生物基1,4-丁二醇的合成工艺及技术应用研究进展（节选）

 作者：曾庆亮，李积德，柴生勇 

作者单位：金发科技股份有限公司企业技术中心、珠海金发生物材料有限公司 

来源：《广东化工》2023年第8期第50卷总第490期 

近年来，随着绿色和可持续发展理念的大力倡导和生物发酵技术的革新，以可再生生物质为原料的BDO生产技术备受关注。欧美等国家已率先研究并发展生物法合成BDO技术，目前已成功建设相关工业化生产线。国内山东兰典生物科技和元利科技等公司也积极布局生物基BDO产业化项目，其中元利科技已成功研发并于2021年投产生物基BDO产品。未来，随着下游可生物降解塑料的推广应用和国家“双碳”政策的严格落实，生物法制BDO工艺将得到进一步发展，有望与现有工业化BDO生产工艺相竞争。

此外，新建生物基BDO项目的还有，金发科技辽宁1万吨生物基BDO项目，美国嘉吉和德国Helm的合作建设6.5万吨生物基BDO项目。

1.生物法合成1,4-丁二醇工艺研究进展

生物法合成BDO的技术路线主要有两类：一类是糖类直接发酵生产BDO；另一类是糖类先发酵生产丁二酸、糠醛等中间体，提纯后通过化学催化工序转化为BDO。与传统的化石原料制BDO方法相比，生物法制BDO条件更加温和，能耗和碳排放大幅降低，更具可持续发展应用前景。

1.1 糖类直接转化合成1,4-丁二醇

糖类物质经微生物发酵可以转化为BDO，该生产工艺最早由美国生物技术公司Genomatica开发。BDO生产过程中主要包含发酵和分离提纯两个过程，一、发酵过程：将糖类物质、微生物、水和无机盐等按一定比例混合制成发酵液，利用微生物中编码过的外源核酸来表达特定的酶，使糖类物质转化为BDO，转化完成后对发酵液中的微生物细胞团进行分离，形成初级形态的BDO；二、分离提纯过程：将发酵完毕富含BDO的发酵液进行过滤、蒸发结晶、离子交换等步骤去除无机盐，然后蒸发去除水分，最后蒸馏得到BDO。

Genomatica公司在2009年首先公开了一种基于微生物合成1,4-丁二醇的方法。该方法将外源核酸进行编码重组到大肠杆菌当中，使其能够表达特定的酶(4-羟基丁酸脱氢酶、琥珀酰CoA合成酶、CoA依赖性琥珀酸半醛脱氢酶、CoA转移酶、4-丁酸激酶、磷酸转丁酰酶、α-酮戊二酸脱羧酶、醛脱氢酶、醇脱氢酶或醛/醇脱氢酶等一种或多种)，从而将糖类转化为足量的BDO分泌到发酵液中。2014年，该公司继续通过在大肠杆菌中增加ɑ-酮戊二酸脱羧酶表达的基因修饰，使葡萄糖培养基中的大肠杆菌能够特异性表达ɑ-酮戊二酸脱羧酶，从而将糖类通过ɑ-酮戊二酸到琥珀酸半醛的途径转化为BDO。Yim等通过计算模型验证了上述两种异源途径生产BDO的方法(如图2所示)，并利用大肠杆菌进行了实验验证。在该计算模型中，使用的是Genomatica公司内部的SimPheny计算平台。

Liu等报道了一种D-木糖生产BDO的方法。将商购的大肠杆菌W3110敲除xylA、yagE和yjhH基因，质粒pKD46用为重组酶的表达载体，然后在摇瓶中对菌株进行培养，当BDO充分转化后，离心除去细胞并浓缩干燥培养液获得BDO粗品。该转化过程中，D-木糖首先被D-木糖脱氢酶氧化成D-木糖酸；然后D-木糖酸脱水酶将D-木糖酸转化为2-脱氢-3-脱氧-D-木糖酸，继而脱水转化为ɑ-酮戊二酸半醛；随后，ɑ-酮戊二酸半醛被脱氢酶还原为5-羟基-酮戊二酸；之后，酮酸脱羧酶将5-羟基-酮戊二酸转化为4-羟基丁醛；最终4-羟基丁醛经乙醇脱氢酶还原为BDO(如图3所示)。

