蔡的，李樹峰，司志豪，秦培勇，譚天偉

（北京化工大學生命科學與技術學院，北京100029）

（正）丁醇（C4H10O）是一種重要的大宗化學品和潛在的替代燃料。用作液體燃料時，相比傳統(tǒng)的燃料乙醇，丁醇分子碳鏈更長、碳氫比例更高、熱值更大、汽油相容性更好、揮發(fā)性更低，具有顯著優(yōu)勢[1]（表1）。因此，通過丙酮-丁醇-乙醇（ABE）發(fā)酵，生物催化轉化非糧生物質制備丁醇是生物能源領域研究的熱點和重要方向之一[3]。盡管ABE 發(fā)酵的研發(fā)歷史悠久，生物轉化技術較為成熟，然而受制于ABE 發(fā)酵復雜的產(chǎn)物組成和較高的細胞毒性，生物丁醇的分離成本高、難度大[4-6]。據(jù)估算，在傳統(tǒng)工藝中，生物丁醇的分離成本占總生產(chǎn)成本的14%以上，占比僅次于原料成本，是制約產(chǎn)業(yè)化應用的主要瓶頸之一[7]。

為解決生物丁醇分離的技術難題，近年來，在實驗室和中試規(guī)模上應用并驗證了多種新型分離技術[8-9]。相比于傳統(tǒng)的“發(fā)酵-精餾”過程，這些分離技術可顯著降低ABE溶劑產(chǎn)物分離的能耗[10]。值得注意的是，一些技術具有較低的細胞毒性和操作穩(wěn)定性，并可以在溫和條件，如發(fā)酵溫度下實現(xiàn)產(chǎn)物的高效分離[11]。這樣，通過分離模塊與生物反應器的耦合，可以實現(xiàn)溶劑代謝-分離平衡，將發(fā)酵醪液中的產(chǎn)物濃度維持在較低水平[12-13]。其優(yōu)勢在于：耦合系統(tǒng)內的反應器具有較低的溶劑濃度，可顯著降低溶劑對細胞的毒性，提升菌體對目標溶劑的代謝能力，促進底物代謝向產(chǎn)物方向移動；部分耦合系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵-分離操作，提升溶劑生產(chǎn)速率；原位分離可顯著提升ABE 溶劑濃度，顯著降低生物丁醇的分離成本[14-16]。

如表2所示，用于ABE發(fā)酵醪液中溶劑產(chǎn)物回收的技術按照分離方式可分為：基于汽液平衡的分離、基于相轉移的分離及膜分離技術。其中，基于汽液平衡的分離除傳統(tǒng)的精餾系統(tǒng)外，還包括了汽提、閃蒸（真空分離）等；基于相轉移的分離方式包括吸附、液液萃取、鹽析、濁點萃取等；膜分離技術包括滲透氣化、滲透萃取、膜蒸餾、反滲透等。本文梳理了不同類型分離方法的基本原理和在生物丁醇分離領域的應用實例，綜述了相關工藝路線的最新研究進展，并結合技術發(fā)展趨勢，對新型分離技術在生物丁醇制備過程中的應用前景進行了展望。

1 基于汽液平衡的生物丁醇分離方法

構建高產(chǎn)、高耐受菌株是生物丁醇制備的難點之一。近年來，大量研究采用代謝組學和進化工程手段對產(chǎn)丁醇菌株進行改造，并對傳統(tǒng)發(fā)酵過程進行調控和強化，以期從源頭上改善丁醇分離效率，但多級研究仍存在發(fā)酵濃度低、發(fā)酵副產(chǎn)物多等問題[17-20]。一般而言，現(xiàn)有技術無法使ABE發(fā)酵醪液中的丁醇體積分數(shù)突破2.5%。除代謝產(chǎn)生的丙酮、丁醇、乙醇等揮發(fā)性溶劑產(chǎn)物外，醪液中還含有高沸點有機酸副產(chǎn)物，如乙酸、丁酸等[21]。針對汽液平衡的分離技術而言，ABE 混合物含有許多極性化合物，因此表現(xiàn)出較強的非理想性；另一難點是發(fā)酵溶劑產(chǎn)物中的丁醇-水、乙醇-水可形成共沸物，增加了生物丁醇的分離難度[22-23]。據(jù)估算，采用傳統(tǒng)精餾技術純化0.5%丁醇-水混合物的分離能耗高達79MJ/kg（制備脫水丁醇），遠高于正丁醇的燃燒熱[23]。

