毕业论文课题相关文献综述
{title}毕业论文课题相关文献综述
{title}文 献 综 述 1.引言 琥珀酸,学名丁二酸,广泛存在于动植物和微生物体内,是生物进行TCA循环的中间产物之一。它是一种重要的有机合成中间体,主要应用于食品、医药、生物降解塑料、表面活性剂、洗涤剂、绿色溶剂和动植物生长刺激物等领域。人们主要是利用化学合成的方法,从丁烷通过顺式丁烯二酐生产琥珀酸。该方法以石油为原料,生产成本高,环境污染严重,从而限制了琥珀酸的广泛应用。因此,人们开始将目标转向通过生物发酵法来生产琥珀酸。微生物发酵生产琥珀酸以可再生资源糖和二氧化碳等作为主要原料,不仅摆脱了对石油化工原料的依赖,而且可以固定二氧化碳,减少温室气体,绿色环保,具有一定的环境效益。 在众多的琥珀酸生产菌中，目前研究最多的是琥珀酸放线杆菌( Actinobacillus succinogenes ) , 产琥珀酸曼氏杆菌(Mannheimia succiniciproducens) , 产琥珀酸厌氧螺(Anaerobiospirillum succiniciproducens) 和大肠杆菌( Escherichia coli)等。[1]虽然大肠杆菌的琥珀酸产量不高，通常为12 mol/100 mol葡萄糖。但大肠杆菌作为典型革兰氏阴性细菌，它的基因组和蛋白质组的信息比较全，其代谢途径也比较清楚，用基因重组以及其他分子生物学手段来提高它的琥珀酸产量是可行的。以野生型大肠杆菌W1485为出发菌株Clark等人通过插入外源基因使编码丙酮酸甲酸裂解酶pfl和乳酸脱氢酶ldh的基因失活的方法构建了菌株NZN111，其基因型为NZN111(F-Apfl::Cam ldhA::Kan)。NZN111不能以葡萄糖为碳源发酵生长，但可以以乳糖，果糖，甘露糖和海藻糖等为碳源发酵生成琥珀酸，乙酸和乙醇。这时底物的氧化还原水平就是决定产物生成比例的关键。对NZN111在含有卡那霉素的琼脂平板上培养并筛选到了自发突变株AFP111。AFP111能够发酵葡萄糖产生琥珀酸、乙酸和乙醇，并且能够利用外源氢为还原剂。[2] 2. 2.丁二酸的性质 3. 2.1物理性质 丁二酸以无色三斜晶体(a一型)和单斜棱晶体(p一型)形式存在。单斜棱晶体摩擦发光,在137℃以下稳定,而三斜晶体在137℃以上稳定(在空气中不易吸潮)。两种丁二酸晶体均溶于水、醇、二乙醚、无水甘油、丙酮以及后面两种溶剂的各 种含水的混合物。在熔点以下加热时,丁二酸升华。[3] 4.2 2.2化学性质 丁二酸是二元羧酸，134.8 ℃时两个羧基脱水生成丁二酸酐，水中可解离为质子和 丁二酸根阴离子，0.1 mol/L 水溶液的 pH 值为 2.6。丁二酸解离常数为 pK1＝4.21， pK2=5.64，等电点 pI＝4.93。不同的 pH 存在不同的解离型，如表2-1 表 2-1 丁二酸在不同 pH 时的解离型[4] 丁二酸可以参与很多化学反应，其主要反应如下[5]： ①氧化作用：与 H2O2反应，氧化为过氧丁二酸。KMnO4作用下生成草酸等化合物。 ②还原作用：在还原剂作用下还原为 1,4-丁二醇和四氢呋喃。 ③可与 SO3反应生成 2,3-二磺酸基丁二酸。 ④酯化反应：与醇反应脱水可得一系列单酯和双酯。 ⑤卤代反应：与 PCl3、PCl5反应生成丁二酰氯。 ⑥与氨类化合物反应，生成丁二酰亚胺。 2.3 毒性与安全 丁二酸毒性不大,是人体正常代谢产物,同时也是厌氧代谢的发酵产物之一。丁二酸 已被美国FDA认定为GRAS(一般认为安全),游离的丁二酸可引起某些刺激。对丁二酸及其钾盐、镁盐的研究表明,无任何的毒害作用。但大剂量服用可引起非特异性呕吐和腹泻。在工业中使用,未见职业性损害的报道。猫口服1g/kg剂量的丁二酸钠,未见异常,当剂量高达5g/kg,经4一5min后出现呕吐现象。静脉注射0.5g/kg,数分钟后就出现呕吐,剂量增至1g/kg,可出现呕吐,下泻,进而导致运动障碍,最小致死量(MLD)为2g/kg。 处理热的丁二酸或丁二酸配时应当戴活性炭防毒面罩。熔融的丁二酸可灼伤皮肤, 操作时应戴手套。当在碱金属离子存在下蒸馏熔融的丁二酸配时,会发生剧烈反应,甚至 爆炸。所以,处理丁二酸配的任何设备事先必须小心清洗,以除去微量的碱金属离子。来 自生产过程中的废水可用活性淤泥的生物降解法处理。[3] 3.丁二酸的合成方法 3.1 化学合成法 工业上丁二酸的生产方法主要为化学方法，生产工艺相对比较成熟。主要有石蜡氧化法、轻油氧化法、丁烷氧化法、丁二腈水解法、催化加氢法以及以乙烯和一氧化碳为原料的电解氧化法。目前，国内外主要使用的是催化加氢法。其催化加氢法主要是以顺丁烯二酸酐(马来酐)或反丁烯二酸在以载有活性炭的镍或贵金属为催化剂、温度 130～140℃的条件下加氢反应，生成丁二酸，然后分离得到成品。收率为 90%，产品纯度良好。[6] 以化学方法获得丁二酸，不仅底物顺丁烯二酸酐和催化剂的价格较高，并且不可避免地要消耗大量不可再生的石化原料，这对于石油资源日益枯竭的现象是十分不利的，而且其生产过程还会对环境造成污染。