我国生物法生产丙烯酰胺的现状及研发概况
丙烯酰胺（ Acrylamide），简称AM，是一种重要的有机化工原料，用途广、需求量大，其工业生产历经硫酸催化、铜系催化剂催化、生物酶催化三代技术。由于生物法具有反应条件温和、选择性高、产品纯度高及生产经济性高等特点而成为当今工业化生产AM的主流技术。国内对该技术的研究开发长达20多年，参与单位和人员较多，先后发表相关论文80多篇，申请专利10多项，报道的新腈水合酶生产菌株超过10株。其中上海农药研究所(原化工部上海生物化学工程研究中心)选育出具有高酶活力的Nocardia sp.86-163菌株，并在国内首先实现大规模应用，使我国成为继日、俄之后掌握工业化生物法生产AM技术的国家。现就国内生物法生产AM的研发概况及产业化现状与前景作一介绍。
1 AM的应用与生产方法
1.1 AM的用途
由于含有胺基和双键两个活性基团，AM化学性质相当活泼，可进行多种有机反应，因此应用广泛。其主要用途包括：(1)合成聚丙烯酰胺即PAM。它是一种线型聚合物，为水溶性高分子中用途最广的品种之一，在石油开采、水处理、纺织印染、造纸、选矿、洗煤、医药、制糖、建材、农业、化工等行业中均有应用，有“百业助剂”、“万能产品”之称。(2)合成AM衍生物及其聚合物。AM可用于合成多种AM衍生物，这些衍生物的聚合物或共聚物具有许多优良性能，用途广泛。典型代表有N-羟甲基丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N-丁氧基甲基丙烯酰胺以及N,N-二甲基丙烯酰胺等。(3)合成与其他单体形成的共聚物。如聚丙烯酰胺凝胶，它是由AM与N,N-亚甲基双丙烯酰胺形成的聚合物，应用于生化领域和整形外科领域。
1.2 AM的生产方法
德国学者Moureu在1893年就通过丙烯酰氯氨化法首次合成了AM，但在工业生产中，AM都由丙烯腈水合来制备，方法有三种，反应式如下：
CH2=CHCN+H2O→(催化剂)CH2=CHCONH2
(1)硫酸催化水合法 1954年美国氰氨公司开发，是以硫酸为催化剂，是早期唯一生产AM的方法。该法是间歇操作，流程复杂，要消耗大量的酸和碱，设备腐蚀严重，生产成本高，产品精制困难纯度低，故逐渐被淘汰。
(2)铜系催化剂催化水合法 70年代初日、美同时开发的技术，以铜系催化剂催化反应，与硫酸法相比，其过程短、设备简易、腐蚀小、未反应的丙烯腈可闪蒸回收使用、转化率及产物纯度都有很大提高，在70年代中期基本上取代了硫酸法。缺点是催化剂对空气敏感，与空气接触后其活性和选择性急剧下降；且反应温度较高，底物和产物易发生聚合。
(3)微生物酶催化水合法利用微生物产生的腈水合酶催化丙烯腈水合合成AM，始于1973年，法国学者Galzy等报道发现了一种能催化腈水解的微生物Brevbacterium R312，可用于催化合成AM。随后有许多国家的研究组涉足该研究，相关报道很多。1985年日东化学(Nitto Chemical)公司采用自己选育的Rhodococcus sp N-774菌种在横滨建立了年产0.4万的试生产装置，1991年使用了京都大学山田秀明教授选育的酶活性更高的Rhodococcus rhodococcus J-1菌种，使其生产规模上升到3万t/a。在90年代中期前后俄罗斯和中国也成功独立开发了微生物法工业化生产AM技术。
与铜催化法相比，微生物法省去了丙烯腈回收工段和铜分离工段。反应在常温、常压下进行，降低了能耗，提高了生产安全性，丙烯腈的转化率可达99.9%，产品纯度高，十分有利于制造高分子量的水溶性聚合物，污染小、过程简单、生产经济性高，新建一个生物法工业装置的设备费用估计约为前者的1/3。
1.3 国内外生物法生产AM简况