1.1 汽提

汽提的分離效果受底物濃度、溫度、載氣種類和流量、氣泡分布、冷凝溫度等因素影響[24-25]。受制于溶劑的汽液平衡局限，汽提法分離ABE的效率較低，節(jié)能效果有限；但該過程操作相對簡單，無細胞毒性，適用于與發(fā)酵過程耦合，并將ABE隨載氣帶離生物反應器，進而顯著降低發(fā)酵產(chǎn)物毒性，提升溶劑產(chǎn)率和底物對溶劑轉化率[26-29]。

強化溶劑分離效率以獲取更高濃度ABE 冷凝液，進而減少整體分離能耗是汽提技術發(fā)展的主要方向。由于丁醇的極性較低，水溶性較差，在室溫下質量分數(shù)高于7.7%的丁醇水溶液可發(fā)生自然分相。而在ABE 溶液中，盡管極性更高的乙醇以及丙酮等副產(chǎn)物對ABE 分相產(chǎn)生一定不利影響，但在一定溶劑比例和濃度下依舊可產(chǎn)生相分離現(xiàn)象[29-31]。研究表明，在原位分離過程中，獲得分相的ABE 溶劑可顯著降低下游產(chǎn)物精制和純化過程的能耗和設備投資。例如，對分相的ABE 有機相和水相分別進行精餾，與有機相、水相混合后直接精餾相比能耗和總成本可降低約25.8%和17.4%[32]。

表2 不同生物丁醇分離技術原理及對比

根據(jù)汽提分離原理，發(fā)酵醪液濃度與ABE 冷凝液濃度存在明顯的正相關性。為獲得濃度高、分相明顯的ABE 汽提冷凝液，提升發(fā)酵醪液中待分離溶劑濃度是關鍵。因此，在發(fā)酵過程中采用高丁醇耐受性突變菌株、利用細胞固定化技術提升產(chǎn)丁醇梭菌耐受性等是實現(xiàn)ABE 高產(chǎn)的有效策略。例如，Xue 等[33]利用進化工程篩選得到的高產(chǎn)、高耐受突變株進行發(fā)酵，并與汽提分離耦合，在優(yōu)化汽提速率和冷凝溫度后，可獲得溶劑濃度達195.9g/L的分相冷凝液（其中丁醇濃度為150.5g/L）。Cai等[34]將突變的丙酮丁醇梭菌固定在多孔秸稈表面，構建類懸浮床生物催化反應器。在載氣擾動下，載體懸浮并促進底物傳質，打碎氣泡，提升氣泡的停留時間，顯著改善ABE 的汽提效率。此外，也有研究采用提升發(fā)酵液濃度，強化汽提分離并獲得分相冷凝液的報道[35]，采用間歇汽提與連續(xù)或補料分批發(fā)酵過程耦合，可將發(fā)酵罐中的ABE 濃度控制在高位，亦可實現(xiàn)在冷凝液中富集較高濃度的溶劑[33,36]。表3 匯總了近年來生物丁醇發(fā)酵耦合汽提的研究進展。

1.2 真空/閃蒸分離

真空/閃蒸分離的原理與減壓蒸餾過程類似，通過構建減壓體系，在發(fā)酵溫度或較低溫度下影響發(fā)酵醪液中溶劑的組分分壓，從而促進液相內揮發(fā)性溶劑產(chǎn)物向氣相傳質。近年來，相關研究報道較少，主要原因是構建減壓系統(tǒng)需要排出發(fā)酵產(chǎn)生的CO2、H2等氣體，造成碳質底物代謝擾動，進而影響底物對溶劑轉化效率[46]。此外，發(fā)酵罐或閃蒸罐的負壓狀態(tài)易造成發(fā)酵系統(tǒng)染菌，醪液中較低的ABE濃度導致冷凝液難以自然分相[47]。

