分批发酵乳清原料产丁二酸13、0 g/L,丁二酸产率与生产强度为71%与1、18 g/（L h）。以稀释速率为0、6h-1 连续厌氧发酵时,丁二酸产率63%69%,生产强度达到3、9 g/（L h）,比分批培养提高了3、3倍。结果表明了用廉价的乳清与玉米浆为原料可以有效的生产丁二酸。最近 Wan等研究用Actinobacillu ssuccinogenes 130z发酵奶酪乳清也能生产丁二酸。50 g/L奶酪乳清的培养基,丁二酸的产率57 %,生产强度0、44 g/（L h）,乙酸与甲酸为主要副产物。3、3、2 糖类原料发酵生产丁二酸含有由葡萄糖与果糖
27、组成的二糖植物通常称为糖料植物,甜菜与甘蔗就是蔗糖与糖蜜的主要来源,甜高粱也可作为蔗糖的来源。糖蜜就是制糖工业的副产品,糖蜜一般含有大约40%50%（质量分数）总糖（主要成分就是蔗糖、葡萄糖与果糖）,就是发酵工业中较廉价的碳源原料。糖蜜除了比葡萄糖价格低廉外,还含有多种微生物生长所需要的营养素如维生素,氨基酸与矿物质等,就是一种理想的发酵生产丁二酸的原料。印度Agarwal等报道从牛瘤胃中分离获得的产琥珀酸E、 Coli,在优化后的含甘蔗糖蜜与玉米浆的培养基中,其丁二酸的产量比用葡萄糖与蛋白胨培养基的产酸提高了9倍。在10L发酵罐中,初始甘蔗糖蜜总糖浓度50 g/L,36 h生成17 g/L丁二酸,丁二酸的产率与生产强度分别为34%与0、5 g/（Lh）。刘宇鹏等研究用A、 succinogenesCGMCC1593发酵甘蔗糖蜜生产丁二酸,工业废糖蜜经酸预处理后作为培养基
