蘇會(huì)波,李 凡,彭 超,林海龍
(中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院;國(guó)家能源生物液體燃料研發(fā)中心,北京 100020)
能源是人類賴以生存的基礎(chǔ),隨著化石能源對(duì)環(huán)境影響的加劇和儲(chǔ)存量的逐漸減少,各國(guó)政府對(duì)能源多元化戰(zhàn)略越來(lái)越重視,發(fā)展生物質(zhì)能源等分布式能源成為各國(guó)政府關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。生物質(zhì)能源是指通過(guò)生物質(zhì)資源生產(chǎn)的可以提供能量的能源形式,其特點(diǎn)是綠色環(huán)保、原料豐富、可再生,產(chǎn)品包括燃料乙醇、生物丁醇、生物甲醇、生物柴油和生物氣體等[1-2]。目前,燃料乙醇和生物柴油已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化,開(kāi)始大規(guī)模推廣使用。國(guó)家頒布的《“十二五”生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃》明確指出要大力發(fā)展生物質(zhì)能源,推進(jìn)先進(jìn)生物質(zhì)能綜合利用產(chǎn)業(yè)化示范。作為典型的生物質(zhì)能源,生物丁醇的性質(zhì)和燃料乙醇相似,可以和汽油混配使用,同時(shí)具有能量密度高和汽油配伍性好等優(yōu)點(diǎn)[3],生物丁醇研究正在受到越來(lái)越多的重視。本文總結(jié)分析了生物丁醇的理化性質(zhì)、應(yīng)用領(lǐng)域、國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)、生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展限制因素,并針對(duì)技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展方向提出了建議,以期能促進(jìn)生物丁醇行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展。
丁醇是無(wú)色液體,相對(duì)密度0.810 9,熔點(diǎn)-88.9 ℃,沸點(diǎn)117.7 ℃。丁醇在水中的溶解度為7.7%(20 ℃),可溶于醇、醚等有機(jī)溶劑。丁醇和其他生物燃料的基本性質(zhì)如表1所示[4-5]。
表1 醇類和汽柴油的物化特性
丁醇是重要的有機(jī)溶劑,在化工、醫(yī)藥、塑料、有機(jī)和印染等行業(yè)具有廣泛用途。作為化工原料,丁醇可用于生產(chǎn)鄰苯二甲酸和檸檬酸的正丁酯類增塑劑,可用于合成丁醛、丁酸和丁胺等有機(jī)化工原料,也可用作油脂、香料、抗生素及維生素等藥物的萃取劑,還可用作有機(jī)染料與印刷行業(yè)的油墨溶劑和脫蠟劑。
丁醇是一種潛力巨大的新型生物燃料,其燃燒特性如表2所示。和乙醇與甲醇相比,丁醇作為生物燃料具有如下優(yōu)點(diǎn)[1]: 1)丁醇的能量密度更高。丁醇的體積熱值為28.43 MJ/L,比乙醇的21.26 MJ/L高出33.7%,比甲醇的15.77 MJ/L高出80.3%; 2)丁醇和汽油的配伍性更好。車輛無(wú)需改造,就可以使用近100%濃度的丁醇,經(jīng)濟(jì)性更高; 3)丁醇的揮發(fā)性和腐蝕性更小??梢酝ㄟ^(guò)現(xiàn)有燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸和銷售,更加安全。同時(shí),丁醇作為生物燃料可以減少SOx、NOx、CO、碳?xì)浠衔镆约皽厥覛怏w的排放,產(chǎn)生良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益[3,6]。
表2 醇類燃料的燃燒特性[1]
丁醇的主產(chǎn)地是美國(guó)、亞洲和西歐。2010年,全球丁醇產(chǎn)能和產(chǎn)量分別為356.8和294.4萬(wàn)噸。國(guó)際上前十大生產(chǎn)商貢獻(xiàn)了丁醇總產(chǎn)能的78.6%,其中巴斯夫(BASF)產(chǎn)能最大,占全球產(chǎn)能的18.2%,陶氏化學(xué)(Dow)其次,占全球產(chǎn)能的14.7%。2011 年,全球丁醇產(chǎn)能為470萬(wàn)噸,其中美國(guó)產(chǎn)能最高,為110.3萬(wàn)噸,歐洲為80萬(wàn)噸。2012年,全球的丁醇產(chǎn)量約為280萬(wàn)噸,主要用作丙烯酸丁酯、乙醇醚、乙酸丁酯和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)等化工產(chǎn)品的原料。2010~2013年間,美國(guó)、西歐和日本之間新增產(chǎn)能不大,同期需求增長(zhǎng)較緩,過(guò)剩產(chǎn)品主要出口到亞洲地區(qū)[7-8]。
