琥珀酸文献综述

第一章、绪论

一、琥珀酸简介:

早在1550年，．Agricold首先用蒸馏琥珀的方法得到丁二酸，并由此得名琥珀酸[1]，它是一种常见的天然有机酸，广泛存在于人体、动物、植物和微生物中,并广泛地用于医药、农药、染料、香料、油漆、食品、塑料和照相材料工业，是合成30多种重要商业产品关键化合物，具有很高的商业价值。随着国民经济的迅速发展．琥珀酸的使用量和需求量正在日益增大，目前，琥珀酸大体是由化学法生产的，但直接生产出来的琥珀酸纯度未达标，市场要求的琥珀酸纯度一般大于95％，而除了采用顺酐加氢法制琥珀酸时产品中的琥珀酸纯度会大于90％以外，其它方法生产琥珀酸产物中琥珀酸的含量通常都很低，尤其是生物发酵法和石蜡氧化法生产的产品，含有许多种副产物，产物中琥珀酸的浓度不会大于30％，因此提纯琥珀酸至关重要。在这一背景下，研究一种更有效的琥珀酸提纯技术便是非常有必要的。

图1 琥珀酸为基础的化学制品

1.1.1物理性质

琥珀酸(Succinic Acid，Butanedioic Acid)，分子式C4H6O4，分子量1l8．09，

。

图2 琥珀酸结构式

琥珀酸性状为无色三斜晶体或单斜晶体，熔点460—461K，溶于水、乙醇、乙醚等溶剂中，几乎不溶于苯、二硫化碳、四氯化碳和乙醚。琥珀酸无臭，低毒，可燃。比重1．572，熔点180℃---187℃，沸点235℃(分解)。

表1 丁二酸在水中的溶解度

温度（℃）0 10 20 25 30 40 50 60 70 80

溶解度

2.80 4.51 6.80 8.06 10.58 16.21 24.42 35.83 51.07 7.07. （W/W%）

1.1.2化学性质

琥珀酸具有二元酸大多数的典型反应，由于琥珀酸分子含有两个活泼的亚甲基，因此又具有许多别的重要反应特性，如卤化、脱水、酯化、磺化、酰化、氧化、还原等。琥珀酸具有优良的性质，所以可合成多种复杂有机物的中间体和制造药物，广泛用于合成塑料、橡胶、医药、食品、涂料等工业中。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。

琥珀酸及琥珀酸盐可以参与很多化学反应，其主要反应如下

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l，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。

图3 琥珀酸与氨化合物反应

⑦与氯化铁溶液反应：氯化铁溶液与琥珀酸盐在中性溶液中作用时，即有碱式琥珀酸铁的淡棕色沉淀形成；同时有若干游离的琥珀酸生成，致溶液呈酸性反应。

3C2H4(CO2Na)2+2FeCl3+2H2O2→C2H4(CO2)2Fe(OH)+6NaCl+C2H4(CO2H)2

1.2、琥珀酸的市场及其用途

琥珀酸是一种二羧酸，是三羧酸循环的中间产物，同时也是厌氧代谢的发酵产物之一，很多微生物生产琥珀酸盐做为它们能量代谢的主要终产物。琥珀酸已被美国FDA 认定为GRAS(一般认为安全)，这使得它可以用于多种用途。它是一种重要的二元羧酸

平台化合物，是制造新一代生物可降解材料PBS聚酯的主要原料，利用可再生的非粮生物质资源及C()2厌氧发酵制备琥珀酸，可显著减少对石油等化石资源的依赖并减少温室气体排放，已经成为各国的研究热点，琥珀酸存在四种主要的市场：

在食品加工中，丁二酸是一种理想的酸味剂，丁二酸的钠盐可改善酱油、豆酱、液体调味及炼制品的质量，用于咸菜、火腿、香肠、鱼加工产品、肉罐头等的风味改良剂，还用于奶粉、奶片、饼干的强化剂，促进生长发育。

在医药卫生中，丁二酸钠具有医治昏迷的疗效，丁二酸的铵盐可做镇静剂，丁二酸及其酸酐用于制造磺胺药、维生索A、B6、止血药和可的松衍生物，丁二酸对巴比妥酸盐中毒具有解毒作用，丁二酸乙酯红酶素又名利菌沙，是人们常用的口服抗菌药在农业方面，丁二酸是一种植物生长激素，它能控制植物生长、调节养分、增加抗旱、抗病、抗冻能力。施用于农作物一般能增产10％一20％，还用来处理大麦黑穗病，用作除草剂的添加剂。