目前日、俄、中三国自主拥有微生物法工业化生产AM技术，日、俄、中、法、韩、美等国建有生产装置。全球利用微生物法生产AM产量约40万t/a。国内生产企业10家以上，总产能超过20万t/a，总产量超过15万t/a。俄罗斯利用其开发的Rhodococcus-SPM 8菌种也已建成2.4万t/a的生产装置。目前国际市场基本上被日东公司的技术所垄断，1998年三菱丽阳(Mitsubishi Rayon)公司兼并了日东公司从而成为该技术的新拥有者，Dia-Nitrix公司是三菱丽阳公司和三菱化学(Mitsubishi Chemical)公司于2001年共同成立的合资公司，它继承了该项技术，并成为日本最大的AM生产企业。近年来，Degussa、SNF及三井化学(Mitsui Chemical)等公司也开始采用生物技术生产AM。Degussa公司在俄罗斯拥有年产数千吨的生物法生产AM装置。SNF Floerger公司于1999年引进日东公司技术建造了一座2万t/a的AM工厂，2000年该公司再次获得三菱丽阳公司的专利授权，计划再建造5座新AM工厂，产能均为2万t/a，其中1座在中国泰兴。三井化学公司也在韩国釜山合资建造了0.5万t/a的生物法AM生产装置，2002年开始投产。
2 我国生物法生产AM的研发概况
生物法生产AM技术的核心是筛选和培育出腈水合酶的高产菌种。国内的研究始于1984年，参与的研究单位不少，最早的有上海交通大学、中国科学院微生物研究所、北京石油化工科学研究院、上海农药研究所等。先后报道了一些产酶新菌种和研究论文，但在工业化应用方面，除上海农药研究所之外，建立了工业生产装置的研究单位不多。
上海交通大学孙韦强等1988年筛选到了腈水合酶产生菌Pseudomonas putida JP-1和Pseudomonas chlororaphis 102，酶活分别为18.6U/mL和3.6U/mL，利用前者催化反应，4h后AM积累量为21.5%，转化率>99%，丙烯酸含量<0.5%。而该校罗九甫等则将其细胞固定化后装入小型串联填充柱，进行AM连续制备。酶活定义为：1U=1min内催化生成1μmol的AM所需的酶量，下同。
中国科学院微生物研究所的李文忠等1990年报道丁腈同化菌ZBB-21显示出了很高的AM形成活性，鉴定为棒状杆菌Corynebacterium sp.,利用其催化反应4.5h后AM积累浓度达270g/L，且未检测出丙烯酸，转化率和选择性均接近100%，1991年报道其腈水合酶比活力可达83.1U/mg。
北京石油化工科学研究院的曾云峰等1994年报道筛选到腈水合酶高产菌R 84和R 310，其中菌株R 310，酶比活力达66 U/mg，3L罐发酵酶比活力达80U/mg，利用其催化反应，AM浓度可达20%以上，转化率>99%，选择性>99%。
山东省科学院生物研究所的杨明慧等1996年报道分离出腈水合酶生产菌S115，鉴定为微球菌Micrococcus sp.,诱变得到酶活力提高的突变株AS 115，酶活为18.7U/mL，对丙烯腈的转化率为93.54%。
山东大学的王浩等1996年报道筛选到腈水合酶产生菌SD-16，鉴定为微球菌Micrococcus sp.,经诱导及产酶条件优化后，酶活为26.5U/mL。
核工业北京化工冶金研究院的张庆波等1998年报道筛选到腈水合酶高产菌L 401，鉴定为气单胞菌属，命名为Aeromonas sp. L 401，酶比活力达600U/mg，将细胞固定化后装入填充柱反应器，实现AM连续催化制备，并称已接近工业化阶段。
安徽科苑应用技术开发股份有限公司的马士忠等2000年报道筛选到腈水合酶产生菌诺卡氏菌KY 102，优化条件下酶活达1330U/mL，且具有特别高的转化乙腈的酶活力。
四川大学的邓林等2005年报道从土壤中筛选到腈水合酶产生菌YL-1，初步鉴定为红球菌Rhofovovvud，优化条件下酶活达134.5U/mg。
石河子大学的邱柱玉等2005年报道筛选到腈水合酶菌株Rhodococcus sp.SHZ，在氯化铵和丙烯腈诱导下，优化培养条件后酶活达到8208.3U/mL。新疆农业科学院微生物研究所的赵霞等优化了该菌株的发酵条件并研究了其酶学性质，通过在发酵过程中调节pH以及补加葡萄糖，酶活从2294U/mL提高到5226U/mL。