2010年以來(lái),我國(guó)丁醇產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張,產(chǎn)能和供應(yīng)量逐年增加,而下游產(chǎn)品需求相對(duì)穩(wěn)定,丁醇進(jìn)口量會(huì)逐漸降低。國(guó)內(nèi)丁醇市場(chǎng)正由供應(yīng)不足、依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀向自給自足、產(chǎn)能逐步過(guò)剩的方向發(fā)展。2010年,我國(guó)正丁醇產(chǎn)能約87.5萬(wàn)噸,生物發(fā)酵產(chǎn)能約為30萬(wàn)噸[9]。當(dāng)年產(chǎn)量約為58萬(wàn)噸,表觀消費(fèi)量約為120.3萬(wàn)噸,主要用作丙烯酸丁酯、乙酸丁酯和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)等化工產(chǎn)品的原料。2011年,我國(guó)正丁醇產(chǎn)能接近100萬(wàn)噸,其中丙烯合成法產(chǎn)能約80萬(wàn)噸,生物發(fā)酵法產(chǎn)能約20萬(wàn)噸,當(dāng)年的丁醇產(chǎn)量為71萬(wàn)噸,表觀消費(fèi)量為120萬(wàn)噸。2012年,我國(guó)正丁醇表觀消費(fèi)量接近110萬(wàn)噸,進(jìn)口49萬(wàn)噸。2013年正丁醇確定的新增產(chǎn)能60.5萬(wàn)噸,未確定的產(chǎn)能約60萬(wàn)噸,原產(chǎn)能加上新增產(chǎn)能將達(dá)到182萬(wàn)噸左右。2007~2012年,國(guó)內(nèi)丁醇表觀消費(fèi)量平均增長(zhǎng)率為9.3%,據(jù)此預(yù)計(jì)2013年正丁醇表觀消費(fèi)量在120萬(wàn)噸。
隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和化石能源的緊缺,世界各國(guó)對(duì)多樣化能源的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。在燃料乙醇、生物柴油等生物質(zhì)能源逐漸商業(yè)化后,生物丁醇的生產(chǎn)技術(shù)研究和商業(yè)化正引起各國(guó)政府和企業(yè)越來(lái)越多的重視。
2004年,美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所(USDA-ARS)設(shè)立專項(xiàng),研究利用拜氏梭菌進(jìn)行生物發(fā)酵,將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物丁醇。2006年,美國(guó)杜邦公司(Dupont)和英國(guó)石油公司(BP)聯(lián)合宣布,共同開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)新型生物燃料丁醇[10]。加利福尼亞技術(shù)研究院(Cahech)及下屬公司(Gevo)將研究方向從乙醇轉(zhuǎn)向丁醇,利用甘蔗和玉米秸稈等生物質(zhì)生產(chǎn)丁醇。
2006年,英國(guó)政府規(guī)劃利用甜菜生產(chǎn)生物丁醇,與傳統(tǒng)汽油混合后作為車用燃料,并計(jì)劃使2015生物燃料銷售額占燃料銷售總額的10%。2007年2月,英國(guó)貿(mào)易部和工業(yè)技術(shù)部投資25萬(wàn)英鎊,開(kāi)發(fā)新一代低成本生物丁醇。2009年,英國(guó)政府專門發(fā)文指明,生物丁醇可作為燃料添加劑供機(jī)動(dòng)車使用。