丁二酸衍生物是一种良好的表面活性剂，是去垢剂、肥皂和破乳剂的组份；丁二酸可生产脱毛剂、牙膏、清洗剂、高教去皱美容酯。丁二酸还用于染料、润滑剂、添加剂、弹性体中。

1.3`、琥珀酸的制备

目前世界生产琥珀酸主要采用合成法，其起始原料为顺丁烯二酸酐（下称"顺酐"）。顺酐加氢后即成为琥珀酸粗品（工业级），再经精制可得到药品或食品级琥珀酸。据统计，顺酐中用于合成琥珀酸及琥珀酸酯的仅占产量的 2.4％，实际上国内用于合成琥珀酸或琥珀酸酯的顺酐原料年消耗量约为7000～8000吨。

工业上丁二酸的生产方法主要为化学合成方法，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。

石蜡氧化法：石蜡在钙、锰催化下氧化得到混合二元酸氧化石蜡，后者经过热水蒸汽蒸馏，去除不稳定羟基油性酸及酯，水相含琥珀酸，经过除水得到琥珀酸的结晶。

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。

图4 琥珀酸催化加氢法合成方程式

此外还有电化学还原法生产丁二酸，顺酐电还原法制琥珀酸是目前电化学还原法生产琥珀酸的主要方法之一。采用电解法生产琥珀酸的电解装置分为有隔膜循环法和无隔膜循环法两种。有隔膜电解的缺点为隔膜易破损、隔膜电解槽结构复杂、造价高、能耗高、电解反应的有效容积小。无隔膜电解存在以下缺点：对作为阳极的材料要求高，电极腐蚀严重，电解槽维护成本高。所以电解法生产琥珀酸不适宜大规模工业化生产。

图5 电化学还原法生产丁二酸的工艺流程

21世纪初，马淳安教授及其助手与安徽三信化工公司合作建成我国第一条琥珀酸电解法试线产量为500吨。随后，马淳安教授又与安徽安庆市兴和化工公司合作，建成一条年产3000吨级的电解法琥珀酸新生产线。我国绝大多数琥珀酸生产企业均在使用顺酐加氢法生产，目前只有安徽三信化工和兴和化工使用马淳安教授发明的新工艺除了安徽三信化工和兴和化工这两家生产商。此外，我国浙江工业大学马淳安教授及其领导的课题组从上世纪九十年代开始研究琥珀酸清洁合成新工艺，即"无隔膜电解法生产琥珀酸新工艺"。据说此法为世界首创。目前仅我国一国在利用该法生产琥珀酸。

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。

当前，大部分的琥珀酸是通过化学法生产的。但是，在化学工业中，由于需要降低由石化方法产生的污染，绿色技术越来越成为一种趋势，因此需要研究一种即可利用再生资源又无污染的生产方法。琥珀酸发酵的工业潜能早在1980年就被认识到，近年来发酵法生产琥珀酸已成为有机酸发酵研究的热门课题，它为已存在的琥珀酸化学制品市场提供一种经济的琥珀酸来源。利用微生物菌种，以农业产物玉米、木薯等为基本原料，不仅可以得到安全的食品医药级产品，同时还能为农产品的深加工及转化为高附加值产品提供一条可行的途径。

利用生物发酵法生产琥珀酸的优点有两个：一是采用新的发酵工艺和电渗析液液萃取工艺比传统工艺的成本低。二是发酵法摆脱了对石化原料的依赖，开辟了温室气体二氧化碳的利用新途径。缺点是菌株的产酸率不高，分离方法存在工艺路线长、操作费用高、实施难度大、环境污染严重等缺点，增加了运行成本，制约了发酵法制备琥珀酸的规模化大生产。

据市场研究报告称，中国的化学路径生产琥珀酸已经较为成熟，但生物路径生产则还在研究阶段。国外的生物路径生产走在了中国的前面。

我国虽有多家科研机构在研究微生物发酵法生产琥珀酸新工艺，但迄今只有清华大学一家获得成功。据了解，吉林省拟利用该省丰富的玉米资源并引进清华大学开发的新技术，用玉米淀粉发酵法生产琥珀酸，总投资在1.5亿元人民币左右，预计琥珀酸年产量为3万吨，为全国发酵法生产琥珀酸第一家。