辽宁石油化工大学的李志东等2006年报道以筛选到的Nocardia sp.LNSY 0611为出发菌株，以脲、Co2+、丙烯酰胺为诱导剂，通过驯化后腈水合酶的酶活达72.5U/mg。
上海农药研究所的沈寅初等1986年筛选到一株腈水合酶高产菌，外观为橘红色，依据伯杰氏细菌学手册第八版初步鉴定为诺卡氏菌，暂定名为Nocardia sp.86-163。该菌株与国内外报道最多的Rhodococcus sp.系列菌株如Rhodococcus Rhodococcus J-1，以及其他几种红色诺卡氏菌株如Nocardia rhodochrous LL100-21，珊瑚色诺卡氏菌No.1，Nocardia rhodochrous，Nocardia corallina B-276等，同为诺卡氏菌类但不同菌属的腈转化酶产生菌有许多相似之处。该所的微生物法生产AM研究课题，“七五”期间被国家科委列为小试攻关项目，1991年被国家科委列为“八五”中试攻关项目，1995年又被国家科委列为“九五”国家重点科技攻关项目，并先后顺利通过验收。
经过多年的诱变选育及培养条件优化研究，菌株的酶活力、沉降性能及催化性能均得到显著提高，“八五”攻关后酶活达2891.4U/mL，“九五”攻关后酶活达5627.5U/mL。并与企业合作，不断优化并吸收应用新技术如膜技术等，生产工艺得到逐渐改良，由“八五”攻关期间开发的以离心分离细胞、固定化细胞催化反应、离心分离产物为特征的第一代工业化技术，发展到“九五”攻关期间的第二代工业化技术，采用离心分离细胞、游离细胞催化反应、超滤膜进行产物的分离。而近几年则是第三代工业化技术，采用微滤膜进行细胞分离、游离细胞催化反应、超滤膜进行产物分离的连续化生产工艺。生产技术水平也逐渐提高，见表1。并完善了其他配套技术如产品精制和分析方法等。
上海农药研究所的“生物法生产AM技术”，1996年被评为国家“八五”科技攻关重大科技成果，1997年获上海市科技成果一等奖，1998年获国家科技进步二等奖，2001年被评为“九五”国家重点科技攻关计划重大科技成果和优秀科技成果，2002年获杜邦科技创新奖。
表1 上海农药研究所生物法生产AM技术的发展
生产规模 |
0.44kt/a |
1.5kt/a |
≥5kt/a |
生产类型 |
中试生产 |
工业试生产 |
大规模生产 |
生产工艺 |
固定化细胞 |
固定化细胞 |
游离细胞 |
平均酶活/(U·mL-1) |
0.7M3罐2553.5 |
2.5M3罐2344.8 |
10M3罐>2400 |
丙烯腈转率(%) |
>99 |
>99 |
>99.9 |
丙烯酸含量(%) |
<0.5 |
<0.5 |
<0.3 |
总收率(%) |
94.8 |
94 |
97 |
丙烯腈单耗/(t·t-1) |
0.79 |
0.78-0.82 |
0.76 |
水溶液含量(%) |
25.2 |
>25 |
>25 |
粉剂含量(%) |
>98 |
98.5 |
>98.5 |
该所的技术转让企业在工业生产方面拥有各自经验，并在转让提供的原始技术基础上有各自发展和提高。如北京恒聚油田化学剂有限公司和江西昌九农科化工有限公司分别发展成为目前国内最大的微生物法AM和AM晶体生产企业。
此外，其他一些单位如江西农业大学、河南大学及清华大学等，也以Nocardia sp.菌种为对象，进行了相关基础研究工作，发表了一些研究论文，涉及菌种改良、细胞固定化、培养条件优化、产品精制、膜分离应用等。前者为江西昌九农科化工有限公司，后两者为焦作多生多生物化工有限公司等企业的工业生产提供了部分技术支持。清华大学先后参与了上海农药研究所“八五”和“九五”生物法生产AM攻关项目的鉴定会，自从2002年以来，其在将中空纤维膜技术应用于AM的生物法合成以及腈水合酶的提纯，酶反应动力学等基础研究方面有较多研究报道。如该校的刘铭等研究报道经实验室优化后的Nocardia sp.菌种酶活可达到10195U/mL，为国内外报道的最高值。而该校的于慧敏等则将Nocardia sp.菌种的腈水合酶基因进行了外源表达，得到的工程菌重组大肠杆菌和重组毕赤酵母，酶活分别为0.04U/mg和0.52U/mg。
