二羟基丙酮生产技术进展
南京工业大学 宋如 钱仁渊
l,3-二羟基丙酮（DHA）是一种重要的化工、生化原料，医药、农药合成中间体和功能添加剂，用途十分广泛。
其合成方法主要有甘油催化氧化法、甘油微生物转化法以及甲醛缩合法等3种，生产主要分布在美国、英国、德国
和日本，约50%的DHA用于生产化妆品。日本大赛璐化学工业公司DHA的年产量就达到100t，其中约50t用作中间
体，10t用作化妆品。大赛璐化学工业公司在德国也设有生产基地，生产能力约为1000t/a，以甘油为原料采用发酵
技术进行制备。到20世纪70年代,DHA在国外已得到了工业应用，而目前我国生产DHA技术仍较落后，大多依赖进
口。
一、甘油催化氧化法
氧化甘油端位的伯羟基,生成甘油醛；氧化甘油中间的仲羟基，则可生成DHA。在氧化过程中,产生一系列副产
物如甘油酸、丙醇二酸、丙酮二酸、羟基丙酮酸等。利用贵金属制备不同的金属催化剂,可选择性地氧化甘油，得到
所需的目的产物。
甘油催化氧化法初期是采用贵金属催化剂(例如钯、铂)，以活性碳为载体，空气为氧化剂进行氧化, 该反应必
须严格控制体系的pH值为酸性(pH值2～4),才能得到最大的产率。当采用Pd/C催化剂时，大多生成甘油伯位羟基
氧化的产物如甘油酸和丙醇二酸，而对甘油仲位羟基的氧化选择性效果较差，催化剂活性较弱，产品收率仅为4%。
使用Pt/C催化剂,虽然具有较强的氧化能力,但Pt对仲位羟基的氧化选择性也不高，只有10%左右。后来开发出双
元催化剂(例如Bi-Pt/C)。研究表明，Pt如果与带P电子的金属，尤其是第IV主族(Pb)与第V主族(Bi)的共同作用，
则对仲位羟基的氧化选择性会大大提高。瑞士联邦理工学院Hiroshi K 等人设计了固定床反应器,采用了Bi-Pt/颗
粒炭作催化剂,进行连续式操作反应, DHA产率达到30%，甘油转化率达40%，产品选择性从10%突增至80%。 Hiroshi
K 等公布的另一项研究结果表明，当催化剂是l%Bi-5%Pt/C时,DHA的产率为20%；当催化剂是0.6%Bi-3%Pt/C时，
甘油转化率为40%，DHA产率为30%。
据国外相关文献报道,目前合成DHA的产率已达到38%,选择性为80%,甘油转化率最高可达70%。我国海南大学
谢艳丽等合成了一系列贵金属多元催化剂，当采用催化剂9%Pt-5%Bi/C时，可以有效地将甘油选择性催化氧化成DHA，
反应温度为55℃、反应时间为50h时，甘油全部转化，DHA产率为5O.O5%。
注：甘油催化氧化法是一条经济、绿色的制备DHA的工艺路线。但是，目前该路线的产率还不是很高，反应结
束后体系中尚有大量未转化的甘油（仅有极少研究转化率较高），因此该法还有待进一步研究。
二、甘油微生物转化法
该方法是利用微生物代谢产生的甘油脱氢酶, 使甘油分子结构上的仲位羟基进行脱氢反应生成DHA。具有转化
能力的微生物主要有醋酸杆菌、葡萄糖酸杆菌、酵母菌和脉孢菌等,其中醋酸杆菌属的氧化葡萄糖酸杆菌
(Gluconobacter oxydans)是工业发酵生产DHA 的重要菌种。目前，微生物转化甘油生产DHA的方法有发酵培养法、
固定化细胞法、静息细胞法和多阶反应器连续生产法，其中发酵培养法是目前世界上生产DHA的主要方法。
发酵培养法即菌种在复苏后先进行预培养，然后转发酵罐扩大培养，待菌种达到一定浓度后，接种到含有甘油
的发酵培养基当中，经过60～80h的耗氧发酵，将发酵液一次放出，经分离纯化得到DHA。每一个分批发酵过程都
经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。采用流加甘油方法，在菌体生长到对数期时，并
在产物DHA达到一定水平(80～120g/L)后，放出部分产物，并补加原料和培养基，这样可以减少达到生产水平的生
物量的时间，提高底物甘油的利用率，节约成本。
Shigeki和Koichi等对用Acetobacter suboxydansATCC 621发酵法生产DHA进行了研究，确定了转化生产DHA
