Use of glycerol from biodiesel production: conversion to downstream products

郑裕国 胡忠策

（浙江工业大学生物工程研究所 杭州 310032）

摘要：在生物柴油生产过程会产生10%的副产品甘油，生物柴油的快速健康发展，会导致甘油的相对过剩，寻求甘油的新出路迫在眉睫。本文阐述了生物技术在甘油下游产品的开发中的应用；综述了利用生物技术以甘油为底物开发生产1，3-二羟基丙酮和手性环氧氯丙烷的研究现状与进展。

关键词：生物柴油，甘油，1，3-二羟基丙酮，手性环氧氯丙烷

 

1前言

近几年，由于石油价格的飞涨，生物柴油得到快速发展。欧美国家加大生物柴油商业化投资力度，在欧洲，生物柴油占到了所有运输燃料用量的2%，到2010年这一比例将增至6%。我国也十分重视生物柴油的健康发展，先后出台了《生物产业发展“十一五”规划》和《可再生能源发展“十一五”规划》，明确表示，“不与人争粮，不与粮争地”的指导方针，支持以非粮作物（小桐子、油桐、黄连木、棉籽、地沟油、下料油）为原料生产生物柴油，加速我国生物柴油产业化进程。

国家将大力支持非粮作物生产生物柴油的健康发展，2010年年产生物柴油20万吨。全国各地因地制宜、大力健康发展本地区的生物柴油，浙江省目前的生物柴油产能达到10万吨

随着生物柴油产业大力的开展，随之副产大量生物甘油，每生产10吨生物柴油就将产生1吨甘油，造成甘油市场过剩，价格下跌。如何研发甘油的革新用途，以利因应，乃成为业界的挑战，加快甘油下游产品开发的基础研究迫在眉睫。

生物柴油是用动植物油脂（地沟油、麻风树等）与甲醇或乙醇等低碳醇在酸或碱性催化剂和高温下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，经洗涤干燥，得到生物柴油。在生物柴油的生产过程中可产生约10%的副产品甘油。生物柴油不仅能减低了不可再生能源石油的消耗，而且还能大大减少废气的排放。我国作为石油消耗与进口大国，石油进口依存度很高。国家非常重视以非粮作物为原料生产生物柴油。中央和地方都非常重视生物柴油的健康有序发展，生物柴油的发展会导致其联生副产物甘油的相对过剩，寻求生物基甘油的新途径、开发甘油下游衍生产品迫在眉睫。

近几年，浙江工业大学一直致力于生物柴油技术以及副产物甘油的下游产品开发研究：计建炳教授研究团队成功地开发了过程强化酯交换反应和产品连续分离提纯新技术，并获得了国家专利（ZL200510049144.7），生产的生物柴油符合欧盟标准，各项技术指标处于领先地位。

郑裕国教授研究团队一直致力于生物柴油副产物甘油下游产品的开发，利用生物技术法生产1,3-二羟基丙酮和手性环氧氯丙烷，取得了卓有成效的研究结果：部分科研成果已经申请国家发明专利3项，已经授权1项（专利号ZL 200510061969.0，申请号200610053548.8和200810059517.2），部分研究结果已经在国际著名学术刊物上公开发表，因出色的科研工作得到了国际同行的认可，受到化学化工领域学术权威杂志的约稿，撰写了有关甘油下游化学品研究的综述论文（Commodity Chemicals Derived from Glycerol, An Important Biorefinery Feedstock. 2008. Chemical Reviews，revised）。

2 生物法生产二羟基丙酮

甘油在甘油脱氢酶催化脱氢作用下，选择性催化2位的羟基生成酮基，得到1,3-二羟基丙酮（1，3-dihydroxyacetone）（或称二羟基丙酮），它是一种重要的化工原料、医药中间体和食品添加剂，已得到广泛的实际应用：（1）DHA是重要的三碳化合物，分子中含有三个官能团（2个羟基与1个酮基），化学性质活泼，广泛参与诸如聚合、缩合等各种化学反应，是一种重要的化学合成中间体，也是一个重要的多功能试剂。DHA是呋喃化合物、噁唑类化合物、磷酸二羟基丙酮合成的前体，是抗代谢类药物甲氨喋呤的中间体，这些化合物在药物合成中有广泛应用。DHA作为化工原料和医药中间体，后续衍生产品种类很多，其衍生产品市场容量大、附加值高。（2）DHA可用于白癜风病的辅助治疗，涂在病人的皮肤上，能使病变皮肤（乳白色）变成接近正常皮肤的颜色。DHA能阻止皮肤水份过度蒸发，能有效吸收紫外线，对皮肤起到保湿和防晒作用，因此DHA用作化妆品的辅料，在各种防晒类，保湿类化妆品中广泛使用(Enders et al. 2005; Kim and Hong 2000; Petersen et al. 2004; Suri et al. 2006)。

甘油选择性生物催化生产DHA的机理是微生物产生的甘油脱氢酶对甘油2位羟基进行脱氢反应，生成DHA。甘油脱氢酶是属于醇脱氢酶类，是一种比较常见的氧化还原酶；能产生甘油脱氢酶的微生物很多，主要有葡糖杆菌属（Gluconobacter），醋杆菌属（Acetobacter），芽孢杆菌属（Bacillus）、假单孢菌属（Pseudomonas）、曲霉属（Aspergillus）、青霉属（Penicillium）、根霉属（Rhizopus）等等(Claret et al. 1994; Wichmann and Vasic-Racki 2005)。

