微生物用於大宗化學品之現況與未來

 

刊登日期:2017/8/5
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由於氣候異常與永續發展的議題日益受到關注,以生物法生產化學品已成為許多產業的重要推動力。美國能源部(DOE)於2004年透過石化產業、市場分析、化學品結構特性及其反應性,選出十二種最具發展性與可取代石化原料的生質化學品,如石化工業的平台化學品一般,建立由C3~C6的生質平台化學品至今已超過十年,本文將介紹其中三個可以使用微生物生產之化學品(琥珀酸、3-羥基丙酸和衣康酸)的發展現況與未來。圖一(a)簡單說明在微生物細胞中糖經過糖解作用後再進入特定的代謝路徑生產生質化學品;其他則是將生質原料經由化學反應生產(圖一(b))。目前,除了天冬胺酸和3-羥基丁內酯,其他十種化學物質已經商業化或接近商業化。

圖一、2004年美國能源部篩選的十二大化學品生產路徑簡圖,(a)生物法,為微生物細胞內不同化學品的代謝路徑;(b)化學法
圖一、2004年美國能源部篩選的十二大化學品生產路徑簡圖,(a)生物法,為微生物細胞內不同化學品的代謝路徑;(b)化學法

琥珀酸
琥珀酸具有兩個羧基(圖一),可以作為C4平台化學品,合成許多重要的化工原料。其可由原油或生質原料生產製造而來,化學法是以馬來酸或馬來酸酐為原料經過氫化而來;生物法則是從生質料源經過微生物轉化成琥珀酸(圖三)。在2009年全球琥珀酸的市場為三萬噸,其中只有5%是生質來源。由於琥珀酸可再經由化學法產生其他衍生物,這些衍生物包含1,4-丁二醇、四氫呋喃(Tetrahydrofuran)、γ-丁內酯(γ-Butyrolactone)和Poly(Butylene Succinate)等,生質琥珀酸潛在的應用市場包含大宗化學品、聚合物、界面活性劑和溶劑(表二)。由於潛在市場大,所以許多傳統石化大廠紛紛投入研發與生產,如:DuPont、BASF等公司,因此生質琥珀酸在過去幾年蓬勃發展,產能已擴大至每年五萬五千噸,已與石油來源的琥珀酸產能相當。隨著產能的不斷擴大,預估三年後生質琥珀酸的產能將達到每年十四萬噸,最終生質琥珀酸產能有可能會突破每年四十萬噸。

3-羥基丙酸
3-羥基丙酸是可用於生產許多衍生化學品的C3平台化學品。在2004年DOE選擇的時候,生產3-羥基丙酸的代謝路徑尚未清楚。2004年後,可能的代謝路徑才開始陸續被提出,並經由實驗驗證這些代謝路徑的可行性,確定可以利用生物法產生3-羥基丙酸。包括BASF/Cargill/Novozymes,但BASF在2015年宣布退出,Cargill和Novozymes仍持續合作開發;另外,Opxbio/Dow Chemical和Perstorp在內的幾家公司宣稱他們的生質3-羥基丙酸生產製程即將商業化(表一)。

衣康酸
在自然界中可生產衣康酸的微生物為土麴菌(Aspergillus terreus),1960年代輝瑞公司就開始發展以土麴菌醱酵生產衣康酸的製程,目前全世界利用土麴菌醱酵生產衣康酸的產量估計每年約8萬噸。然而,由於土麴菌有菌絲易纏繞影響質傳,生長速度相對緩慢,須藉由孢子繁殖,且其相關的基因工程改質與代謝調控較複雜,因此不容易以土麴菌為基礎進一步改良製程。衣康酸的代謝路徑和琥珀酸類似,也是經由檸檬酸循環,形成檸檬酸,再經烏頭酸酶(Aconitase; Aco)及順烏頭酸脫羧酶(cis-Aconitic Acid Decarboxylase; CAD)轉化成為衣康酸(圖四),關鍵酵素順烏頭酸脫羧酶只存在於少數生物體中,其蛋白質序列直到2008年才被解析確認,之後開啟了衣康酸生產菌種的改質研究,目前已經有使用大腸桿菌、啤酒酵母、解脂耶氏酵母(Yarrowia lypolitica)、麩胺酸棒狀桿菌和藍綠藻等改質微生物用於衣康酸生產。除工研院材化所開發之改質大腸桿菌外,現在大多數改質微生物的衣康酸產量仍然比已工業化的土麴菌(31~88 g/L)產量低(表五),大腸桿菌具有生長快速易操作與放大的優勢,有機會降低…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

表五、改質微生物與衣康酸產量比較表
表五、改質微生物與衣康酸產量比較表

作者:朱向元、張珮菁 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」368期,更多資料請見下方附檔。


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