一、琥珀酸概述
琥珀酸（Succinic Acid，Butanedioic Acid），又名丁二酸，分子式HOOC(CH2) 2COOH C4H6O4，分子量为118.09，结构式见下图。
琥珀酸为无色三斜晶体或单斜晶体，熔点185℃，沸点235℃，比重1.572；溶解于水，微溶于醇、醚、酮类，不溶于苯、四氯化碳。
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。
二、琥珀酸及其衍生物的市场和应用
琥珀酸主要应用于以下四个领域：最大的领域是作为表面活性剂、清洁剂添加剂和起泡剂；第二是作为离子鳌合剂，用于电镀行业防止金属的溶蚀和点蚀；第三领域是应用于食品行业作为酸化剂、pH改良剂、风味物质和抗菌剂；第四领域是和健康有关的产品中，包括医药、抗生素、氨基酸和维生素的生产。琥珀酸在这四大领域中的销售量每年超过4亿美元。
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、碘化、酰化、氧化、还原等，所以能生产一系列具有特定功能的琥珀酸衍生物。以琥珀酸为基础，通过各种反应方法，可以制取多种的化学制品：
1、氧化作用：以H2O2氧化为过氧琥珀酸，在高锰酸钾作用下生产草酸、羟基琥珀酸和酒石酸混合物。
2、还原作用：琥珀酸在催化剂作用下还原为1，4—丁二醇和四氢呋喃。
3、与SO3反应：生产2，3—二磺酸基琥珀酸。
4、与氨类化合物反应：制得琥珀酰亚胺。
5、酯化反应：制得一系列单酯和双酯，琥珀酸还可以与淀粉、纤维素酯化。
6、卤代反应：与PCl3、PCl5反应生产琥珀酰氯。
7、脱水反应：生成琥珀酸酐。
下图所示是以琥珀酸为基础的各种化工产品。
介绍几种重要的琥珀酸衍生物：
1、琥珀酸酐
又名丁二酸酐，分子式 C4H4O3 ，外观为无色斜方形棱状结晶，熔点116.9℃，沸点261℃，相对密度1.2340，溶于醇、氯仿和四氯化碳，微溶于水和醚。琥珀酸酐的生产方法有琥珀酸脱水法和顺丁烯二酸酐直接催化加氢法。
在医药上，琥珀酸酐可用于生产磺胺药，维生素A，维生素B6，止血药、利尿剂等等，与红霉素作用合成抗菌药；在农业上，琥珀酸酐和偏二甲肼反应制得N-二甲胺基琥珀酰胺，是一种低毒高效的植物生长抑制剂，控制植物徒长，调节养分，增加抗旱、抗病、抗冻能力，在水果蔬菜能经济作物中广泛应用；在石油化工中，琥珀酸酐可以用在催化剂、交联剂、油田助剂等。
1、琥珀酸钠盐，包括琥珀酸一钠，琥珀酸二钠
琥珀酸钠盐用作表面活性剂，降低溶液的表面张力，提高溶液的渗透力。在海生动物蟹、螺、蛤的鲜味中，含有琥珀酸钠。所以琥珀酸钠又名干贝素，通常是海鲜调料必不可少的原料。作为食品中的强力鲜味剂，可以改善清酒、酱油、酱、液体调味料以及炼制品的质量，用于咸菜、火腿、香肠、鱼制品、肉罐头的风味增强剂，与食盐、谷氨酸钠、醋酸、柠檬酸合用，其鲜味更强。
2、琥珀酸酯
琥珀酸酯是重要的工业原料，广泛用于烟草、涂料、医药、橡胶、塑料等行业。琥珀酸单干酯具有一般的表面活性剂作用外，该乳化剂还能与淀粉，蛋白质，特别是小麦面粉中的谷蛋白发生较强烈的作用，因此广泛地用于焙烤工业中，作为面团强化剂和软化剂以改善焙烤食品的烘烤特性和最终质量，此外还可以用在起酥油、糕点、甜点食品、饮料中作为消泡剂和稳定剂。
值得一提的是，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是最重要的衍生物，是国际公认的可完全生物降解聚合物。目前已由日本SHOWA HIGHPOLYMER公司实现工业化，年产量3000t。美国碳化学公司用生物合成的丁二酸生产合成化学品，曾获得美国生物质应用国家发明奖。聚丁二酸丁二醇酯，目前是用石化原料丁二酸和1，4-丁二醇生产的。通常利用顺丁烯二酸酐获得丁二酸和1,4-丁二醇。日本三菱化学和味之素公司采用以玉米淀粉为原料发酵法生产丁二酸。聚丁二酸丁二醇酯PBS比聚乳酸便宜，可以在大多数生物降解应用范围替代聚乳酸。 丁二酸类脂肪族聚酯不仅可应用于包装材料、餐饮用品、地膜等一次性用品，在穿着用纤维、油漆、墨水、医用材料、药物基质等方面也极具应用前景。