表3 生物丁醇發(fā)酵耦合汽提的研究進展

受制于上述原因，真空分離多以間歇形式與ABE過程耦合。例如，Mariano等[46]采用真空分離與批次發(fā)酵耦合，當采用連續(xù)真空分離時，糖底物對ABE轉化率降至0.22g/g，僅為非耦合系統(tǒng)的62.9%，而采用間歇真空分離時，底物對ABE轉化率可小幅提升，但也僅能達到非耦合過程的62%～83%。真空分離與ABE發(fā)酵耦合的優(yōu)勢在于可一定程度上降低溶劑的總分離能耗。相較于傳統(tǒng)的“批次發(fā)酵-精餾”系統(tǒng)，通過“批次發(fā)酵-真空分離-精餾”，全工藝能耗理論上降低約18%[48]。Mariano 課題組[49-50]對“閃蒸-精餾”分離系統(tǒng)的評估表明，丁醇分離能耗較傳統(tǒng)工藝降低39%，可達到17MJ/kg水平。

2 基于相轉移的生物丁醇分離方法

盡管基于汽液平衡的生物丁醇分離方法操作相對簡單，工藝易于實現(xiàn)，但受制于分離原理，存在ABE 溶劑分離效率較低的共性缺陷，導致分離能耗普遍較高[51-53]。相較而言，另一類生物丁醇方法，即根據(jù)ABE 發(fā)酵液中溶劑分子極性差異實現(xiàn)相轉移分離，往往具有更高的溶劑選擇性和分離效率，分離能耗相較汽液平衡分離更低。下面對近年來研究較多的主流技術領域進行綜述。

2.1 吸附

吸附法分離ABE 發(fā)酵液中的生物丁醇已有較長的研發(fā)歷史，被證明是一種分離能耗相對較低的生物丁醇分離方法。吸附法利用溶劑分子和水之間的極性差異以及溶劑官能團差異性，通過發(fā)酵液中溶劑分子與多孔材料表面間的物理和化學作用以及后續(xù)溶劑或加熱洗脫吸附在固相介質上的溶劑實現(xiàn)分離。開發(fā)回收率高、富集能力強、丁醇選擇性高、成本低的吸附劑是近年來該類研究的主要發(fā)展趨勢。

Xue等[51]探究了商業(yè)活性炭吸附柱與ABE發(fā)酵系統(tǒng)耦合的可行性。發(fā)酵液流經(jīng)活性炭柱后，含有較低濃度ABE 溶劑的濾出液回收至發(fā)酵罐中并補入新鮮培養(yǎng)基實現(xiàn)補料分批發(fā)酵。在解吸過程中，溶劑產(chǎn)物通過熱空氣吹掃脫附。因產(chǎn)物抑制顯著降低，丁醇的產(chǎn)率較批次非耦合過程提升32%，回收溶劑中丁醇濃度達167g/L。也有研究采用磁性多孔碳吸附水溶液中的丁醇，分散在溶液中的吸附介質可通過磁場回收，丁醇回收率達93%[52]。Shu 等[53]采用聚丙烯酰胺修飾的PDMS海綿吸附ABE發(fā)酵液中的丁醇，并與批次發(fā)酵耦合，相比傳統(tǒng)批次發(fā)酵，耦合系統(tǒng)內丁醇產(chǎn)量提升102%。此外，吸附-解析過程效率與吸附柱空間結構和傳質有關。研究表明，在金屬骨架上原位生長的Silicalite-1比散堆吸附填料平衡時間更短，在解吸后可獲得88.5%的ABE 回收效率[54-55]。也有研究采用膨脹床分離補料批次發(fā)酵液中的ABE溶劑產(chǎn)物[56]，之后利用真空解吸疏水樹脂Dowex Optipore L-493 上的溶劑并實現(xiàn)膨脹床再生，凈生產(chǎn)ABE 40.7g/L，較傳統(tǒng)方法提升2.3倍。

采用吸附法分離生物丁醇的問題主要有兩方面，一是ABE 發(fā)酵液中的雜質污染吸附介質，造成吸附材料再生困難，影響吸附材料使用壽命；二是發(fā)酵液中的副產(chǎn)物，除丙酮、乙醇外，有機酸、殘?zhí)堑扰c目標產(chǎn)物丁醇存在競爭性吸附，導致實際分離效率降低[57-58]。吸附材料對丁醇的選擇性主要由材料結構特性決定[59]。因此，選擇高丁醇親和性及選擇性的吸附載體尤為關鍵[60]。Lin 等評價了不同類型大孔吸附樹脂的丁醇吸附動力學[61-63]，并利用篩選出的KA-I 樹脂與丙酮丁醇梭菌膜生物反應器內的發(fā)酵過程耦合，發(fā)酵溶劑產(chǎn)物濃度和產(chǎn)率分別提升了4～6倍和3～5倍[64]。

