对甘油制备1,3-丙二醇工艺进行设计
-发酵法制备1,3-丙二醇
摘要：本设计以甘油为原料，在无氧条件下，利用克雷伯氏菌发酵生产1,3-丙二醇，符合绿色化学的特点。通过测定菌体生物量、葡萄糖浓度、蛋白质浓度、甘油脱水酶、丙醛的浓度，可以初步判定发酵进行程度。设计实验对克雷伯氏菌发酵特性进行研究，分别研究温度、PH、甘油初始浓度、氮源对菌体生长和 1,3-PD 合成的影响。
关键词：1,3-丙二醇、甘油、克雷伯氏菌、厌氧发酵
1 前言
1,3-丙二醇(1,3-PD)是一种重要的化工原料 ，它可作为化学和医药工业中多种润滑剂、有机溶剂和前体的合成原料。它作为聚酯、聚醚和聚氨酯的重要单体原料合成的聚合物具有生物可降解性、安全无毒、可循环利用等优点，不仅在服装和工程塑料领域得到了广泛应用，在食品、药品和化妆品等领域也开始崭露头角。以 1,3-丙二醇为原料合成的食品添加剂丙二醇酯，是世界六大食品乳化剂之一，目前已被美国、日本和中国等国家及欧盟，联合国粮农组织和世界卫生组织批准使用?1?。20世纪90年代中期,工业上成功开发出了以1,3-PD为原料的新型聚酯材料-聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT), PTT性能优良,因此研究开发低成本的1, 3-PD生产技术成为关注的热点。1,3-PD的生产方法有化学法和生物转化法。
生物法合成 1,3-PD 符合“绿色化学”的特点，利用甘油或葡萄糖等可
再生资源为原料，生产清洁，对环境无污染，符合我国可持续发展的需要。近几年，随着以大豆油与菜籽油为原料生产生物柴油产量的迅速增长，产生了大量副产物甘油；用甘油合成附加值更高的 1,3-丙二醇有利于资源的综合利用，引起了如杜邦公司、陶氏化学公司、亨斯迈公司等公司的关注?2?。发酵工程作为生物法合成 1,3-PD 的关键环节更是人们关注的热点。2003 年美国环境保护机构向杜邦授予“绿色化学总统奖”，专门用于表彰该公司对生物基 1,3-PD 工艺开发所作的研究。
2 1,3-丙二醇(1,3-PD)的概述
2.1 1,3-丙二醇(1,3-PD)的基本性质
1,3-丙二醇(1,3-PD)无色无味，易溶于水、乙醇和多种有机溶剂，微溶于氯仿和甲苯，是一种重要的化工原料。与其它二元醇相比，1,3-PD 具有更高的沸点和更低的熔点（见表1-1）。
表1-1 1,3-丙二醇与其他二醇的性质比较
性质 熔点（℃） 沸点（℃） 密度（g/cm）
3乙二醇 8.5 116 0898
1,2-丙二醇
-59 118 1.036
1,3-丙二醇
-27 216 1.060
其化学性质体现了醇和二元醇的典型性质可与羧酸缩合成酯，与异腈酸盐及酸性氯化物反应生成聚氨酯，与二元酸反应生成聚酯。由 1,3-PD 制得的聚合物易于生物降解，对环境友好。关于 1,3-PD 的生物毒害作用，早期报道 1,3-PD 对哺乳动物具有低水平的毒性，大鼠 LD50 大约是 10 g/kg，兔子 LD50 大约是 4.2 g/kg?3?。但是最近 Gingell 对大鼠的研究表明，长期的 1,3-PD 摄入（1000 mg/kg·day）并没有对大鼠产生毒害作?4?。 2.2 1,3-丙二醇的主要用途
1,3-PD 由于其对称性的三碳结构被用作许多化合物和聚合物的合成，可用于食品、化妆品和制药等行业，也可用于抗冻剂、增塑剂、乳化剂等的合成原料。 （1）作为中间体用于食品、化妆品和制药等领域。
以 1,3-PD为原料合成的丙二醇酯是一类食品添加剂，其作为世界六大食品乳化剂之一，目前已被美国，日大等国家及联合国粮农组织和世界卫生组织批准使用。由1,3-丙二醇合成的聚合物由于具有生物可降解性、安全无毒以及耐油、耐老化等许多其它二元醇合成塑料所不具有的优良特性，在食品包装材料具有广泛的应用前景。
