摘要：本文叙述了利用生物法制备丙烯酰胺的工艺，生物法具有活性高、选择性高、转化效率高等优点。介绍了微生物法制丙烯酰胺的发展状况、微生物法制备丙烯酰胺、腈－水合酶的最新进展，对生物法制丙烯酰胺的生产工艺进行了详细的研究与分析，以便于实现丙烯酰胺的工业化生产。

关键词：生物法；丙烯酰胺；腈水合酶

引言

丙烯酰胺是一种应用范围很广的有机化学原料。在工业界，作为其衍生产品的共聚或均聚，丙烯酰胺是目前产量最大、用途最广的一种，丙烯酰胺可以生成增稠剂，在石油开采，地质，冶金方面；在一些与经济有关的方面，如建筑工程等方面也得到了很好的运用。

90年代早期，发明了生物转化技术，因为它可以在常温常压下进行反应，具有较强的优越性；该方法简单安全，在工艺上不但具有很高的转化效率，所需的费用也比较便宜，而且环保，没有污染环境，在我国已经被广泛地接受和使用。自2000以来，利用微生物技术的丙烯酰胺的产量一直在稳步上升，因此，生物技术替代化学合成是今后丙烯酰胺工业发展的趋势。

一、生产特点

采用生物酶工艺制备聚丙烯酰胺

具有许多优势，无需设置高温、压力设备，只要保持恒温、常压即可，故采用普通设备即可；使用方便，且节省时间和人力，极大地改善了产品的安全；此工艺具有很高的转化效率，无需再循环和分离未经处理的丙烯腈类；酶特性使得选择性非常高，没有其他的作用；该工艺具有较好的反应性，不含任何副产品、残余等，可达到“三次采油”中聚丙烯酰胺

的需求；通过使用简单的离子交换来布置工作，可以简化精细的工作；而且最终产品的纯度很高，不需要重复萃取。微生物法制取丙烯酰胺是目前最成功的生物技术在化学制品中的应用实例，具有明显的间接和环境效益。特别是在环保观念的不断提高和再生利用上，国内的聚丙烯酰胺

在污水处理领域的市场份额不断扩大，对丙烯酰胺的需求量也会越来越大。当前，国内外对微生物法制取丙烯酰胺的兴趣集中在发展新型化工技术、改进生产工艺上，尤其是模式反应器等。

二、生产技术

微生物法制取丙烯酰胺工艺的关键技术之一就是利用微生物酶来生产，其中最常见的就是腈－水合酶，它是一种生物型的催化酶；催化酶活性与丙烯酰胺的产量有直接关系，例如：假单胞菌、红球菌等，它们都可以用于工业微生物生产丙烯酰胺。腈水合酶是不同的微生物，其氨基酸序列也是不同的，不同的腈水合酶也有类似的地方，即酶的活性和辅助性成分是金属离子，如钴型腈水合酶、铁型腈水合酶等，它们的腈水合酶都具有一定的耐热性，能在高温下维持较长的活力，保证了菌种的活力，优化了微生物制取丙烯酰胺的菌株活力。

在生产丙烯酰胺时，需要从蛋白和遗传两个方面进行研究，其中，大分子量的腈水合酶、低分子量的腈水合酶、酰胺酶和 R型羧酸，如已确认的土壤中的AJ270微生物，这些细菌能产生高活性的全细胞催化剂，在催化剂中含有高活性的、高活性的水合酶，这些菌株的底物具有广谱性，。

利用微生物法制备丙烯酰胺时，对其酶活力有一定的敏感性，对其进行了分析。腈水合酶对丙烯酰胺水合反应有一定的促进作用，但底物和产物都会对其反应速度有明显的抑制作用。因此，在生物法制备丙烯酰胺时，要着重于酶的作用，尤其是对腈－水合酶的耐受力的影响，目前已有很多种不同的菌种，例如：RhodococcusrhodochrousJ1、 Rhodococcussp.N774，它们的耐受力，在丙烯酰胺的含量达到270～320g/L时，就收到抑制。为了提高工艺效率，特别是在恶劣的环境下，通过菌体生长，酶催化，筛选耐受性较好的腈水合酶，通过工艺结合工艺将其引入到丙烯酰胺的制备工艺中，增强了催化反应的耐受性，并增强了菌体的生长催化性能。

三、膜过滤应用到丙烯酰胺的工艺过程

本人在选择含有腈－水合酶的诱导突变体，利用微生物连续催化法制备出具有腈水合酶的突变体，在28摄氏度的温度下，加入酵母膏、磷酸盐、尿素等适宜的营养液，经过无菌空气培养和发酵，产生了一种新的催化剂。本人利用此生物催化剂，使丙烯腈在水中发生水合反应，得到丙烯酰胺水溶液，然后再通过超过滤膜进行超过滤；在超过滤液体容器中进行了筛选，并将其添加至循环池。开启水泵入口阀门，开启排气阀循环，当阀门的压力为2.5 MPa时，依次开启进入前纳滤膜、膜后循环阀门、取样阀门。然后，将膜滤液阀门开启，关闭取样阀门。采用变频调速水泵的输出电压控制，使输出电压保持在2.5 MPa左右。