生物催化与生物转化甘油生产DHA的方法有不列几种，（1）发酵法，在含有甘油的培养基中进行发酵，甘油既作为微生物生长需要碳源，又作为生物催化的反应底物，微生物胞内甘油脱氢酶催化甘油生成DHA。（2）用微生物静息细胞进行生物催化，培养得到微生物菌体细胞，制成菌悬液，然后在以甘油为底物的反应体系中进行生物催化反应。（3）采用固定化微生物细胞进行生物催化实验，通常采用的固定化方法有聚丙酰胺、κ-卡拉胶包埋法。这几种方法各有特点，其催化反应的机理是相同的，都是利用微生物来源甘油脱氢酶选择性催化甘油生产DHA(Claret et al. 1994; Wichmann and Vasic-Racki 2005)。

浙江工业大学于1999年在国内率先开展生物法生产DHA的研究，多年的潜心研究取得了可喜的成果：（1）我们建立了产DHA微生物的快速筛选技术平台，利用这个技术平台，筛选到几株高活性的微生物菌株，部分菌株保藏在中国典型培养物保藏中心（CCTCC）；（2）已建立了甘油和二羟基丙酮的分析检测方法，甘油脱氢酶的酶活分析检测方法，二羟基丙酮的分离提取方法等；（3）部分科研结果已经在国内外学术刊物上发表（Biochemical Engineering Journal 2008 38：285-291；Analytica Chimica Acta 2006 557(1-2): 262-265；浙江工业大学学报 2001 29(2): 125-128）；(4) 目前已经申报发明专利3项，已经授权发明专利1项（专利号ZL 200510061969.0，申请号：200610053548.8和200810059517.2）；(5)本项目在浙江海正药业股份有限公司进行中试及产业化，已经开始试生产、产品开始试销售。

   3生物技术法生产手性环氧氯丙烷

甘油经过卤化反应可以得到二氯甘油，二氯甘油经过环化反应得到环氧氯丙烷，采用生物拆分法得到手性环氧氯丙烷。

手性环氧氯丙烷是非常重要的一种手性原料，特别是在手性药物的合成中也具有非常重要的地位。通过手性环氧氯丙烷为反应起始物，可以制备很多高光学纯度药物中间体和天然产物。例如它是合成治疗心绞痛类药物，如美托洛尔、阿普洛尔、何替洛尔、盐酸艾司洛尔、氧烯洛尔、纳多洛尔、盐酸布库洛尔和噻吗洛尔等的中间体（图1）。同时，它也是目前临床上用量最大的降血脂药物、全球销售额达200亿美元（2001年)的他汀类药物的起始原料之一(Kasai et al. 1998)。

图1：环氧化物水解酶催化反应

环氧化物水解酶能催化消旋的环氧氯丙烷生产手性环氧氯丙烷（S型）和相应的二醇。环氧化物水解酶是一种常见的水解酶，来源广泛，催化反应过程中不需要辅酶的参与，在非水溶剂中仍有催化活性，具有显著的化学、区域、立体选择性。环氧化物水解酶广泛应用于有机合成(Archelas and Furstoss 1998)。

浙江工业大学在环氧化物水解酶的研究方面有多年的研究积累，先后有几个课题组在进行环氧化物水解酶的研究，已经在国内外学术刊物上发表研究论文多篇。郑裕国教授课题组致力于环氧化物水解酶催化反应生产手性环氧氯丙烷的研究：从土壤中筛选能产环氧化物水解酶微生物，并对筛选到的微生物进行生理生化和培养条件的研究，利用现代微生物诱变技术，筛选高活性、高选择性的微生物突变株，目前已经得到几株高催化活性、高选择性微生物菌株。建立环氧化物水解酶催化反应体系，研究环氧氯丙烷催化反应过程以及反应动力学。生物法生产手性环氧氯丙烷的研究进展顺利。

 

主要参考文献：

Archelas A, Furstoss R. 1998. Epoxide hydrolases: new tools for the synthesis of fine organic chemicals. Trends in Biotechnology 16(3):108-116.

Claret C, Salmon JM, Romieu C, Bories A. 1994. Physiology of Gluconabacter-Oxydans during Dihydroxyacetone Production from Glycerol. Applied Microbiology and Biotechnology 41(3):359-365.

Enders D, Voith M, Lenzen A. 2005. The dihydroxyacetone unit - A versatile C-3 building block in organic synthesis. Angewandte Chemie-International Edition 44(9):1304-1325.

Kasai N, Suzuki T, Furukawa Y. 1998. Chiral C3 epoxides and halohydrins: Their preparation and synthetic application. Journal of Molecular Catalysis B-Enzymatic 4(5-6):237-252.

Kim KS, Hong SD. 2000. Synthesis and stereoselective aldol reaction of dihydroxyacetone derivatives. Tetrahedron Letters 41(31):5909-5913.

Petersen AB, Wulf HC, Gniadecki R, Gajkowska B. 2004. Dihydroxyacetone, the active browning ingredient in sunless tanning lotions, induces DNA damage, cell-cycle block and apoptosis in cultured HaCaT keratinocytes. Mutation Research-Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis 560(2):173-186.

Suri JT, Mitsumori S, Albertshofer K, Tanaka F, Barbas CF. 2006. Dihydroxyacetone variants in the organocatalytic construction of carbohydrates: Mimicking tagatose and fuculose aldolases. Journal of Organic Chemistry 71(10):3822-3828.