以 1,3-PD 为基础合成的 2-氨基-1,3-丙二醇及其衍生物可以预防或治愈移植接受者的急性或慢性排斥反应，并可预防或治愈由于移植引发的血管疾病。非氨酯中间体 2-苯基-1,3-丙二醇作为新一代抗癫痫药，也正得到越来越多的应用?5?。
（2）作为单体用于合成聚酯、聚氨酯等聚酯材料。
以 1,3-PD 为单体合成的聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）由于具有回弹性好、易染色等比聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等合成纤维更优良的特性，在地毯、服装面料、工程塑料和薄膜制造方面均有较好的应用前景1998 年，PTT 被美国评为六大石化新品之一。作为二元醇，1,3-PD 还能代替 1,4-丁二醇和新戊二醇作为中间体，近来美国 Chem Systems 公司研究发现 1,3-PD 的二醇官能团使其用于聚氨酯的生产具有很大潜力，可用于聚酯多元醇的生产和链增长剂。 2.3 1,3-丙二醇的生产概况
早在 1948 年, 美国 Shell 公司就申请了以丙烯醛水合路线合成 1,3-PD 的专利，并于 20 世纪 70 年代实施了产业化。90 年代中期荷兰壳牌公司首先实现 PTT 商品化,商品名为 Corterra,并开发了化学法生产 1,3-PD 的新工艺路线,年产量 4,000ｔ从此激起全球 PTT 开发热潮。而后，年产 72,000t 的装置已于 1999 年 12 月在路易斯安那 Geismar投入运营。德国 Degussa 公司 1995 年宣布已成功地开发出以丙烯醛为原料合成 1,3-PD 的新工艺，其成本与乙二醇大致相当，并在比利时的 Ant werp 建成 2000 t/a 中试装置。1996年又建设了 5 万 t/a 工业生产装置，其产品用于生产新型聚酯纤维 PTT 和聚酯涂料。1998年美国杜邦公司从Degussa公司获得了化学法生产技术,但杜邦公司并不把化学法作为生产1,3-PD的主要方向,而倾向于用经济可行的生物转化法进行生产,与世界第二大工业酶生产商Genencor国际有限公司申请了以可发酵碳源为底物用基因工程菌直接生产1,3-PD的专利基于这一创新，2003年美国环境保护机构向杜邦授予“绿色化学总统奖”，专门用于表彰公司对生物基1,3-PD工艺开发所作的研究2004年6月20日，杜邦公司最新推出的以1,3-PD为主要原料生产的最先进的高分子聚合物Sorona?。杜邦已宣布，将从2006年开始通过使用生物基1,3-PD来生产Sorona?，即所采用的1,3-PD将是用玉米糖发酵的生物技术而制备的。根据2006年7月4日ICIS报告显示，Dupont公司与英国Tate & Lyle公司合作建成以玉米葡糖为原料年产45Kt/a的发酵法生产1,3-PD装置，已在美国田纳西州洛顿市试运行。 2.4 1,3-丙二醇的合成方法 2.4.1 环氧乙烷法生产 1,3-丙二醇
环氧乙烷法是荷兰壳牌(Shell)等公司开发的一种新方法。该法包括两步反应，环氧乙烷（简称 EO）首先与 CO 和氢气进行氢甲酰化反应生成 3-羟基丙醛，后者再在一个固定床催化剂上 7.5MPa～15MPa 和 100℃～200℃下加氢制得
1,3-PD。总反应式如下： EO ＋ CO ＋ 2H2→ 1,3-PD。该工艺的特点是技术难度大，装置投资高，但产品的质量和成本有竞争力。 2.4.2 丙烯醛水合加氢法