我国工程塑料国家工程研究中心2000年10月以来，对聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的合成工作中取得进展，其综合力学性能达到了日本水平，部分性能指标达到了聚丙烯的水平。我国中科院北京化学所及清华大学，亦均进入以制取薄膜为目的的聚丁二酸丁二醇酯中间试验。
3、聚环氧琥珀酸
聚环氧琥珀酸是一种无磷无氮的“绿色”水处理剂，它兼有缓蚀、阻垢双重功能，具有生物降解性好，应用范围广的特点，有希望成为一种具有广泛应用前景的循环水缓蚀阻垢剂和洗涤剂中的非磷络合剂。
一、琥珀酸的制备方法
当前，工业级琥珀酸的销售量超过1.5万t，大体上是通过石化法，主要包括：
1、石蜡氧化法：石蜡在钙、锰催化剂作用下深度氧化生产二元酸氧化蜡，通过水蒸汽蒸馏去除不稳定的羟基油溶性酸和酯后分离出琥珀酸。
2、马来酸催化加氢法：该法转化率高，产率高，无明显的副反应，产物质量良好，但操作条件高，使用催化剂价格昂贵。
3、马来酸电解还原法：该法生产条件温和，收率高，纯度高，设备简单，无三废污染，是一种新工艺。
4、氯乙酸甲酯的氰化水解法：
5、氯乙酸甲酯的氰化水解法：
二、发酵法新工艺研究
目前，食品市场的琥珀酸是发酵法生产的。此外，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，同时更考虑到石油资源越来越紧缺，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年就被认识到了，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。
1、菌种
琥珀酸是一些厌氧和兼性厌氧微生物代谢途径中的共同中介物，例如，琥珀酸盐通过丙酸盐生产菌、典型的胃肠细菌和瘤胃细菌从糖和氨基酸发酵生成。一些乳酸菌也可以在特定的培养基上产生琥珀酸。
大部分的琥珀酸盐生产菌都是从瘤胃中分离出来的，因为在整个生态系统中，琥珀酸盐作为丙酸盐的一种重要的前体物质，它可被瘤胃壁吸收，进一步氧化用于为动物提供能量和生物合成前体物质。动物可食用草料(如干草)和谷物(如玉米)，因此有大量不同的瘤胃微生物。在这些瘤胃微生物中，Actinobacillus succinogenes是最好的琥珀酸产生菌。它是一种反刍动物的兼性厌氧菌，能够利用大量的底物，例如阿拉伯糖、纤维二糖、果糖、半乳糖、葡萄糖、乳糖、麦芽糖、甘露糖醇、甘露聚糖、蔗糖、木糖和水杨苷。
2、发酵和提取工艺
琥珀酸发酵必须是利用廉价的原料和营养成分获得高产量以及高产物浓度。它的最佳发酵过程在大约中性pH下进行，然而，酸的产生会降低PH。为了避免对微生物发酵起不良影响的过低的发酵培养pH，必须通过加碱来调节pH，所以发酵产物是有机酸盐而不是我们所需要的有机酸；另外，发酵罐中的不溶性物质，例如死细胞、蛋白等，需要从最终产品中除去。因此，典型的下游过程包括除去细胞和蛋白一类的杂质；浓缩，将琥珀酸盐转化为游离的琥珀酸，将游离的琥珀酸提高到所需的浓度等过程。
下面介绍几种典型的琥珀酸发酵和提取工艺：
(1)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，并且在过去20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。
(2)上世纪九十年代，美国人发明了新的生产工艺，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。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。发酵液经过简单的过滤得到菌体、蛋白等不溶物质与琥珀酸钙的混合沉淀，然后通过不断的洗涤，除去沉淀中的菌体和蛋白等物质。洗后的晶体通过加入浓硫酸转变为可溶的琥珀酸和不可溶的硫酸钙，游离的琥珀酸通过过滤、活性碳或离子交树脂纯化，然后再结晶成纯琥珀酸晶体。这种工艺的缺点是要处理大量的固体和浆液，并且每生产出1mol的琥珀酸产品，就产生出等量的石膏副产物。而且发酵过程中气味和颜色的污染使得这种副产物不适用于商业用途，所以这种副产物的价值极低。另外，生产过程中要消耗硫酸、Ca0或Ca(0H)2，并且这些物质在整个生产过程中不会重新生成，无法循环利用。