在国外，日本三井物产株式会社首创以玉米淀粉为起始原料、酶法生产琥珀酸新工艺，其年产据称在5000吨左右。美国应用碳化学公司在2002年采用微生物发酵法生产

琥珀酸，目前年产量也有5000吨。据了解，发酵法或酶法生产琥珀酸的成本大约在每吨2200美元左右，比合成法略低一点。美国拥有世界最大的玉米产量，美国应用碳化学公司利用其丰富的玉米淀粉资源经微生物发酵制取琥珀酸可大大提高其玉米的产品附加值。公司拟在近期内将发酵法生产琥珀酸的年产能力扩大至7万～8万吨。这样一来，琥珀酸最终成本可降至每吨500美元，即每公斤成本仅50美分。而且，发酵法生产琥珀酸的三废排放量远远少于合成法的排放量，从长远来看，如果发酵法生产琥珀酸收得率能提高20％～30％，则今后世界各国都将放弃合成法生产琥珀酸旧工艺而改用发酵法新工艺。

1.4、分离提纯

目前，国内外发酵法生产丁二酸的提取工艺报道较少。在国外，有钙盐法、铵盐法、溶剂萃取法和离子交换法等提取方面的专利及研究报道；在国内，南京工业大学报道了利用膜分离，活性炭脱色及结晶技术从厌氧发酵法制备的发酵液中分离提取丁二酸。

钙盐法是一种传统的从发酵液中提取有机酸的方法，目前国内这种钙盐提取法被柠檬酸生产厂家普遍使用，但是国内对丁二酸的钙盐法提取尚未见报道。它是利用丁二酸钙溶解度小的特性，在发酵液中添加CaCl2中和，使原来可溶性的丁二酸盐变为不溶于水的丁二酸钙，过滤后洗涤，用硫酸酸解，经过活性炭脱色，去除Ca2+、Mg2+等杂质阳离子和SO42-、Cl—等杂质阴离子后，浓缩，降温结晶得到纯丁二酸固体产品。Datta 等人在NO.5168055等美国专利中提出了一种生产工艺，它包括了从碳水化合物发酵生成琥珀酸钙和将盐转变成酸并纯化两个过程(Datta,1992;Datta el cl,1992;Berglund el al,1991）。这种工艺在发酵过程中采用添加氢氧化钙调节PH值，使得在发酵过程同时结晶出琥珀酸钙。

铵盐法在生产过程中硫酸铵副产物可实现循环利用。其工艺流程如图7所示。生产及纯化的第一步是种子接种到发酵罐中，用NaOH调节发酵液的pH 6．0以上，在pH 为7．0的时候最佳。第二步是通过过滤器，将不溶的蛋白质和杂质除去。得到的丁二酸钠质量分数为10％左右，通过多效蒸发器浓缩至50％，在结晶器中，通入CO2及氨气，将丁二酸钠盐转化为丁二酸铵盐，然后在丁二酸结晶器中，加入NH4HSO4将pH调为1．5～1．8，进行结晶。在这个pH下，丁二酸的溶解度最小，而且丁二酸铵与硫酸氢铵反应生成硫酸铵和丁二酸，所以丁二酸能析出来。通过过滤器，洗涤，再通过甲醇纯化器，将丁二酸从相对不溶的硫酸盐中分离出来。再通过蒸发，可以得到纯的丁二酸。甲醇蒸发，被回收到甲醇贮罐中。从结晶器出来的NaHCO3可以被用来调节发酵罐的pH。从过滤器出来的滤液含有(NH4)2SO4、残留的丁二酸、NH4HSO4及硫酸，与甲醇纯化器中出来的硫酸盐一起进入热分解器中。这个过程是为了将残留的丁二酸从硫酸盐中分离出来，以减少送入热分解器中的硫酸盐混入有机物，在分解过程中造成焦化。硫酸盐大部分为硫酸铵，部分为残留的硫酸氢铵和硫酸，将其置于热分解器中，温度维持在300℃左右。在这个温度范围内，硫酸铵裂解成为氨和硫酸氢铵，也可能形成硫酸。硫酸氢铵、残留的硫酸和残留的未分解的(NH4)2SO4可循环到丁二酸结晶罐，氨可加到结晶罐中将钠盐转化成铵盐。结晶器中出来的滤液包含甲醇和残留的丁二酸，在甲醇分离器中蒸馏后，残留的丁二酸和一些硫酸盐水溶液与发酵罐出来的稀丁二酸二铵溶液混合一起进入多效蒸发器浓缩。这样就完成了一个闭合的清洁生产流程，整个工艺流程中，结晶的丁二酸是唯一的产物。