2.2 液液萃取

生物丁醇的液液萃取過程和吸附過程類似，利用ABE在有機相萃取劑中的溶解度不同實現(xiàn)分離，萃取劑經(jīng)回收后可重復利用[65-66]。相比其他分離方法，液液萃取過程的最大優(yōu)勢在于ABE 萃取劑容量大、丁醇選擇性好、分離能耗低。液液萃取對ABE 的分離效率取決于萃取劑的物化性質。因此，開發(fā)高溶劑選擇性、高分配系數(shù)、不乳化、無毒的廉價萃取劑是相關研究的主要目標[67-68]。在既往研究中，對不同溶劑分離ABE 的性能進行了評價。結果表明，油醇因具有較高分配系數(shù)和低毒性，將其用作丁醇萃取劑進行萃取發(fā)酵時，可顯著降低丁醇的產(chǎn)物抑制，提升發(fā)酵強度[69-71]。然而，油醇萃取的問題在于萃取劑成本偏高且回收能耗較大，產(chǎn)物分離不完全。為進一步提高萃取效率，可采用油醇與苯甲酸芐酯、正癸醇等有機物制備復合萃取劑[72-75]。例如，在應用正癸醇-油醇復合萃取時，萃取劑毒性對生物丁醇產(chǎn)生抑制，但當調節(jié)耦合系統(tǒng)pH至4.5后，萃取劑的毒性相對較低。在最優(yōu)條件下，含20%正癸醇的復合萃取劑與ABE 發(fā)酵耦合，丁醇代謝可提升72%[75]。此外，生物柴油等可再生溶劑也可用作丁醇的萃取劑[76]。一般而言，低細胞毒性萃取劑用于原位ABE 分離時，可顯著提升生物丁醇生產(chǎn)的連續(xù)性。例如，采用超臨界CO2萃取發(fā)酵液中丁醇，丁醇最高分離濃度為573.2g/L，丁醇選擇性可達204.8[77]。

除傳統(tǒng)萃取劑外，離子液體也被視為有效的ABE 萃取劑[79-80]。雖然離子液體萃取面臨成本較高、生物相容性較差等問題[81-82]，但由于溶劑蒸汽壓極低，離子液體萃取劑具有回收能耗相對較低的優(yōu)勢。離子液體對生物丁醇的萃取效率和選擇性主要取決于極性。例如，基于[Tf2N]-的離子液體（如[Omin][Tf2N]）具有較高的丁醇分離效率，丁醇的選擇性和分配系數(shù)分別可達132 和1.939，丁醇萃取率74%[82]。最新研究表明，由氫鍵受體和氫鍵供體組成的低共熔溶劑表現(xiàn)出較高的經(jīng)濟可行性和生物相容性，可作為潛在的ABE萃取劑替代品[83-84]。

2.3 濁點萃取

含有親-疏水基團的表面活性劑可用于ABE的分離。在濁點萃取過程中，向生物反應器中加入非離子表面活性劑可提高溶劑與微生物的生物相容性[85]。表面活性劑在低溫下溶于水溶液，當溶液溫度高于濁點時，表面活性劑會聚集并形成膠束[86]，在富表面活性劑相中實現(xiàn)丁醇分離。雖然濁點萃取的選擇性往往低于其他分離技術，但該技術在降低木質纖維素水解物和產(chǎn)物毒性方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[87]。Dhamole 等[86]比較了非離子表面活性劑Triton X114、L62LF、L61 和L62 的分離性能。將L62 表面活性劑用作萃取劑時，正丁醇可濃縮6倍。萃取后，表面活性劑相中的生物丁醇可在120～130℃下通過蒸發(fā)分離[88]。