1.2 丁二酸转化合成1,4-丁二醇

丁二酸又名琥珀酸，是重要的C4平台化合物，被美国能源部列入“12大生物基平台化合物”名单。目前丁二酸的工业化生产主要通过化石原料正丁烷催化合成而来，随着微生物发酵丁二酸工艺的逐渐成熟，商业化的生物基丁二酸如果能克服成本劣势有望取代石化基丁二酸。如今，国际可再生化学品企业Revedia公司(荷兰DSM和法国Roquette公司联合成立)、Bioamber公司、Myriant公司(现为GCInnovationAmerica)和Succurity(德国BASF/荷兰CorbionPurac公司联合成立)已分别建立生产线采用发酵工艺生产丁二酸。国内山东兰典生物科技有限公司购买中科院专利技术也建立了生物发酵法制丁二酸生产线。丁二酸合成BDO主要有两种方式：一种是丁二酸直接氢化合成，通过过渡金属先将丁二酸催化加氢生成中间体γ-丁内酯(GBL)，然后GBL继续催化加氢生成BDO；另一种是丁二酸先与甲醇进行酯化反应生成丁二酸二甲酯(DMS)，然后再通过特定金属催化加氢生成BDO，该法与石化路线顺酐酯化法加氢合成BDO具有相似的工艺(如图4所示)。

Minh等报道了使用负载型双金属催化剂Re-Pd/C和Re-Ru/C将生物基丁二酸水相加氢制备BDO，在4wt%的贵金属Re的促进下，丁二酸能在2wt%Pd/C上有效氢化，BDO的产率和选择性在62%~66%范围内，并且选择性不会损失。Benoit等通过改变前提盐性质等，制备了一系列单金属催化剂Pd/TiO2，在160℃、150bar的条件下将丁二酸水溶液催化加氢制备BDO，结果表明：Pd催化生成的首个氢化产物GBL具有很好的选择性，而丁二酸的转化率与Pd的分散效果和制备方法有关。Kang等采用不同金属含量的Re-Ru双金属负载在介孔碳上制备了一系列(0.6-x)Re-xRu/MC催化剂，并应用于丁二酸液相加氢制BDO，结果表明：催化剂0.3Re-0.3Ru/MC的弱氢结合位点最多，并且能够稳定、重复地催化丁二酸选择性的生成BDO。

田保亮等公开了一种由生物基丁二酸制备丁二醇的催化剂及其制备方法和应用，通过大孔酸性树脂将丁二酸与甲醇发生酯化反应生成丁二酸二甲酯，然后制备含有金属Cu-Zn-Bi/Sn的催化剂进行加氢反应合成BDO，加氢催化剂表现出良好的加氢选择性，并且能抵挡生物基丁二酸中的各类杂质。

美国Myriant和英国JMDavy公司合作开发了一种生产生物基BDO的工艺，该工艺结合Myriant的生物基丁二酸发酵技术和JMDavy的顺酐酯化加氢生产技术，生产出的BDO性能与石化路线相当，并且碳效率优于直接发酵法生产生物基BDO。

1.3 糠醛转化合成1,4-丁二醇

糠醛是一种基于生物质原料催化得到的高附加值平台化合物，由戊糖脱水环化形成，工业生产上将富含戊聚糖的生物质如玉米芯、燕麦壳和甘蔗渣等通过酸水解和脱水过程制备。糠醛可通过氧化和氢化两个过程过程合成BDO(如图5所示)。

Tachibana等报道了糠醛两步法合成BDO。首先糠醛经氯酸钠和五氧化二钒氧化成富马酸，然后富马酸在高压(13MPa)下用Pd-Re/C催化剂氢化得到BDO。

Li等报道了一锅法反应生成BDO的工艺，该反应包含两个连续的过程：糠醛先经H2O2和甲酸处理被催化剂Pt/TiO2-ZrO2选择性氧化为2(5H)-呋喃酮及其异构体2(3H)-呋喃酮，残留的过氧化物通过负载在Pt催化剂上自分解而被除去；然后呋喃酮在甲酸的促进下开环加氢转化成BDO。

1.4 1,3-丙二醇转化合成1,4-丁二醇

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料，能够通过甘油或葡萄糖等生物质原料经微生物发酵制备，美国DuPont和Genencor公司通过微生物发酵工艺实现生物基1,3-丙二醇的规模化生产。

美国Myriant公司2016年公开了一种由生物基1,3-丙二醇合成BDO的工艺方法[23]。该工艺分为两个阶段，第一阶段利用微生物将可再碳源如葡萄糖、蔗糖、甘油和纤维素水解物等发酵生产1,3-丙二醇；第二阶段将获得的生物基1,3-丙二醇脱水生成烯丙醇，然后利用铑-膦催化剂和合成气进行氢甲酰化反应，将生物基烯丙醇转化为4-羟基丁醛，最后通过Raney-Ni加氢获得生物基BDO(如图6所示)。

