丙酮酸合成与开发□刘立明  堵国成  李寅  陈坚    丙酮酸作为糖代谢中重要的中间产物，是多种氨基酸、维生素及
    丙酮酸作为糖代谢中重要的中间产物，是多种氨基酸、维生素及其他一些有用物质的重要原料，广泛应用于化工、制药和农药工业。丙酮酸的制备方法有3种，即化学合成、酶转化和发酵法。化学合成法一般以乳酸酯(或酒石酸)为原料，在液相或气相中将乳酸酯氧化为丙酮酸酯，再加水分解为丙酮酸；酶转化法主要是利用微生物细胞中的酶系将底物乳酸脱氢氧化为丙酮酸；直接发酵法即以微生物直接发酵糖质原料或其他碳源生成丙酮酸。目前，工业上生产丙酮酸的方法主要是化学合成法和发酵法。    一、化学合成法
    一、化学合成法    目前国内主要采用酒石酸与焦硫酸钾合成技术生产丙酮酸，该工
    目前国内主要采用酒石酸与焦硫酸钾合成技术生产丙酮酸，该工艺污染重，生产成本高，缺乏竞争力。上海复旦大学自行开发的乳酸乙酯空气氧化法，采用B-2型催化剂，转化率可达100%，收率约为60%，目前已经实现工业化。国外已有羟基丙酮法的工业化报道，但由于原料羟基丙酮在我国较为紧缺，因此工业化意义不大。    二、发酵法
    二、发酵法    发酵法生产丙酮酸包括两种方法：一是微生物在生长过程中直接
    发酵法生产丙酮酸包括两种方法：一是微生物在生长过程中直接利用碳源积累丙酮酸，称为直接发酵法；另一类是微生物先生长，再将底物转化为丙酮酸，称为休止细胞法。    发酵法生产丙酮酸的研究中，采用的微生物主要有酵母、细菌、
    发酵法生产丙酮酸的研究中，采用的微生物主要有酵母、细菌、放线菌。在直接发酵法生产丙酮酸的菌株中，酵母是研究最多的一种，特别是球拟酵母属。这些酵母均是从含盐量较高的地方分离得到的，具有耐高渗透的特性。从文献报道来看，酵母积累丙酮酸一般都以葡萄糖为底物。相对而言，细菌积累丙酮酸时所能利用的底物种类更多一些，有许多细菌能以葡萄糖酸、丙二醇和丙酸为底物生产丙酮酸，但丙酮酸产量很低。    发酵法生产丙酮酸已有几十年的历史，但转化率往往比较低，这
    发酵法生产丙酮酸已有几十年的历史，但转化率往往比较低，这是因为丙酮酸在糖代谢过程中处于最活跃的中心节点，在细胞中很容易转化为其他化合物，因此很难积累。发酵法生产丙酮酸是切断丙酮酸的代谢支路，使其得以积累。而且，丙酮酸作为发酵产物混合物的一部分，往往浓度相当低，从复杂的发酵液中分离提取丙酮酸一般难以进行，费用也比较昂贵。    发酵法生产丙酮酸是以丙酮酸高产率、高产量和高生产强度为目
    发酵法生产丙酮酸是以丙酮酸高产率、高产量和高生产强度为目标的。为了提高发酵法生产丙酮酸的竞争力，以后的研究工作应集中在以下几个方面：在保证细胞正常代谢的前提下，尽可能减少丙酮酸的降解或转化，这是获得丙酮酸高产量和高产率的必要条件；加快从葡萄糖到丙酮酸的代谢速度，以确保获得丙酮酸的高生产强度。    三、国内研究及生产情况
    三、国内研究及生产情况    国际上发酵法生产丙酮酸的研究始于1950年。与化学合成法相
    国际上发酵法生产丙酮酸的研究始于1950年。与化学合成法相比，发酵法具有原料成本低、来源广、产物纯度高、反应条件温和等许多优点，是目前极具市场竞争力、发展前景良好的工艺路线。虽然有关发酵法生产丙酮酸的研究至今已有40余年，但工业化历史尚未超过10年。发酵法生产丙酮酸工业化的实现，是日本生物技术进步的又一个实例。尽管日本科学家在丙酮酸高产菌的筛选和发酵条件上做了大量卓有成效的工作，但很少有从生化工程角度出发优化丙酮酸的发酵生产过程的报道，而后者又是保证优良菌种生产潜力得以最大发挥的必要条件。我国应当大力开发自己的丙酮酸发酵生产技术，尽快实现发酵法生产丙酮酸的产业化。    我国江南大学生物工程学院承担了江苏省“九五”工业重大科技
    我国江南大学生物工程学院承担了江苏省“九五”工业重大科技攻关项目“发酵法生产丙酮酸中试”对葡萄糖发酵法进行研究，其产酸率达到7.7%，葡萄糖转化率约70%，已经达到国外先进水平。并且在综合国内外丙酮酸提取研究的基础上，自主开发了萃取法提取发酵液中丙酮酸的技术专利。当前此法尚未实现工业化，但它具有污染少、产品质量高等优点，是一条极具发展前景的工艺路线。    目前，国内丙酮酸及其盐、酯的主要生产厂家有近10家企业，
    目前，国内丙酮酸及其盐、酯的主要生产厂家有近10家企业，年生产能力只有约1000t，而且大部分企业采用落后的酒石酸合成技术，环境污染比较严重，生产成本高，面临淘汰的危险。在采用发酵法生产丙酮酸方面，目前我国只有江苏常州常茂生物化工有限公司采用中试设备在进行少量生产，没有形成发酵法生产丙酮酸的工业化。由于发酵法生产丙酮酸的生产工艺与其他有机酸和氨基酸类似，因此，有机酸和氦基酸厂对设备进行适当改造即可投入生产，设备投资很小。按丙酮酸产量5%、糖酸转化率40%、提取总收率80%进行经济核算，每吨丙酮酸的生产成本(原料、水、电、汽、人工)为4.5万～5.5万元。一个年产250t的丙酮酸发酵车间，每年销售收入可达2500万元，经济效益非常显著。此外，若我国发酵法生产丙酮酸可满足国内市场需要，还能同时为国家节约大量外汇，具有明显的社会效益。    四、发展前景
    四、发展前景    丙酮酸作为一种新型医药、农药和日化中间体，近年来国内外市
    丙酮酸作为一种新型医药、农药和日化中间体，近年来国内外市场需求增长极其迅速，价格居高不下。我国目前丙酮酸系列产品主要以出口为主。随着人民生活水平的不断提高，丙酮酸系列产品在国内市场的需求会逐渐扩大，尤其是作为减肥药原料发展很有前途。另外，在其他医药方面需求也比较强劲。而且随着其技术工艺的不断完善，生产成本下降空间较大，因此丙酮酸发展前景十分广阔。    我国丙酮酸的合成技术进步很快，尤其是江南大学的葡萄糖发酵
    我国丙酮酸的合成技术进步很快，尤其是江南大学的葡萄糖发酵法技术和复旦大学的乳酸乙酯空气氧化法技术均已达到国际先进水平。丙酮酸类商品生产成本低，产品质量好，在国际市场上极具竞争力。我国已经加入WTO，这必将促进国内医药中间体产品的出口，因此应大力发展出口形势看好的丙酮酸。有条件的企业，可以采用先进技术开发生产系列化丙酮酸产品，做到产品系列化、精细化，同时加大下游产品的研究开发，必能获得丰厚的收益。