图6 铵盐法制备琥珀酸流程图

目前铵盐法提取工艺流程只是实验阶段，是利用模拟体系的丁二酸通过铵盐法提取回收率达到94．9％，硫酸的回收率为96．7％，甲醇的回收率为94．9％。铵盐法路线长，结晶过程条件比较苛刻，还需要高温裂解硫酸盐，步骤繁琐，难度大，操作费用高，增加了运行成本，不利于发酵制备丁二酸的规模化生产。

溶剂萃取技术的原理主要是利用发酵液中丁二酸和其他杂质组分在萃取剂中的溶解度不同，把丁二酸萃取到溶剂相中。再经过减压浓缩，结晶，干燥最后得到产品，从发酵液中提取有机酸的经典方法是液-液萃取，这在化学工业中是一种效果良好、使用广泛的方法（Hanson,1971）,并且在过去15年对以发酵为基础的产品的生产技术的改进起了一些作用。使用这种方法的缺点是在提取过程中需使用大量有机溶剂，在食品级和医药级产品的生产中将对最终产品的质量有不良影响。

离子交换法是利用特定的有机高分子树脂的高选择离子交换性，通过寻找、使用合适的树脂，直接从处理后的发酵滤液中提取有机酸或其盐类。国内一般的流程是将发酵液经过滤后用离子交换柱交换吸附，氨水洗脱后过阳离子交换柱转型，再经活性炭脱色、除杂后浓缩，结晶，最后得到有机酸产品。

电渗析法是一种高效的膜分离技术，它的工作原理是利用阴阳离子交换膜的选择透过性，在电场力的作用下，分别将混合液中的丁二酸根和氢离子分离出来，生成丁二酸。碳水化合物通过酶水解，然后和其它营养物质混合，打入种子发酵罐和主发酵罐中。在发酵过程中，由于微生物需要二氧化碳，将二氧化碳充入发酵罐中。用NaOH中和发酵液，形成可溶的琥珀酸钠盐。全部的发酵液用微过滤器分离出细胞和大的不溶的颗粒。过滤后的琥珀酸钠打入分批的脱盐电渗析单元，在这里由于直接电流的作用，离子部分和非离子部分（糖）以及大分子物质（蛋白质和多糖）分离开。脱盐的电渗析膜，包含离交部分，有一固定的电荷。有固定的正电荷的膜选择性地允许琥珀酸离子通过而排除钠离子，负电荷的膜选择性地允许钠离子通过而排除琥珀酸离子。通过这种机制，琥珀酸钠和其它离子的部分通过离交膜与浓缩的糖、蛋白质及氨基酸分离开。这种浓缩的琥珀酸钠溶液经过一系列的螯合离交柱，用钠离子取代二价离子，使琥珀酸全部以钠盐的形式存在，这一软化的过程要避免两级膜的结垢。然后琥珀酸钠溶液打入分批的两级膜

电渗析单元，在这里离子部分被转变为它们相对应的酸，并生成碱然后分离开。两级膜是一种新型的膜，它能在水溶液中从水产生质子和氢氧根离子，并能使离子向相反电荷的电极迁移。随着这一过程的进行，琥珀酸钠被转变成琥珀酸。钠离子通过阳离子膜和氢氧根结合形成氢氧化钠，可重新用于发酵罐中的中和反应。最后，琥珀酸溶液经过一个蒸发结晶器以产生非常纯的琥珀酸晶体。

表二，丁二酸各提取分离工艺比照

提取方法收率（%）纯度（%）备注

钙盐法—94.2 产生CaSO4残渣

铵盐法94 —只处于模拟体系，步骤繁琐溶剂萃取法73.1 99.8 杂酸去除不彻底，溶剂回收难离子交换法95 —模拟体系

膜分离法75~80 99.5 杂酸不能根本去除，成本高

电渗析法92 99.91 不能处理二价离子，成本高

如上文所示，近年来，厌氧发酵法生产有机酸已成为发酵研究的热门课题，它的优势在于原料的利用及转化率较高，但体系中含有甲酸、乙酸等有机酸杂质，传统的分离工艺选择性较差，工艺路线长，分离成本高,这要求我们拿出更好的分离工艺，本课题中我们研究的是用大孔吸附树脂进行分离操作。