目前，国内的生产厂家主要是采用化学合成法来制取丁二酸，产量在 5000～7000 吨/年。 3.2 生物转化法 生物转化法主要是指以富马酸为底物，通过富马酸还原酶的催化作用转化为丁二酸。通过根霉生产的富马酸产酸率、转化率均较高，可直接用富马酸酶法转换成丁二酸，反应式如下：[7] 2001 年，韩国 Chonnam National University 的 Hwa-Won Ryu 等人[8]筛选到了一株粪肠球菌 Enterococcus faecalis RKY1。该菌在以葡萄糖或甘油为碳源发酵时可以产生延胡索酸还原酶将富马酸转化为丁二酸(丁二酸为主要产物)。2002 年，Vemuri G N[9]报道，采用基因工程大肠杆菌 AFPlll 的产酸水平为 85%～96%。当选用转化率为 95%时，估算采用生物转化法提取丁二酸的成本为 7221.5 元/吨，比化学合成法提取丁二酸的成本(12526 元/吨)降低 5304.5 元/吨[10]。生物转化法为丁二酸生产开拓了一条新的途径，但是由于使用了大量的底物富马酸，所以其生产的经济性还有待进一步研究。 3.3微生物发酵法 所谓微生物发酵法就是利用微生物菌种以农产物玉米、糖蜜等或直接以糖为基本原料通过微生物发酵积累丁二酸[11]。 发酵法生产丁二酸有诸多优点。首先，据报道采用新的微生物发酵生产工艺和电渗析、溶剂萃取的回收新工艺，预计丁二酸的成本价比传统的化学生产法成倍降低，由此可见，用传统的化学合成法生产丁二酸将让位于发酵法。其次，因为丁二酸的环境友好特性，成本的降低非常有利于该产品的广泛应用，丁二酸作为有机合成中间体取代许多苯类化合物和其他石化产品的市场前景广阔，社会环境效益显著[12]。第三，由于发酵法生产丁二酸是以可再生糖源(如葡萄糖)和二氧化碳作为主要原料，因此新工艺本身不仅摆脱了对石化原料的依赖，而且开辟了温室气体二氧化碳利用的新途径。 3.4电化学辅助发酵法 用AFP111厌氧发酵产丁二酸时，用于富马酸还原的NADH不足，限制了丁二酸的合成与积累。为了提高胞内可用NADH的含量，促进丁二酸的合成，一方面表达琥珀酸脱氢酶，增加富马酸向丁二酸的转化效率，另一方面试图通过电化学系统外源供给电子，促进NADH的再生，进一步提高菌体丁二酸的合成。 参考文献： [1]张玉秀，张云剑，李强.产琥珀酸放线杆菌发酵生产琥珀酸的研究进展[J]中国生物工程杂志，2008. [2]沈菲.琥珀酸发酵条件的优化和菌种选育:「天津大学硕士学位论文」;天津，天津大 学，2003. [3]XZhang.2007.(inChinese)张晓忠.丁二酸的绿色电化学合成技术[D].浙江工业大学,2007. [4]盛自华,王正发,.琥珀酸发酵生产[J].发酵科技通讯,2006,35(4):20 [5]邝生鲁,贡长生.琥珀酸的开发与应用前景[J].化工时刊,1991,(1):24-26 [6]孙超 (2008). 发酵丁二酸的提取工艺研究, 江南大学. 硕士: 78. [7]Anonymous . Lanxess ups maleic anhydride capacity[J].ChemnMarRep,2005,267:4 [8]Ryu H W, Kang K H, Pan J G, et al.Characteristics and Glycerol Metabolism of Fumarate-Reducing Enterococcus faecaliRKY1[J].Biotechnology and Bioengineering, 2001, 72: 120124 [9]Vemuri G N, A. Eiteman, and E. Altman. Effects of Growth Mode and Pyruvate Carboxylase on Succinic Acid Production by Metabolically Engineered Strains of Escherichia coli [J].Appl. Enviro. Microbio1,2002,171-172 [10]王庆昭,吴巍,赵学明.生物转化法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 [11]Datta,et al.process for the production of succinic acid by an aerobic fermentation[P]. US Patent: 5143833, 1992 [12] Zeikus J G, Jain M K, Elankovan P.Biotechnology of succinic acid production and markets for derived industrial products[J].Appl MicrobiolBiotechnol,1999,51:545552 |
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