的最佳条件。研究表明：甘露醇、山梨醇、甘油都是较理想的碳源，但是对醋酸杆菌,甘油是唯一的碳源；氮源主要
有玉米浆、酵母粉、延胡索酸二胺、NH4Cl、NH4N03等铵盐，一般常用玉米浆和酵母粉。甘油作为唯一的碳源时，
pH值一般控制在5.5～6.0，其含量以2O%为宜，52～56h后转化率最高。华东理工大学冯屏、周家春等在间歇培养
基础上,利用膜生物器连续发酵法制取DHA,他们考察了不同甘油浓度、培养基组分和流速对连续发酵中菌体生长特
性和DHA产率的影响。结果表明:甘油浓度为60g/L、玉米浆和蛋白水解液浓度为0.5g/L、稀释率为0.067h-1 时,
菌体积累、甘油转化率和体积产率均较高,DHA 总产量可达491.6g,甘油平均转化率为91%，体积产率为8.97g/(L·h),
较生长细胞培养提高10～15倍。
选育高活性甘油脱氢酶的微生物菌株和分离提取工艺是微生物转化法的关键。目前国外已有分离纯化工艺的相
关专利报道。华东理工大学魏东芝等构建了一种全新的基因工程菌,该菌株为用重组基因工程质粒pET-gdh和
pET-ndh转化的大肠杆菌，开辟了利用基因工程菌生产DHA的先例。浙江工业大学郑裕国等在生物法DHA的研究中，
已筛选到新的能产生甘油脱氢酶的微生物菌株，如葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitaniae)、膜醭毕赤酵母(Pichia
membranifaciens)、地衣芽孢杆菌B-05571(Bacillus licheniformis B-05571)，其甘油转化率最高可达90%，并申
请了国家发明专利。目前已完成多批次50～100L生物反应器实验，现正进行20～60t发酵罐的产业化前期试验。
注：微生物转化法生产DHA具有专一性强、反应条件温和、底物利用率高、转化率高和副产物少等优点，而且
该方法还可应用于食品和医药工业等领域，该技术日趋成熟。从技术的经济性和环境的友好性来看，该法更具经济
和社会效益。
三、甲醛缩合法
甲醛缩合法是指在含有含氮杂环化合物的盐和质子接受体的缩合催化剂体系存在下，于基本上无水的液体反应
介质中进行甲醛的自缩合反应，生成DHA或其二聚物或低聚物。适宜的含氮杂环化合物的盐为噻唑鎓盐或咪唑鎓盐，
以脂族、芳族或杂环噻唑鎓盐为佳。这类盐包括卤化物，尤其是溴化物和碘化物盐；质子接受体包括胺类、含有碱
性氧原子的化合物和金属醇盐，以易于和产物分离为佳。早期研究局限于采用无机碱作催化剂和以甲醛水溶液作原
料，因此研究进展缓慢。20世纪80年代以来，以T.Matsumoto为代表的科学家进行了一系列技术上的重大改进:以
有机碱代替无机碱作为催化剂，并向有机碱中添加少量多羟基醛(如果糖)；以有机溶剂代替水溶剂；以无水甲醛(如
多聚甲醛)代替甲醛水溶液作为原料；以叔胺类的含氮化合物作助催化剂。改进后，显著提高了DHA 的选择性，而
且副产物大为减少。例如：以多聚甲醛为原料，以 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或二氧杂环己烷为溶剂，以3-乙基苯并
噻唑溴化物为催化剂，以三乙胺或奎宁环为助催化剂，在原料配比甲醛:催化剂:助催化剂=30:1:1(摩尔比)，反应温
度100℃和常压下反应0.5～1h，甲醛转化率为98%～99%时，DHA选择性达到89%～92%。
近几年来，英国BP化学、BCI及日本旭化成等公司均进行了大量的技术研究开发工作。BP公司进行了甲醛制
DHA连续运行试验，在中试阶段连续生产试验中，连续实验稳定运行128h，结果表明：当甲醛转化率约30%时，产
物DHA的选择性稳定在93%～97%，中试工艺趋于稳定运行，并逐步接近工业化。
注：甲醛缩合法最大的优点是原料简单易得，经济上具有显著的竞争优势，然而我国的甲醛缩合研究尚未开展，
更没有工业化生产装置。