长链二元酸的制备及市场现状

在聚酰胺领域，长链二元酸主要用来生产长链聚酰胺。长链聚酰胺由于其具备低熔点、柔韧性好、低吸水性等特点，在汽车软管、特殊材料等高端领域有非常好的市场。长链二元酸是指碳原子数超过9以上（也有文献定义为超过10）的直链二元羧酸。目前，全球壬二酸和癸二酸产量约8万吨，碳12及以上的长链二元酸约6万吨。除了作为长链聚酰胺的原料以外，长链二元酸在防锈剂、热熔胶、香料、电解质、润滑油、油漆和涂料、医药等领域具有重要用途（表6-4）。

表6-4　长链二元酸合成的聚酰胺市场（千吨）

长链二元酸可以由化学法制造，比如12碳二元酸的合成是以丁二烯为原料，用镍型催化剂经过多步高温高压反应得到的。化学法制备长链二元酸有很多弊端，如反应条件苛刻，需要用金属催化剂、加氢、强酸等化学品在高温高压下进行反应；反应过程复杂、效率低，过程中生成如乙烯基环己烯、环辛二烯等副产物；环境污染严重，每生产1磅二元酸产生0.2磅的有毒氮氧化合物。此外，用化学法合成长链二元酸，生产的长链二元酸品种少，当碳原子数超过13个，合成就变得非常困难，不具备规模化生产的条件。

生物法长链二元酸的研究始于石油微生物的研究。在1895年，Miyoshi就记载了微生物利用烃类的现象。石油微生物学的发展始于20世纪30年代，苏、美学者做了大量的研究，50年代，许多国家开展了利用烃类为碳源来生产各种产物。我国石油微生物学的研究开始于1955年，中国科学院、石油工业部、南开大学、山东大学相继开展了相关研究。

20世纪60年代，Kester和Foster发现棒状杆菌能将正烷烃分子的两个末端氧化成饱和的二元脂肪酸。1972年，Shiio和Uchio用阴沟假丝酵母转化烷烃生成相应的长链二元酸。

我国用生物法生产长链二元酸的研究始于20世纪70年代末期，主要的研究单位有上海植生所、中国科学院微生物所、抚顺石油化工研究院、清华大学等。他们主要的工作是通过诱变筛选到长链二元酸的高产菌，对发酵工艺进行了优化，对长链二元酸合成、代谢的相关酶系也进行了初步研究。

生物法合成长链二元酸克服了化学法长链二元酸的多个弊端，反应条件温和，在常温常压下反应；反应步骤简单，只需通过微生物转化；反应产物专一，没有大量副产物的生成；可以制备从碳9到碳18的多种长链二元酸；生产工艺环保，无有害气体产生。(www.xing528.com)

由于生物法制备长链二元酸具有以上优点。经过早期的研究后，很多国家将生物法长链二元酸进行了规模化生产。日本矿业公司于1987年率先将生物法长链二元酸进行了产业化，建立了200t/年的生产装置。美国Cognis公司在20世纪90年代利用基因工程菌生产长链二元酸。中国最早于1998年建成了年产300t的长链二元酸生产线。2003年，凯赛生物产业公司建成了当时世界上最大的生物法长链二元酸生产线。

在20世纪90年代，尽管中国将生物法长链二元酸进行了产业化，但是规模小、成本高、产品质量差，生产的长链二元酸只能用于低档产品，在高端的聚酰胺领域完全被化学法长链二元酸占据。主要的原因是生物法长链二元酸的产业化技术瓶颈没有被突破。

生物法长链二元酸的研究主要是生物背景的科研人员，他们关注的重心在于通过研究微生物以及其代谢烷烃生成二元酸的调控过程。20世纪70年代末，中国科学院微生物所、上海植生所、抚顺石化研究所、清华大学等国内研究单位主要通过物理、化学诱变来提高微生物合成长链二元酸的能力。随着分子生物学的快速发展，研究者通过对微生物的基因改造来提高微生物合成长链二元酸的能力。主要的工作是增强脂肪酸的ω-氧化，抑制脂肪酸的β-氧化。如1992年，美国的Picataggio等人通过敲除pox4和pox5基因得到的基因工程菌可以合成210g/L的长链二元酸，底物到产物的质量转化率可以达到100%。2006年，清华大学的曹竹安通过敲除cat基因，产酸水平比对照菌株提高了21%。

长链二元酸发酵是油、水、固、气四相反应体系，生物转化过程需要高度乳化才能提高烷烃跨膜进入细胞的速率。发酵结束后，高度乳化的发酵液如何破乳进一步得到高品质的长链二元酸成为产业化的主要瓶颈。包括杜邦公司、GE公司、汉高公司、日本矿业公司以及国内很多企业、研究所都对其进行了研究，但是都没有突破这个技术瓶颈。行业内对于长链二元酸发酵液采用的破乳技术是发酵结束后，通过加碱、加热、静置、分离烷烃、分离菌体多个操作工序，步骤多、收率低，杂质分离不彻底而带入到产品，造成产品质量差、成本高，不能应用在聚酰胺行业。这也是化学法长链二元酸完全占据了聚酰胺行业的主要原因。凯赛生物公司通过采用特殊的破乳技术，一个操作工序满足破乳、去残烃、去菌体的功能，产品收率达到99%，在产业上首次突破了生物法长链二元酸的提取效率，经过进一步精制，得到了聚合级的生物法长链二元酸，开启了生物法长链二元酸替代化学法长链二元酸的大门。

此外，凯赛生物公司通过基因工程工作改造微生物，使得微生物的发酵条件更简洁，发酵液的杂质成分更少，提取工艺也变得更加简化，并先后开发了第二代和第三代工艺，减少了90%以上的关键辅料的使用，排污量也大幅度降低。凯赛生物公司在原料方面也做了大量的开发工作，先后开发了脂肪酸、生物基烷烃、煤炭基烷烃为原料来生产长链二元酸的新技术，颠覆了工业生物材料目前无法竞争石油基材料的说法。随着技术的不断提高和成本的下降，凯赛公司的生物法长链二元酸逐步取代了化学法长链二元酸的市场。2015年底，以化学法生产长链二元酸的英威达公司宣布自2016年3月起关闭其在美国的长链二元酸生产线。目前，凯赛生物法的长链二元酸，占有全球超过80%的市场，同时也是生物法长链二元酸质量标准，甚至专业术语的制定者。

凯赛生物法长链二元酸的研究和产业化过程，已经成为生物法材料替代传统石油基材料的典型案例。