1,3-丙二醇丙烯醛法是 Degussa 公司开发的方法，也包括两步反应。第一步是在未透露的酸催化剂存在下，丙烯醛水合为 3-羟基丙醛；第二步反应实际与环氧乙烷法的第二步反应相同。反应式如下：
第一步：丙烯醛水合为 3-羟基丙醛 CH2=CHCHO + H2O → HOCH2CH2CHO 第二步：3-HPA 催化加氢制得 1,3-PD
HOCH2CH2CHO + H2→ HOCH2CH2CH2OH 丙烯醛路线反应条件比较温和，技术难度也不大。但丙烯醛本身也是一种重要的有机中间体，而且属剧毒易燃易爆物品，难以储存和运输。
2.4.3 生物法合成 1,3-丙二醇
自 1881 年 Auhust Freund 发现巴斯德梭菌(Clostridium pasteurianum)能够利用甘油合成 1,3-PD 以来，至今已发现多种微生物具有在厌氧或兼性厌氧条件下合成 1,3-PD 的能力，包括：克雷伯氏肺炎杆菌（Klebsiella
pneumoniae）、产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)、弗氏柠檬菌(Citrobacter freundii)以及絮凝长杆菌（Enterobacteragglomerans）、乳杆菌属的短乳杆菌（Lactobacilli brevis）和布氏乳杆菌(Lactobacilli
buchneri) 、梭菌属的丁酸梭状芽孢杆菌 (Clostridia butyricum) 和巴氏梭状芽孢杆菌(Clostridia pasteuianu)等，其中克雷伯氏肺炎杆菌、丁酸梭状芽孢杆菌、弗氏柠檬菌因具有较高的 1,3-PD 转化率及生产强度，是研究的最多的三种菌?6?。
3 材料与方法
3.1 材料 3.1.1 菌种
实验所用 1,3-PD 转化菌 Klebsiella pneumoniaeXJPD-Li 从新疆特殊环境土样中筛选得到,由石河子大学兵团化工绿色过程重点实验室。 3.1.2 试剂
酵母浸膏、碳酸钙、硫酸铵、磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸亚铁、氯化钙、氯化钴、氯化锰、氯化锌、硼酸、钼酸钠、氯化镍、氯化铜、氯化铵、氯化钾、硫酸钠、氯化镁、氯化铁、氯化钙、柠檬酸、氯化钠、氢氧化钠、甘油、辅酶I、1,4一二硫代苏糖醇、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、1，2一丙二醇、柠檬酸钾、盐酸3一甲基一2苯并噻唑酮腙(MBTH)、维生素B12。 3.1.3 培养基
(1) 固体培养基（g/l）：LB 培养基，用于菌种保藏及活化。牛肉膏 10，蛋白胨 10，NaCl 5，琼脂 17 ，pH 7.0。
(2) 限制性培养基（g/l）：用于菌株驯化。甘油 20，硫酸铵 6，NaCl 1，pH 7.0。
(3) 发酵（种子）培养基（g/l）：见表 2－1
表2-1 发酵（种子）培养基组成
组分成分 磷酸氢二钾 磷酸二氢钾 硫酸铵 硫酸镁 氯化钙 酵母粉 甘油 微量元素 铁溶液
发酵培养基（g/l）
5.1 1.5 6.0 0.2 0.02 1.0 20.0 1.0 2.0
3.1.4 主要仪器与设备
分光光度计721型、电热恒温鼓风干燥箱VIS一9140A、828型Thermo OrionpH计、电子天平CBP 190S、超声波细胞破碎仪UP 50H、高速冷冻离心机3K30、4kl5超速低温冷冻离心机、联机紫外可见光分光光度计UV-2401(PC)S以
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