生物丁醇的技術現狀及發展前景

邊莉莉

（天津市濱海新區塘沽紫云中學 天津 300457）

由于石油資源不可再生和國際石油價格的劇烈波動，生物燃料因其低污染且環保而倍受矚目。丁醇可采用生物質原料來生產，在生物燃料領域的發展有巨大潛力。由于生物丁醇的能量密度高、燃料經濟性高，腐蝕性小，蒸汽壓力較低，易于管道輸送。因此，生物丁醇已成為新型醇類生物燃料產品，同時廣泛應用在醫藥工業、塑料工業、有機工業、印染等方面，是重要的大宗化工原料。

1 發酵與化學法制丁醇

工業生產丁醇的方法：羰基合成法、醇醛縮合法和發酵法，丁醇生物發酵的主要產物是丙酮 (Acetone)、丁醇 (Butanol)和乙醇(Ethanol)，其含量約為 6∶3∶1，簡稱 AB或 ABE發酵，一般是利用丙酮丁醇梭菌在嚴格厭氧條件下進行的。傳統丁醇發酵的原料為玉米、糖蜜，這樣會產生與人爭糧導致資源緊張等問題。丁醇對真菌等菌體有毒害作用、產物抑制作用，這樣會導致丁醇產量、產率較低。因此，使用傳統的ABE發酵，加大了后期丁醇回收、分離的成本。

2 生物法制定醇的歷史

第一次世界大戰期間就有了生物法制備丁醇，當時生產合成橡膠的最理想路線是以產溶劑梭菌厭氧發酵的方式來合成丁二烯橡膠。因此，以碳水化合物（玉米粉等）為底物的溶劑發酵也飛速發展。20世紀50年代，ABE發酵逐漸衰落，在北美、歐洲、日本等地停止了生產。中國第一家ABE發酵工廠使用玉米發酵（上海溶劑廠）于1955年投產，隨后北京、天津、江蘇等省市陸續建立了近30家ABE發酵工廠，隨著石油合成化工的興起，發酵法生產ABE在生產成本上失去競爭優勢，自上世紀90年代開始，國內ABE發酵企業逐步停業關閉。

由于石油資源緊張和不可再生等原因，發酵法生產ABE技術近年來再次成為社會關注的焦點。近年來國內已建成數十家ABE發酵企業，另有5家在籌備建設中，預計全部建成投產后，國內ABE發酵生產總量將高達年產100萬t的規模。

3 影響丙酮丁醇發酵的因素

丙酮丁醇發酵經歷了一個非常曲折的歷程，綜合歸納各項因素，影響丙酮丁醇發酵歷程的因素如下。

（1）丁醇對菌種的毒性較大。由于丁醇能產生較大毒性，導致其不能正常生長，最終影響溶劑濃度[30]。（2）溶劑的最終濃度偏低。（3）溶劑產率低。（4）產物比例與所需不相符。（5）發酵原料價格高。

4 生物丁醇技術的研究進展

4.1 菌株的改良

傳統的ABE發酵中使用的工業菌種梭狀芽胞桿菌Clostridia.工業用的產溶劑梭菌分4個“種”(Species)。此類菌的淀粉酶活力較強，具有獨特的系統發育特性，廣泛應用于玉米和谷類等原料的發酵；另外3個種為糖乙酸多丁醇梭菌（Clostridium saccharoperbutylacetonicum）、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）、糖丁酸梭菌（Clostridium Saccharobutylicum）。大多數糖-發酵菌株屬于拜氏梭菌，中國科學院上海植物生理生態研究所研究人員等通過土樣分離和誘變篩選技術獲得了高丁醇比例菌株EA 2018。

最常用的丁醇代謝途徑來源于產溶劑梭菌，產溶劑梭菌能生成丁醇（60%-70%），丙酮（20%-30%）和的乙醇（10%）這三種產物。丁醇途徑的重構和優化在提高丁醇耐受性、擴寬生物丁醇的底物生產范圍的菌株研發也被研究者關注。

4.2 ABE發酵工藝的改進

4.2.1 萃取發酵

萃取發酵的最關鍵的環節是選取高質量的萃取劑。浙江大學研究人員在1992年發現使丁醇的產量顯著增加的方法就是利用間歇萃取發酵方式。萃取發酵可降低并消除代謝產物對微生物生長帶來的不利影響。

4.2.2 氣提法

在稀釋液中通入惰性氣體，使發酵產物及時分離的氣提分離技術與間歇發酵相比，前者對丙酮丁醇發酵的影響較大。

4.2.3 滲透蒸發利用膜對混合物的不同性能產生不同反應的特點，在蒸汽分壓差的制約下，對混合物進行部分蒸發使之分離。

4.2.4 兩步發酵法發酵

在傳統發酵的基礎上發展兩步法發酵，首先用厭氧梭菌將糖高溫發酵得到丁酸，然后將生成的丁酸發酵生成丁醇。這樣有效可顯著降低丁醇的毒性，從而保證發酵反應持續穩定的進行。

4.2.4 固定化技術

固定化技術是利用細胞內酶來實現酶催化反應的新興技術，它將細胞固定在載體上進行生物化學反應，反應速度快，產率高，控制方便。

5 生物丁醇技術發展前景

作為工業企業生產中新一代生物燃料，丁醇的制備方法已成為當今社會的研究熱點。根據我國生物丁醇發展狀況，可從以下幾個方面降低生物丁醇的制造成本：

5.1 利用現有的資源能源，積極研究新技術開發非糧作物，利用木質纖維素及木薯、菊芋等非糧類底物研發溶劑發酵。

5.2 大量可再生資源已投產在丁醇的發酵生產中。

5.3 為提高丁醇發酵的經濟競爭力，除使用廉價原料外，改善工藝技術來提高發酵產出率。

5.4 培育新型生產菌種，采用先進分子生物學技術。隨著生物化工技術的進步，生物法制丁醇將會成為清潔、環保可持續發展的生產丁醇的最佳途徑。

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