1.5 O-琥珀酰-L-⾼丝氨酸转化合成1,4-丁二醇

O-琥珀酰-L-高丝氨酸是大多数微生物合成甲硫氨酸的重要中间体，对C4化学品的工业化生产起着重要作用。2010年，韩国CJ第一制糖工业株式会社梁荣烈等人公开了一种由微生物产生的O-琥珀酰基-L-高丝氨酸生产生物基高丝氨酸内酯和生物基有机酸的方法[24]，并利用高丝氨酸内酯制备BDO。该方法首先利用微生物发酵生产O-琥珀酰-L-高丝氨酸，然后在浓盐酸的条件下水解成高丝氨酸内酯盐酸盐，继而利用负载金属催化剂在氢气氛围下将高丝氨酸内酯通过加氢脱氮反应进行脱氨基化来制备γ-丁内酯，最后γ-丁内酯通过钌金属和咪唑配体加氢制备BDO。

Hong等报道了使用重组大肠杆菌发酵获得的O-琥珀酰-L-高丝氨酸来合成BDO的方法。同样是将发酵得到的O-琥珀酰-L-高丝氨酸通过盐酸水解形成高丝氨酸内酯盐酸盐，继而通过一氧化氮和空气催化脱氨和氢化反应作用合成BDO(如图7所示)。

2. 生物法合成 1,4-丁二醇技术应用

目前，糖类直接发酵法和丁二酸转化合法两种生物法制BDO工艺已成功建立工业化生产线，其中糖类直接发酵法主要采用的是Genomatica公司授权的工艺。

2.1 直接发酵法

美国Genomatica公司是全球领先的生物基合成材料企业，2008年首次开发了以糖类直接发酵生产BDO的技术，并在2010年成功实现3m3/d发酵中试工艺验证。

2012年，Genomatica和DuPont Tate&Lyle Bio Products公司(美国DuPont和英国Tate&Lyle合资公司)合作建立工业放大生产线，并历时5周生产了500万磅生物基BDO，该生产线采用Genomatica的BDO发酵工艺和Tate&Lyle的示范规模装置。

2013年，德国BASF宣布采用Genomatica专利技术从可再生原料商业化生产出生物基BDO，其质量与石油基BDO相媲美，并将该产品交付客户进行测试和用于商业用途。目前BASF生物基BDO产能约3万t/a。

2016年，意大利Novamont公司采用Genomatica直接发酵技术建立了世界第一座生物基BDO专用工业化工厂——MaterBiotech，该工厂产能3万t/a，目前全部用于Novamont生物降解塑料Mater-Bi系列产品的生产。

2021年，美国农业食品巨头嘉吉公司(Cargill)与德国Helm公司共同成立Qore公司，将利用Genomatica技术建设生物基BDO工厂，该工厂将建于Cargill位于美国爱荷华州埃迪维尔的现有设施周边，预计总投资3亿美元，将生产6.5万吨/年的BDO，计划于2024年投入运营。

2021年，中国元利化学集团股份有限公司成功研发并投产生物基BDO，并于2022年正式批量出口欧盟市场，实现了国内生物基BDO产品零的突破。

2.2 丁二酸转化合成法

2010年，BioAmber公司利用美国DuPont公司授权的丁二酸催化加氢技术开发出生物基BDO生产工艺。2015年，BioAmber与日本三井公司(Mitsui)在加拿大安大略省建设投产3万t/a的丁二酸工业化生产线，该产线可以转换生产2.2万t/a的生物基BDO。

2013年，英国JMDavy公司宣布其位于Teesside的工厂采用丁二酸催化成功生产出生物基BDO，该丁二酸原料来自于Myriant公司发酵工艺生产。

3. 结语与展望

生物可降解塑料推动BDO及其下游产品迎来新一轮的发展高潮，当前国内已建或在建的BDO产业化项目主要以石油基路线的电石炔醛法工艺为主，生产过程中能耗较高，与绿色低碳的化工产业发展方向不符。生物法路线合成BDO反应条件温和、原料来源丰富，在绿色环保和节能减排方面也显示出很好的优势，具备良好的可持续发展前景。目前，生物基BDO的工业化生产尚处于起步阶段，未来如果能克服生物质原料来源和成本问题，将有机会得到重点发展。