1.5、大孔吸附树脂

1.5.1简介

大孔吸附树脂是一种具有大孔结构的有机高分子共聚体，是一类人工合成的有机高聚物吸附剂。因其具多孔性结构而具筛选性，又通过表面吸附、表面电性或形成氢键而具吸附性。一般为球形颗粒状，粒度多为20-60目。大孔树脂有非极性（D101,LX-60,LX-20）、弱极性（AB-8，LX-21,XDA-6）、极性（LX-38,LX-17）之分。大孔吸附树脂理化性质稳定，一般不溶于酸碱及有机溶媒，在水和有机溶剂中可以吸收溶剂而膨胀。

大孔树脂的优点是品种多、比表面积大、吸附力强、选择性高, 可用于多种有效成分或有效部位的分离纯化, 其缺点是可带进毒性大的甲苯、二甲苯等残留物。因此, 大孔树脂应进行预处理, 洗去残留物检查合格后方可使用。

大孔吸附树脂的吸附性是由于范德华引力或产生氢键的结果, 分子筛性是由于其本身多孔性结构的性质所决定。大孔吸附树脂以范德华力从很低浓度的溶液中吸附有机物, 其吸附性能主要取决于吸附剂的表面性质, 根据树脂的表面性质, 可分为非极性、中极性和极性三类。非极性吸附树脂是由偶极矩很小的单体聚合制得, 不带任何功能基, 孔表面的疏水性较强, 可通过与小分子内的疏水部分的作用吸附溶液中的有机物; 中极性的吸附树脂是含酯基的吸附树脂, 其表面兼有疏水和亲水两部分;极性吸附树脂是指含酰胺基、氰基、酚羟基等含氮、氧、硫极性功能基的吸附树脂。在确定树脂的型号及分离条件时应综合考虑被分离物极性大小、分子量、溶液的pH值等的影响, 以及树脂柱的清洗、洗脱液的选择等因素。根据类似物吸附类似物的原则，一般非极性树脂宜于从极性溶剂中吸附非极性有机物质，相反强极性树脂宜于从非极性溶剂中吸附极性溶质，而中等极性吸附树脂，不但能从非水介质中吸附极性物质，也能从极性溶液中吸附非极性物质。

1.5.2吸附作用过程

吸附树脂的吸附性能是通过其多孔表面上活性尖端的范德华力来实现的。就吸附过程而言，以常见的树脂一水溶液系统为例，一个吸附质分子从水溶液中被吸附到树脂表面可以分为四个基本过程：

①吸附质分子从水溶液中扩散到树脂表面的液膜上；

②吸附质分子通过液膜扩散后进入树脂大孔区域；

③吸附质分子通过大孔区域扩散进入中孔和微孔区域；

④吸附质分子与树脂表面发生作用，从而产生有效吸附。

1.5.3大孔吸附树脂的应用

大孔吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、生物碱等大分子化合物的提取分离。对人参皂甙、三七皂甙、绞股兰皂甙、薯蓣皂甙、甜菊皂甙、甘草甜素、银杏黄酮内脂，山楂黄酮、黄芪皂甙、橙皮甙、淫羊藿黄酮、大豆异黄酮、茶多酚、洋地黄强心甙、麻黄精粉、柚甙、毛冬青黄酮甙、红豆杉生物碱、多种天然色素、中药复方药物提取等以及生物化学制品的净化、分离、回收都有良好的效果。并在抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯,生化制药方面有很广泛的应用。同时，大孔吸附树脂对工业废水，废液的处理也有着广泛的应用。如废水中含苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、硝基酚、氨基苯酚、双酚A、对甲酚、奈酚、苯胺、邻苯二胺、对苯二胺、水杨酸、2，3酸、奈磺酸等有机物均具有很好的吸附、回收净化作用。且对废液中有害物质的浓度含量适应性强，并可作到一次性达标。可实现工业生产中有害物质回收再用、化害为利、变废为宝的目的。

1.6研究内容

吸附热力学吸附等温线热力学模型热力学参数焓变熵变吉布斯自由能变化吸附动力学浓度随时间的变化动力学模型

研究内容

吸附动力学主要是研究一些表面能比较大的物质（比如活性炭，大孔树脂）的吸附速率的影响因素，比如温度，反应时间等等的作用。

大孔吸附树脂对琥珀酸的吸附研究，随时间变化，大孔吸附树脂吸附溶液中的琥珀酸导致的溶液琥珀酸浓度的变化。

1.7、参考文献

【1】中国科学院西北高原生物研究所编著．青悔植物志：第三卷．西宁：青海^ 民出版杜．1996．121