國(guó)內(nèi)的不少科研院所和生物能源企業(yè)均具有堅(jiān)實(shí)的丁醇發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ),隨著生物質(zhì)能源的快速發(fā)展,開(kāi)始加快研發(fā)生物丁醇技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所聯(lián)合天之冠可再生能源有限公司,聯(lián)合申請(qǐng)國(guó)家項(xiàng)目資助,共同研究新型發(fā)酵工藝生產(chǎn)丁醇[11]。華北制藥集團(tuán)2008年就計(jì)劃開(kāi)展非糧發(fā)酵制備生物丁醇高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目。中科院微生物所、中科院過(guò)程工程研究所、上海工業(yè)微生物研究所、清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院、北京化工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、廣西大學(xué)和河南天冠集團(tuán)等高??蒲性核推髽I(yè)均在開(kāi)展燃料丁醇的研究,其中中科院過(guò)程工程研究所、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等對(duì)纖維素原料生產(chǎn)丁醇的技術(shù)進(jìn)行了前期探索,這些研究將有力地促進(jìn)纖維素燃料丁醇的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[12]。
生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的主要方法是丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol, ABE) 發(fā)酵,即通過(guò)微生物的新陳代謝,將底物轉(zhuǎn)化成丙酮、丁醇和乙醇。主要菌種有丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)和拜氏梭菌(C.beijerinckii、C.saccharoperbutylacetonicum、C.saccharobutylicum)等菌株[9,13]。其中,丙酮丁酸梭菌是應(yīng)用最廣和研究最深入的菌種[14-15]。丙酮丁酸梭菌胞內(nèi)具有淀粉酶,以淀粉為原料不需要糖化就可以進(jìn)行發(fā)酵。丙酮丁醇梭菌生長(zhǎng)繁殖的最適溫度為35~37 ℃,最適pH值為5.5~7.0;發(fā)酵的最適溫度為37~39 ℃,最適pH值為4.3。丙酮丁醇的代謝途徑如圖1所示,整個(gè)代謝過(guò)程分為產(chǎn)酸期和產(chǎn)溶劑期兩個(gè)階段,有24種生物酶起到關(guān)鍵性作用[5,16-18]。
在產(chǎn)酸期,葡萄糖等六碳糖通過(guò)糖酵解途徑(EMP)生成丙酮酸。丙酮酸和輔酶A(CoA)在丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶(圖1中b)的作用下生成乙酰-CoA和CO2[19]。乙酰-CoA是生成乙酸和丁酸的前體物質(zhì)。乙酰-CoA在磷酸?;D(zhuǎn)移酶(PTA,圖1中g(shù))的催化作用下生成?;姿狨?,然后經(jīng)乙酸激酶(AK,圖1中h)催化生成乙酸。丁酸的生成較為復(fù)雜,乙酰-CoA在硫激酶(圖1中i)、3-羥基丁酰-CoA脫氫酶(圖1中j)、巴豆酸酶(圖1中k)和丁酰-CoA脫氫酶(圖1中l(wèi))4種酶的催化作用下生成丁酰-CoA,然后經(jīng)磷酸丁酰轉(zhuǎn)移酶(PTB,圖1中m)催化生成丁酰磷酸鹽,最后通過(guò)丁酸激酶(圖1中n)去磷酸化,生成丁酸[20]。
圖1 發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的代謝途徑[16]
在產(chǎn)溶劑期,乙酰乙酰-CoA通過(guò)乙酰乙酰-CoA轉(zhuǎn)移酶(圖1中s)的作用,利用乙酸或丁酸作為CoA 接受體,生成乙酰乙酸,然后再通過(guò)乙酰乙酸脫羧酶(圖1中t)作用生成丙酮。乙酰乙酰-CoA:乙酸/丁酸:CoA轉(zhuǎn)移酶(圖1中s)通過(guò)催化乙酸、丁酸和CoA之間的轉(zhuǎn)移反應(yīng),生成乙酰-CoA和丁酰-CoA。丁酰-CoA經(jīng)過(guò)丁醛脫氫酶(圖1中q)和丁醇脫氫酶(圖1中r)的還原作用,最后生成丁醇。乙酸和丁酸的再利用過(guò)程與丙酮的生成過(guò)程結(jié)合在一起,因此發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的過(guò)程一般伴隨著丙酮副產(chǎn)物。
丁醇的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有:醇醛縮合法、糖基合成法和生物發(fā)酵法。前兩種方法屬于化工工藝,生物發(fā)酵法是以玉米、小麥淀粉或糖蜜、甜菜、玉米芯等生物質(zhì)為原料,利用產(chǎn)丁醇菌種進(jìn)行發(fā)酵,發(fā)酵液經(jīng)精餾分離制得丁醇。在傳統(tǒng)發(fā)酵工藝中,產(chǎn)物溶液中丁醇、丙酮和乙醇的體積比約為6 ∶3 ∶1。最近研究成果顯示,ABE發(fā)酵的反應(yīng)方程式如下所示[21-22]:
95M(C6H12O6)=60M(C4H9OH)+30M(CH3COCH3)+10M(C2H5OH)+
220M(CO2)+120M(H2)+30M(H2O)
由此計(jì)算得出,丁醇得率為60M(C4H9OH)/95M(C6H12O6)=60×74.12/95×180.16×100%=26.0%,丙酮得率為30M(CH3COCH3)/95M(C6H12O6)=30×58.08/95×180.16×100%=10.2%,乙醇得率為10M(C2H5OH)/95M(C6H12O6)=10×46.07/95×180.16×100%=2.7%。
3.2.1 發(fā)酵工藝 工業(yè)上生物發(fā)酵一般采用分批式發(fā)酵或者連續(xù)發(fā)酵。連續(xù)發(fā)酵的設(shè)備利用率高,產(chǎn)物積累多,但是菌種易退化染雜菌,營(yíng)養(yǎng)成分利用率低。傳統(tǒng)生物法主要采取分批式發(fā)酵生產(chǎn)丁醇溶液,然后通過(guò)精餾制得丁醇,產(chǎn)物約為15~18 g/L。產(chǎn)物濃度較低會(huì)導(dǎo)致后續(xù)分離的成本增加,只有改進(jìn)發(fā)酵方式提高發(fā)酵液中丁醇濃度,開(kāi)發(fā)低能高效的提取工藝,才能提高生物丁醇的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[23]。
3.2.1.1 傳統(tǒng)ABE 發(fā)酵 傳統(tǒng)的ABE發(fā)酵是以玉米、木薯、甘蔗、甜菜等淀粉質(zhì)產(chǎn)品為原料,經(jīng)粉碎、蒸煮、冷卻后,再通過(guò)淀粉酶的水解作用轉(zhuǎn)化成葡萄糖,然后經(jīng)產(chǎn)丁醇微生物的發(fā)酵作用,得到丁醇、丙酮和乙醇的混合發(fā)酵液,溶液中3種溶劑的體積比通常為6 ∶3 ∶1,該比例根據(jù)菌種、原料、發(fā)酵條件的不同變化。ABE發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的基本工藝流程如圖2所示。
圖2 丁醇發(fā)酵工藝流程
丁醇質(zhì)量濃度大于15 g/L時(shí),會(huì)對(duì)菌種產(chǎn)生強(qiáng)烈的產(chǎn)物抑制,嚴(yán)重限制菌種的生長(zhǎng)和新陳代謝。根據(jù)丁醇代謝過(guò)程的特點(diǎn),有學(xué)者開(kāi)發(fā)了兩段式發(fā)酵過(guò)程。第一階段利用厭氧微生物將底物轉(zhuǎn)化成丁酸,第二階段再利用丁酸作為底物,發(fā)酵生成丁醇。發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)酸和產(chǎn)溶劑兩個(gè)過(guò)程分別在兩個(gè)發(fā)酵罐中完成,有效地降低或避免了丁醇積累給微生物帶來(lái)的毒害作用,保證發(fā)酵生產(chǎn)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。
3.2.1.2 萃取發(fā)酵 萃取發(fā)酵是一種將溶劑萃取和生物發(fā)酵相結(jié)合的新型發(fā)酵方式,其特點(diǎn)是在發(fā)酵過(guò)程中利用萃取劑分離出代謝產(chǎn)物,降低發(fā)酵液中的產(chǎn)物濃度,減緩產(chǎn)物抑制程度。浙江大學(xué)楊立榮等[24]選用油醇和硬脂醇等混合醇作為萃取劑,進(jìn)行批式發(fā)酵生產(chǎn)丁醇,最終的底物利用率為98%,總?cè)軇舛葹?3.63 g/L。江南大學(xué)胡翠英等[25]用生物柴油作為萃取劑,通過(guò)ABE發(fā)酵生產(chǎn)丁醇,產(chǎn)丁醇速率比對(duì)照組提高了11%。張龍?jiān)频萚26]同樣以生物柴油作為萃取劑進(jìn)行ABE發(fā)酵,總?cè)軇┊a(chǎn)量比傳統(tǒng)批式發(fā)酵提高了54.9%。
3.2.1.3 其他發(fā)酵技術(shù) 細(xì)胞固定化技術(shù)是一種將微生物固定在載體上進(jìn)行富集,利用高濃度菌種進(jìn)行發(fā)酵,提高產(chǎn)物濃度和產(chǎn)量的方法。其特點(diǎn)是反應(yīng)速率和產(chǎn)率高,設(shè)備利用率高,成本和能耗低。通過(guò)將梭菌固定在海藻酸鈉顆粒上,進(jìn)行生物發(fā)酵生產(chǎn)丁醇,可以顯著提高產(chǎn)物產(chǎn)率。Qureshi等[27]通過(guò)整合生物丁醇發(fā)酵過(guò)程中的預(yù)處理、水解、發(fā)酵和提取4個(gè)步驟,將生物丁醇的生產(chǎn)能力提高了2倍。