另据有关报道，2005年由清华大学、青岛安全工程研究院等单位联合研究的“基因工程菌和膜反应新技术生产AM”项目通过鉴定，该项目由清华大学负责基因工程菌的构建以及AM生产的小试研究，青岛安全工程研究院负责生产的中试研究。该项目在国内首次构建了能表达腈水合酶的重组大肠杆菌，开发了生物反应与中空纤维膜分离耦合的AM生产工艺，并建立了0.5万t/a的试生产装置。
3 我国生物法生产AM的产业化过程与现状
国内有多个单位在生物法生产AM产业化方面进行过努力尝试，上海农药研究所最早成功地大规模推广应用，并与生产企业合作不断将生产技术提高到新水平。
1993年4月，上海农药研究所在“八五”攻关协作单位浙江桐庐农药厂(现桐庐汇丰生物化工有限公司)建立了国内第一套微生物法生产AM中试装置，实际产量440t/a。
1994年10月又在江苏如皋化肥厂(现江苏如皋南天集团公司)建成了1500t/a的试生产装置，生产运转正常后，又在江西农业大学化工厂(现江西昌九农科化工有限公司)、河北万全油田化学剂有限公司、山东胜利油田长安实业集团，建成了1000-2000t/a的生产装置，均采用第一代工业化技术。
“九五”攻关期间，与北京恒聚油田化学品有限公司和山东胜利油田长安实业集团等合作开发了第二代生产工艺，并分别建成2.5万t/a和1万t/a的生产装置，原有的生产装置也得到进一步扩建、改建。
而最近几年则采用了最新的生物法第三代生产工艺，引进Suntar公司的世界领先的具有高抗污染和高强度等特点的Ultra-flo TM膜系统，先后在吉化集团环保实业公司和大庆油田东昊实业公司等新建了生产装置。
至今，国内利用生物法生产AM的企业达10家以上，见表2，总产能超过20万t/a，年产量超过15万t/a，年创产值超过20亿人民币。
此外，清华大学和青岛安全工程研究院利用Nocardia sp.菌株基因工程菌和中空纤维膜分离技术在天津建立了0.5万t/a的试生产装置，并计划建立更大生产装置；张家口麦尔生化有限公司并购了河北万全油田化学剂有限公司，计划2006年将AM晶体的产能扩大至3万t/a，成为国内最大的微生物法AM晶体生产企业；SNF Floerger公司在中国泰兴的2万t/a的生产装置也已开工建设；国内还有多家公司正计划扩(新)建生产装置。
表2 国内主要微生物法生产AM企业及其产能
生产公司 |
菌种及原始技术来源 |
产能/万t·a-1 |
山东胜利油田长安实业集团 |
上海农药研究所 |
3.0 |
北京恒聚油田化学品有限公司 |
上海农药研究所 |
5.0 |
大庆油田东昊实业公司 |
上海农药研究所 |
1.8 |
河北万全油田化学剂有限公司 |
上海农药研究所 |
0.6 |
江苏如皋南天集团股份有限公司 |
上海农药研究所 |
0.6 |
吉化集团环保实业公司 |
上海农药研究所 |
1.0 |
辽河盘锦新建助剂化学品公司 |
上海农药研究所 |
0.5 |
焦作多生多生物化工有限公司 |
不详 |
1.3 |
江西昌九农科化工有限公司 |
上海农药研究所 |
2.5 |
江西南昌两江化工有限公司 |
上海农药研究所 |
1.6 |
浙江桐庐汇丰生物化工有限公司 |
上海农药研究所 |
不详 |
4 我国生物法生产AM目前存在的主要问题
国内外AM的生物法生产均采用固定化或游离细胞，在实际生产中都存在一些问题，主要包括：微生物菌株的产酶稳定性差，相同的菌种在不同的厂家、不同的培养条件、不同培养基来源、不同的水质、甚至不同的空气质量下表现出的酶活相差很大，有时高达4-5倍；底物耐受性差，高浓度的丙烯腈极易导致酶失活，生产中其浓度一般控制在较低水平；由于细胞中存在多酶体系，在高温及高底物和产物浓度时，易发生丙烯腈和AM向丙烯酸的转化，结果影响产率和产品纯度，而且酶的热稳定性较差，生产中温度一般控制在5-10℃。国内外都报道菌株对AM的耐受浓度实验室可达600g/L以上，但还需要在大生产中予以验证。因此提高菌种酶活表达的稳定性和底物耐受性，降低甚至完全消除丙烯酸的生成是微生物法生产AM领域的后继研究重点。采用基因克隆或基因改造及重组表达手段有望解决部分问题，但虽然国内外均有研究，目前结果还不理想。如清华大学构建的大肠杆菌和毕赤酵母工程菌酶活目前还不高，且不能够稳定积累。
