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丙酮酸合成工藝的研究進展
王飛娟 2012/3/23
摘要：丙酮酸是藥物合成與有機合成的重要中間體。本文本要闡述其化學合成法和生物技術(shù)法合成的現(xiàn)狀、研究進展及其發(fā)展前景，并將各種方法進行對比，目的為以后的生產(chǎn)、研究提供參考。
關(guān)鍵詞：丙酮酸；化學合成；生物技術(shù)；酶催化法；生物工程；微生物發(fā)酵法；
丙酮酸[1]，又稱ａ-氧代丙酸，結(jié)構(gòu)為CH3COCOOH，是所有生物細胞糖代謝及體內(nèi)多種物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的重要中間體，因分子中包含活化酮和羧基基團，所以作為一種基本化工原料廣泛應(yīng)用于化學、制藥、食品、農(nóng)業(yè)及環(huán)保等各個領(lǐng)域中[2]。丙酮酸可通過化學合成和生物技術(shù)多種方法制備。
1 化學合成法
1.1 酒石酸脫水脫羧法 此法工藝簡單易行：將酒石酸與硫酸氫鉀混合物在220℃下蒸餾，餾出物再經(jīng)真空精餾即得丙酮酸。此法的特點是加入導(dǎo)熱油之后，在一個均勻體系中進行反應(yīng)，降低了反應(yīng)溫度，減少氧化程度，可操作性大幅度提高，適合繼續(xù)反應(yīng)生成丙酮酸系列產(chǎn)品。其缺點是丙酮酸產(chǎn)率較底，得1g丙酮酸需消耗5g硫酸氫鉀。僅原料成本就達8萬元每噸，因成本過高而無法為大多數(shù)廠家所接受。
1.2 乳酸氧化法 以乳酸為原料，氧化脫氫一步法生產(chǎn)丙酮酸[3]。但乳酸直接制取丙酮酸非常困難, 根據(jù)工藝不同必須選用合適的催化劑�？梢赃x擇的催化劑有磷酸鐵、鉬酸碲鹽、銀、釩等[4]。此法酒石酸的氧化脫羧法相比，具有能耗低、污染小、產(chǎn)率高等優(yōu)點，適合工業(yè)化生產(chǎn)。其缺點是成本也較高，約6萬元每噸。
2 生物技術(shù)法
生物技術(shù)法生產(chǎn)丙酮酸，由于成本較低、產(chǎn)品質(zhì)量較高、對環(huán)境污染小而得到發(fā)展，主要有酶催化法和微生物發(fā)酵法。
2.1 酶催化法 用酶或微生物細胞作催化劑,使葡萄糖或三羧酸循環(huán)的某些中間代謝產(chǎn)物,在一定條件下,轉(zhuǎn)化為丙酮酸的技術(shù),稱為酶催化法。其主要過程是先進行小規(guī)模的微生物培養(yǎng),菌體收集,直接轉(zhuǎn)化或用載體包埋成固定化酶,然后轉(zhuǎn)化生成丙酮酸[5]。酶催化法設(shè)備投資小,能耗低,轉(zhuǎn)化率高,但底物來源較窄、成本比較高約5萬元每噸，因此其進一步推廣受到限制。
2.2 基因工程技術(shù) 利用基因重組技術(shù)構(gòu)建高表達乙醇酸氧化酶、過氧化氫酶等的基因工程菌，用于生產(chǎn)丙酮酸的技術(shù)。這些酶能催化乳酸與氧反應(yīng)生成丙酮酸。其技術(shù)是先將乙醇酸氧化酶基因和過氧化氫酶基因分別與DNA載體重組，構(gòu)成重組子，并分別轉(zhuǎn)入宿主細胞，分別獲得兩種酶高表達的基因工程酵母，按0.713mol/LL-乳酸鈉溶液每100ml加濕重轉(zhuǎn)化體5g,同時加一定量滲透劑,在5個大氣壓下,以70psig氧壓通入氧氣,5℃攪拌轉(zhuǎn)化4小時，丙酮酸產(chǎn)率大97.7%[6]。本技術(shù)底物轉(zhuǎn)化率高，但技術(shù)難度大。
2.3 微生物發(fā)酵法 微生物代謝過程中,利用葡萄糖積累丙酮酸的過程稱為微生物發(fā)酵法。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸研究已有50年歷史，但因丙酮酸高產(chǎn)菌株選育十分困難，雖有一些微生物能夠積累丙酮酸，但其產(chǎn)量無法達到工業(yè)化要求[7]。該法生產(chǎn)丙酮酸真正取得突破，是在1988年時,日本東麗工業(yè)株式會社的研究人員宮田令子和米原轍選育出一系列丙酮酸產(chǎn)量超過50g/L的球擬酵母菌株,使微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的工業(yè)化成為可能。1992年,日本開始采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸[8]。產(chǎn)量為400噸每年,成本約為2-3萬元每噸。
與化學合成法和酶轉(zhuǎn)化法相比,微生物發(fā)酵法因原料來源廣,能耗低,污染少,成本低而更具有優(yōu)越性[9]。但微生物發(fā)酵法缺點是轉(zhuǎn)化率比較低,這是因為丙酮酸是糖酵解途徑的關(guān)鍵中間產(chǎn)物,在細胞中,丙酮酸作為一種重要的中間代謝產(chǎn)物連接了EMP和TCA中心代謝途徑，又與多條分支代謝途徑相關(guān)聯(lián)，可轉(zhuǎn)化為多種發(fā)酵產(chǎn)物而無法在體內(nèi)積累。因此需要切斷或弱化其進一步代謝,才能使其在細胞中大量積累。即加快葡萄糖向丙酮酸的轉(zhuǎn)化率，減弱向TCA循環(huán)的通量，切斷或減弱其分支代謝途徑，促進分泌，減弱丙酮酸的再利用，最終實現(xiàn)丙酮酸的大量積累。為達此目的，就必須對微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的影響因素進行研究。
微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的影響因素有：菌種選育，營養(yǎng)條件，維生素水平，供氧模式，葡萄糖的質(zhì)量濃度等等,其最關(guān)鍵的是菌種選育和營養(yǎng)條件[10]。
為了提高微生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酮酸的競爭力，對微生物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸的工業(yè)化在發(fā)酵部分還需要：①進一步改善丙酮酸生產(chǎn)菌的產(chǎn)酸能力和遺傳穩(wěn)定性，提高糖酸轉(zhuǎn)化率，縮短發(fā)酵時間；②提高生產(chǎn)菌對高濃度丙酮酸的耐受性，以期進一步提高丙酮酸濃度，便于下游處理；③目前原料成本中葡萄糖的費用占了很大的比例，因此，要提高生產(chǎn)菌株對廉價底物(如糖蜜、淀粉糖)等的利用能力。
今后的研究工作應(yīng)集中在：①在保證細胞正常代謝的前提（未完，下一頁）
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