3.2.2 分離工藝 丁醇的沸點(diǎn)約為117.7 ℃,采用傳統(tǒng)蒸餾方式從發(fā)酵液中分離丁醇,需要消耗大量的能量?,F(xiàn)代分離方法主要是采取滲透蒸發(fā)、汽提等工藝。滲透蒸發(fā)主要是利用溶液中不同組分在膜中擴(kuò)散性能的差異實(shí)現(xiàn)組分分離。滲透蒸發(fā)的能耗低、分離效率高,在丙酮丁醇發(fā)酵分離工藝中的應(yīng)用前景廣闊。氣提法是通過(guò)在發(fā)酵液中通入一定流速的惰性氣體,將特定溶液組分帶到氣相中,及時(shí)分離發(fā)酵產(chǎn)物的方法。研究證明,氣提分離技術(shù)在丙酮丁醇發(fā)酵分離工藝中,可以極大地提高丁醇的產(chǎn)率和產(chǎn)量[28-30]。
生物丁醇發(fā)展的最大限制因素就是高成本,這也是目前生物質(zhì)能源大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸[16]。根據(jù)生物丁醇的發(fā)酵生產(chǎn)特點(diǎn),限制生物丁醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的因素主要有以下幾方面[31-36]: 1)總?cè)軇┊a(chǎn)率低、濃度低。以玉米為原料發(fā)酵生產(chǎn)丁醇,總?cè)軇┊a(chǎn)率約為30%左右,總?cè)軇舛葹?5~18 g/L。低濃度會(huì)增加后期分離的設(shè)備投入和能耗,這也是生物法制取丁醇成本高的重要原因; 2)丁醇在總?cè)軇┲斜壤?。丁醇在總?cè)軇┲械谋壤s為60%,其余為30%的丙酮和10%的乙醇,導(dǎo)致后期的分離和提取成本增加; 3)丁醇對(duì)菌種產(chǎn)生毒害。當(dāng)丁醇質(zhì)量濃度達(dá)到11 g/L時(shí),會(huì)抑制菌種生長(zhǎng),影響丁醇最終濃度和產(chǎn)率; 4)原料成本高。目前生物丁醇的主要原料是玉米,成本相對(duì)較高。
生物丁醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要限制因素是溶劑產(chǎn)率低、生產(chǎn)強(qiáng)度低和生產(chǎn)成本高,針對(duì)這些問(wèn)題,建議從以下幾個(gè)方面著手解決。
1)改良菌種,提高丁醇耐受性和產(chǎn)丁醇比例。因?yàn)槎〈紝?duì)菌種具有毒害作用,發(fā)酵液中的丁醇濃度始終偏低。通過(guò)將丁醇梭菌等丁醇生產(chǎn)菌和耐受丁醇菌株的原生質(zhì)融合,可以篩選出耐受高濃度丁醇的菌種。此外,通過(guò)基因工程技術(shù)解除代謝過(guò)程中的產(chǎn)物抑制,通過(guò)強(qiáng)化丁醇生成途徑中的丁醛脫氫酶等關(guān)鍵酶增強(qiáng)丁醇的生成代謝,通過(guò)敲除乙醛脫氫酶和乙酰乙酸脫羧酶基因切斷乙醇和丙酮代謝途徑等方式,均可以提高溶劑中的丁醇比例。
2)開(kāi)發(fā)高效的發(fā)酵工藝。針對(duì)丁醇梭菌的生理生態(tài)、酶催化和發(fā)酵特點(diǎn),開(kāi)發(fā)多級(jí)連續(xù)發(fā)酵、固定化發(fā)酵和高密度發(fā)酵等工藝,提高菌種利用效率。
3)開(kāi)發(fā)高效低能耗的分離工藝。從發(fā)酵溶液中分離丁醇時(shí)一般采用精餾工藝,能耗和成本高。如果將滲透蒸發(fā)、氣提、萃取技術(shù)和發(fā)酵過(guò)程高效耦合,可以顯著降低產(chǎn)物分離過(guò)程中的能耗和成本,提高生物丁醇的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
4)拓展原料品種,開(kāi)發(fā)纖維素丁醇生產(chǎn)工藝。玉米和糖蜜等成本偏高,不適宜作為原料生產(chǎn)丁醇。我國(guó)的農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)近8億噸,大部分被燃燒或者廢棄,不但浪費(fèi)資源,還會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染。如果能夠開(kāi)發(fā)出高效的預(yù)處理、酶水解和發(fā)酵工藝,利用廢棄纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)生物丁醇,既能夠降低成本,還能夠給農(nóng)民增收,帶來(lái)良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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