5 我国生物法生产AM的前景
国内外95%以上的AM用于生产PAM或AM衍生物的均聚物和共聚物，2004年全球PAM的总产能为60万t，总产量为56.09万t，总需求量达65万t，国内产能为23万t，产量为20.1万t，总需求量接近24万t。预计2005-2010年，全球对PAM的需求年均增长率将达5.4%，其中亚太地区需求增长最快达9.1%。2004年全球约37%的PAM用于给排水处理，27%用于石油工业，18%用于造纸工业。而在我国PAM主要应用于石油开采行业，2005年国内PAM消费总量为22.3万t，仅油田三次采油消费量就达18万t。随着我国经济的发展，各行业对PAM及AM衍生产品的需求量将不断上升，预计到2010年，我国PAM年需求量将达到40万t，未来5年国内PAM市场缺口将达10万t吨以上。因此将需更多的AM单体，而目前国内AM总产量在25万t/a左右。所以从市场需求方面来看我国AM行业依然有着一定的开拓前景。
从技术方面来讲，一方面，采用生物法生产AM，符合经济环保的绿色化工发展方向。此外，生物法合成的AM纯度高易于合成超高分子量PAM，以满足各种应用需要。因此，生物法替代化学法是必然的发展趋势。目前，国内AM生产企业除中国石油大庆炼化公司和安徽天润化工公司等少数企业采用化学法外均为生物法；另一方面，经过多年的发展，国内生物法生产AM技术已具有较高水平，菌株酶活力、单个生产装置规模、单体质量及生产工艺水平都已达到国外先进水平，见表3，且由于大部分采用国产设备，故相同生产装置总投资较低，因此具备一定的竞争实力；再一方面，可以出口产品和技术，目前我国每年均有一定数量生物法AM单体和PAM产品向国外出口，未来依然具有一定的出口潜力，此外还可以向其他国家输出生产技术。目前国内的生物法AM生产企业在技术、生产、出口等方面基本上均相互独立互为竞争，若能够互相合作，并有国内相关部门和技术研究单位的配合，未来也将有可能在国际技术市场占一席之地。
表3 国内外AM生产技术水平比较
工艺路线技术来源 |
|
化学法国外技术 |
微生物法日东技术 |
微生物法国内技术 |
工艺特点 |
催化剂 |
骨架铜催化剂 |
微生物酶催化剂 |
微生物酶催化剂 |
反应温度/℃ |
120-125 |
10-25 |
10-25 |
反应压力/MPa |
0.2-0.3 |
常压 |
常压 |
转化率(%) |
83 |
99.9 |
99.9 |
选择性(%) |
96 |
99.9 |
99.9 |
AN单耗 |
0.79 |
0.75 |
0.76 |
公用工程消耗 |
电/(kWh·t-1) |
88 |
44.1 |
85 |
去离子水/(t·t-1) |
1.6 |
- |
4 |
工艺水/(t·t-1) |
7 |
3.2 |
3.3 |
蒸汽/(t·t-1) |
1 |
0.72 |
0.65 |
工艺空气/(m3·t-1) |
4 |
- |
282 |
冷却水/(t·t-1) |
136 |
3 |
24 |
冷冻水/(t·t-1) |
12 |
5.2 |
40 |
氮气/(m3·t-1) |
33 |
- |
- |
6 结束语
AM的重要应用价值，推动了其生产技术的发展，生物法是生产AM的第三代技术，国内近10年成功开发出了这一新技术，并经过多年的发展和改良，在工艺技术和生产规模上都走在世界前列。随着经济的进一步发展，AM类产品的用途被扩大以及新用途被挖掘，全球对AM类产品的需求量将不断上升，各领域的市场潜力会逐步显现。由于生物法所具有的优势，其代替化学法成为必然，少数掌握生物法生产AM技术的国家向其他国家输出技术或产品是一个发展趋势。因此，如我国生物法生产AM行业抓住机遇，在这个领域的发展仍将有所作为。
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