发酵法生产丙酮酸

一、丙酮酸的用途及制备方法
丙酮酸（Pyruvic acid），又称2-氧代丙酸（2-oxopropanoic acid）、α-酮基丙酸（α-ketopropionic acid）或乙酰基甲酸（Acetylformic acid），为无色至淡黄色液体，呈醋酸香气和愉快酸味，是最重要的α-氧代羧酸之一。丙酮酸不仅在生物能量代谢中具有十分重要的作用，而且是多种有用化合物的前体，因此，它在化工、制药和农用化学品等工业及科学研究中有着广泛的用途，如表1所示。

表1 丙酮酸的主要用途

虽然作为一种化工产品，丙酮酸早已实现了工业化生产，但是，直到20世纪90年代，工业上生产丙酮酸还都在沿用Howard and Fraser(1932)开发的酒石酸脱水脱羧法，没有什么大的改进。这种工艺简单易行：将酒石酸与硫酸氢钾混合物在220℃下蒸馏，馏出物再经真空精馏即可得到丙酮酸。其主要缺点是：（1）丙酮酸产率较低（对酒石酸质量产率为0.29~0.30g/g）；（2）得到1g丙酮酸需要消耗5g硫酸氢钾。以目前酒石酸（1.5万元/吨）和硫酸氢钾（0.6万元/吨）的市场价格计算，仅原料成本就至少需要8万元/吨，为此，在很长一段时间内，丙酮酸的价格居高不下，推广应用自然也受到限制。以丙酮酸在食品工业中的应用为例，尽管它是一种很有潜力的酸味剂，但由于其在价格上与其它有机酸相比过于昂贵，因此，几乎没有厂家愿意在饮料或食品中添加丙酮酸来改善风味。
　　一个昂贵的产品在生产过剩的时候，其价格必然下降。1995年，国外一些研究机构发表了关于丙酮酸钙在减肥保健上具有独特疗效的报道后，国外（主要是美国）对丙酮酸钙的需求量激增。国内一些中小型化工厂得到这一信息后，一拥而上，一时间，国内丙酮酸（化学法）的生产能力达到2000吨/年左右（估算数据）。丙酮酸及其盐的市场价格也由当时的28万元/吨跌至目前的不到9万元/吨。已经有许多采用化学法生产丙酮酸的小型化工厂因不能承受这一价格而被迫停产。目前，只有试剂级丙酮酸的价格还比较高，保持在30~32元/100ml。
　　如何解决丙酮酸的市场需求在不断扩大，但其价格却无法进一步下降这一矛盾呢？显然，开发成本更低的丙酮酸生产技术，如直接发酵法或生物转化法，是解决这一问题的根本出路。其实，早在20世纪50年代，在丙酮酸的化学法生产工艺尚未遭遇成本危机的时候，学术界已经开始对发酵法生产丙酮酸进行研究了。然而，由于丙酮酸高产菌株的选育十分困难，因此，尽管有一些微生物能够积累丙酮酸，但其产量（质量浓度）无法达到工业化的要求。发酵法生产丙酮酸真正取得突破，是在1988年。当时，日本东丽工业株式会社（Toray Industries Inc.）的研究人员宫田令子（Miyata Reiko）和米原辙（Yonehara Tetsu）选育出一系列丙酮酸产量超过50g/l的球拟酵母（Torulopsis）菌株，使得发酵法生产丙酮酸的工业化成为可能。1992年，日本开始采用发酵法生产丙酮酸，产量为400吨/年，售价为4000日元/kg。

二、市场情况
尽管自1930年以来，共有40余篇专利涉及丙酮酸的制备方法，但丙酮酸工业化生产的历史仅有20年。1977年日本武藏野化学研究所率先实现化学合成法生产丙酮酸的工业化，至1989年，日本东丽化学工业公司开始用发酵法生产丙酮酸。统计数据表明，1991年日本这两家公司的丙酮酸总产量为400吨（生产能力为650吨，其中发酵法生产能力为150吨），除本国应用外，大部分以丙酮酸钠形式出口。1992年日本国国内丙酮酸的市场价为4000日元/公斤；1997年丙酮酸的市场价约合16万人民币/吨。目前，我国国内丙酮酸的市场价格为10万元/吨，年需求量为300吨左右，除少量试剂级丙酮酸为我国自行用化学合成法生产外，绝大部分丙酮酸从日本进口。迄今为止，国内尚无发酵法生产丙酮酸的论文、专利和生产情况报道。

三、国内外研究水平
虽然有关发酵法丙酮酸的研究至今已有40余年的历史，但工业化的历史尚未超过10年。国外发酵法生产丙酮酸的水平列于表2。

表2 国外发酵法生产丙酮酸的研究水平

* 我校的最新研究结果

国内目前尚无有关发酵法生产丙酮酸的论文、专利和生产情况报道。我校从1997年开始进行发酵法生产丙酮酸的研究，在选育出丙酮酸高产菌Torulopsis glabrataWSH-IP12的基础上，对发酵条件进行了优化，目前，在实验室5L发酵罐中，我们的研究水平已经达到产酸72g/l、生产率1.2g/l/h、对葡萄糖转化率70%，超过已报道的国际最高水平（见表2）。该"发酵法生产丙酮酸中试"项目列入江苏省"九五"工业重大科技攻关项目，已完成5m3发酵罐中试，于2000年12月30日通过江苏省科技厅组织的鉴定和验收，认为达到国际先进水平，填补国内发酵法生产丙酮酸空白。

四、投资概算
（一）年产1000吨丙酮酸的发酵和提取车间建设项目简述
1、发酵车间：
5个500L不锈钢一级种子罐，5个5m3不锈钢二级种子罐，10个60m3不锈钢发酵罐（含搅拌装置和电机）。无菌空气系统：包括空气过滤系统、空气压缩机、空气贮罐和空气冷却系统。附属设备：包括与发酵罐相连的氨水贮罐（控制pH），配料罐、种子配料罐。

2、提取和精制车间：
离心机（或板框压滤机），3个5m3真空浓缩罐，中间贮罐（调节pH用），连续萃取设备，真空泵，精馏装置，干燥系统（生产丙酮酸钠或丙酮酸钙用），包装设备。

3、公用工程：
给排水工程，供电工程，供热工程（主要是锅炉），供冷工程（主要是制冷机）及附属给排水管道、配电线路和蒸汽、冷却水管道。计量检测仪表和发酵车间自动控制系统。

4、废水综合治理系统：
2个200m3串联UASB反应器（碳钢结构），300m3CASF组合生化好氧处理系统（钢筋混凝土结构），2个200m3沼气贮罐和沼气发电机（沼气发电可供部分车间使用）。

5、土建工程：
车间厂房，泵房，锅炉房，配电房和小机修车间。
（二）年产1000吨发酵法丙酮酸投资概算
经初步估算，本项目总投资为3000万元（表4）。

表4 新建1000吨/年发酵法生产丙酮酸车间投资概算

五、合作方式
技术开发，优先转让及项目建设工程总承包。