微生物法膜法的主要特征是采用离心或微滤膜将细菌从发酵液中进行分离，大大地改善了菌株的利用和产量。通过超滤膜、纳滤膜将其与丙烯酰胺水合溶液相分离，减少了水合溶液中的杂质，提高了产品的纯度。

四、微生物法生产丙烯酰胺的应用及发展前景

（一）微生物法生产丙烯酰胺的发展方向

90年代初，微生物法生产丙烯酰胺酶固定化技术是将溶解的酶分子，经物理或化学的方式，与不溶于水中的固相载体结合，其特性应该与溶液中的酶一样，也就是说，在温和（常温常压）下，对底物有很强的特异性和极强的催化活性，并且很容易受到抑制剂的影响而失去活性。而在实际生产中，固定化酶不仅可以分离、再生、重复利用，而且可以方便地进行酶的分离和提纯，尤其是采用固定化酶技术，可以实现高灵敏度、高特异性的酶电极的研制和应用。但是，这一技术在酶活力方面的作用仍需进一步研究，如提高酶活力、促进酵素代谢、对基质的耐受性及最佳培养条件等。

2000年以来，我公司发展了“分离耦合等新工艺”，将裸酶直接应用到水合反应中，让丙烯腈在水中与酶催化剂充分接触，大大提高酶的利用率，缩短了反应时间，提高了生产效率，同时也提高了产品的质量。

近期，我们公司和江南大学生物工程学院正在合作，从酶工程的观点出发，对腈水合酶的氨基酸序列进行研究，去除了酰胺水解酶，阻止了副产物羧酸的产生，能直接生产出500g/L的丙烯酰胺水溶液，从而使早期的生产转化效率和丙烯酰胺的纯度得到质的飞跃，并在后期的浓缩生产中减少能源消耗。

（二）国内外的丙烯酰胺发展前景

美国氰胺公司在20世纪50年代发展起来的硫酸盐合法制取工艺，促进了我国的工业发展。此后，我国的丙烯酰胺生产先后发生了两次重大变化，即20世纪20世纪70、80年代中期采用的铜催化法和微生物制取工艺。由于微生物工艺中的各种元素含量低、反应速度快，因此在制备应该是相对高分子量的聚丙烯酰胺

中具有良好的应用前景，因此受到了世界各国和学术界的重视。在现阶段，市场对丙烯酰胺的需求越来越大，利用微生物技术来制造丙烯酰胺，这是当前各国都比较关心的问题，各国都在进行类似的探索。

俄罗斯在开发高稳定性、高反应性丙烯酰胺的基础上，建成了一套丙烯酰胺的生产厂，使其年产能达到24000多吨。在当前市场上，对丙烯酰胺的需求越来越大，而采用微生物工艺来进行丙烯酰胺的开发也是当前国际上最热门的话题，各国都在进行类似的研发。

上海生化技术中心将发酵后的微生物发酵酶的活力提高至2857μmol/min，与90年代日本工业化水平相当。

进入21世纪，一些石油化工股份有限公司运用相关技术，研制出一套配套设备，并投入使用。2002年，从英国尼鲁公司引入了该设备，并对其进行了扩建和改造，使其在2003年的年产量达到了32万吨。胜利油田成为国内应用微生物技术生产丙烯酰胺的最大的公司，所产生的巨大社会效益和经济效益。

总结

生物技术是我国第三代丙烯酰胺的生产技术，在我国已有许多年的发展和改进，无论是在规模还是技术上都处于国际领先地位，尤其是在采用了生物技术以后；随着我国国民经济的持续发展，其产品功能和应用范围也在逐步扩展；同时，在某些新的应用中，本人和团队发现了更多的新应用，丙烯酰胺的需求量也越来越大，各个产业的潜在需求也会越来越大。由于生物技术的优越性，它必然会替代传统的化学方法，因此，中国要把握好发展的契机，把自己的技术出口到国外，为此，必须持续改进，提升工艺，减少生产费用，提高产能，持续推进 AM和其他相关产业的发展。

参考文献

[1]刘杰，王学惠，刘影，等.丙烯酰胺类聚合物在油田中的应用[J].化学工程师，2020（8）：21-23.

[2]陈跖，孙旭东，史悦，等.微生物法生产丙烯酰胺的研究（Ⅰ）──腈水合酶产生菌株的培养和高活力的表达[J].生物工程学报，2019，18（1）：55-58.

[3]刘铭，焦鹏，曹竹安.微生物法生产丙烯酰胺的生物催化剂—腈水合酶研究进展[J].化工学报，2019，52：847-852.

[4]娄文勇，宗敏华，李宁，等.微生物腈水合酶的研究进展[J].分子催化，2020，15（50）：394-399.

[5]钱伯章.丙烯酰胺的生产技术与市场分析[J].化学工业，2019（Z1）：15-19.

[6]丙烯酰胺生产工艺：微生物法将取代化学法[J].石油炼制与化工，2020（1）：30.

作者简介：陆煌生，男，1973.09.02，江苏省南通市，226500，江苏昌九农科化工有限公司，专科，工程师，石油化工微生物法丙烯酰胺方向