(3)另一个有更高潜力用于商品化生产琥珀酸，并且较环保的生产工艺是采用电渗析技术。用Na0H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人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。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。然后琥珀酸钠溶液打人分批的两级膜电渗析单元。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，琥珀酸钠被转变成相对应的琥珀酸，并生成碱，然后分离开。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。
(4)美国人研究了一个闭合的清洁生产工艺并申请了专利。这是一种即不消耗大量的试剂，也不产生大量副产物的生产和纯化琥珀酸的工艺，在生产过程中硫酸铵副产物可实现循环利用。 生产和纯化方法的第一步是生产出琥珀酸二铵，用氨将pH控制在6.0以上，最佳情况在7.0左右。从发酵罐出来的琥珀酸二铵(6％—10％)稀溶液通过过滤器除去死细胞和蛋白质等不溶杂质，然后通过多效蒸发器浓缩至25％—30％。在琥珀酸结晶器中，加入硫酸氢铵或硫酸，将浓缩液的pH调至1.5—1.8。在这个低的pH值下，琥珀酸离子被硫酸氢铵质子化形成硫酸铵和琥珀酸，并且在这么低的PH值下，琥珀酸的溶解度很低，所以结晶出来。得到的浆液通过过滤器过滤然后洗涤，结晶的琥珀酸在甲醇纯化器中溶解，在蒸发器中蒸发甲醇，产生纯的结晶琥珀酸。
三、江南大学的最新进展
1、菌种发酵研究
江南大学生物工程学院对丁二酸的研究主要集中在发酵法生产琥珀酸，并对生物转化琥珀酸的过程优化研究，提出合理经济的提取方法。发酵法生产丁二酸是利用微生物菌种，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。
我们使用Actinobacillus succinogenes为出发菌株，对发酵琥珀酸的工艺进行摸索，确定最佳种子培养基为(g/L)：葡萄糖10，酵母抽提物6，NaCl 1， MgC12 2 ， CaC12 1.5， Na2HPO4 0.29， NaH2PO4 0.22， MgCO3 10， pH 7.2；最佳发酵培养基为(g/L)：葡萄糖30，酵母抽提物15，尿素2， NaCl 3， KCI 4， MgC12 2, CaC12 1.5， MnC12 0.07， Na2HPO4 0.44， NaH2PO4 0.33， MgC03 20， pH 7.2；最佳发酵条件为：种龄26小时，接种量5%，发酵温度37℃。通过优化使琥珀酸积累量可达到11.49 g/L，比未优化前提高了62.1%。
并对该菌种进行复合诱变，紫外诱变和硫酸二乙酯诱变，筛得一株突变株，在优化的培养基中产琥珀酸达13.37g/L。
2、衍生物合成研究
江南大学生物工程学院还研究利用琥珀酸合成辛烯基琥珀酸淀粉酯。辛烯基琥珀酸淀粉酯是一种安全性高的乳化增稠剂，已被美国、欧洲和亚太地区的主要国家批准使用，联合国粮农组织和世界卫生组织评价：日允许量无需特殊规定，可将其用于食品，食用范围没有限制。该研究室已经完成了辛烯基琥珀酸淀粉酯的实验室小试工作，并掌握了制备的最佳工艺条件和提高取代度的方法，通过对产品的红外分析证实了酯化反应的可信度。实验样品经高效液相色谱分析，产品中残留未反应的辛烯基琥珀酸量小于0.3％，符合质量标准的要求。