2.4 鹽析

向ABE 發(fā)酵液中加入無機鹽，可提高水溶液對有機溶劑產(chǎn)物的排斥作用[89]。隨著無機鹽的加入，ABE 分子從水溶液中分離出來，形成雙相體系[90]。傳統(tǒng)鹽析過程需要無機鹽與萃取劑共同參與，才可將ABE溶劑萃取至有機相中。相比之下，無萃取劑輔助的鹽析過程無需額外添加有機物，可有效降低萃取劑回收能耗及潛在的環(huán)境危害[91]。鹽的析出效率取決于無機鹽的水化效應，因此優(yōu)選水相溶解度高、穩(wěn)定性強的鹽析劑。目前主要使用常溫水相溶解度較高的鉀鹽（如K2CO3、K2HPO4、KH2PO4、K3PO4和K4P2O7）[92-93]。

由于ABE 發(fā)酵產(chǎn)物中的低濃度溶劑在水相中具有較好的溶解性，因此僅當發(fā)酵液中鹽濃度達到較高水平時才會出現(xiàn)分相[90]。鹽析法分離ABE的問題較為突出，除不易實現(xiàn)發(fā)酵-分離耦合外，無機鹽的加入量大、易造成設備腐蝕、成本高且回收困難。除傳統(tǒng)無機鹽外，已有研究采用高濃度碳水化合物（如糖類化合物等）分離溶劑產(chǎn)物[94]。然而，糖脫除過程同樣面臨糖回收率低、殘?zhí)菬o法回收利用等技術局限。此外，盡管鹽析的有機相可獲得100%的生物丁醇回收率，但鹽析對水溶性更好的乙醇、丙酮副產(chǎn)物的分離效率比丁醇低[95-97]。因此，ABE 萃取不完全及鹽回收能耗大限制了該技術的實際應用[98-99]。據(jù)估算，采用NaCl 進行鹽析后，生物丁醇的下游純化過程費用高達1.84 USD/kg[100]。

3 生物丁醇膜分離技術

3.1 滲透汽化

滲透汽化是指料液中的待分離組分溶解進入膜材料，并在組分兩側蒸汽分壓差（料液側-滲余側）推動下擴散通過膜，在滲余側汽化并被收集的過程。滲透汽化技術基于膜材料與待分離組分間的親和性差異，實現(xiàn)料液組分的選擇性分離。相比傳統(tǒng)分離技術，滲透汽化過程無需引入其他物質，可在微生物發(fā)酵溫度下進行，因而適于與發(fā)酵系統(tǒng)耦合以實現(xiàn)丁醇的原位分離。Li 等[101]指出ABE 批次發(fā)酵耦合滲透汽化分離工藝相較于批次發(fā)酵工藝溶劑產(chǎn)率可提高21%，而在連續(xù)發(fā)酵過程中的溶劑產(chǎn)率可提升81%。此外，相比傳統(tǒng)精餾，滲透汽化過程所需能耗較低，可節(jié)能約50%[102]。然而，目前將滲透汽化技術用于分離發(fā)酵液中丁醇時仍面臨一些問題。首先，滲透汽化技術的核心是滲透汽化膜，而當前研究最廣的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜雖可將發(fā)酵液中丁醇富集至140～180g/L（表4），但從整體工藝能耗考量，仍有待進一步開發(fā)高選擇性、高通量的滲透汽化膜。

盡管無機膜具有通量高，但對丁醇選擇性較差，而聚合物膜具有選擇性優(yōu)異但通量低的不足。因此，通常采用有機無機共混策略制備混合基質膜，使其兼具有機膜和無機膜的優(yōu)點同時克服兩者的不足（圖1）。目前多采用以下策略制備混合基質。①向基膜中引入多孔疏水材料，提高滲透汽化膜對丁醇的溶解吸附能力及擴散能力。例如，Mao 等[112]向PDMS 中引入2D 的金屬骨架有機化合物（ZIF-L），該混合基質膜在40℃下分離1.0%丁醇水溶液時表現(xiàn)出優(yōu)異的分離性能，分離因子和滲透通量分別為57.6 和407g/(m2·h)。②由于多孔疏水無機材料與聚合物PDMS 共混時存在相容性差、填充量小的問題，可在多孔疏水材料表面接枝活性基團，從而改善兩者的相容性。例如，Hu等[113]在制備Silicate-1/PDMS 混合基質膜過程中，利用甲氧基可與PDMS 反應形成交聯(lián)結構，不僅可以極大減少PDMS 與Silicate-1 之間形成的非選擇性缺陷孔，同時可改善Silicate-1 的分布、提高填充量（63%）。

圖1 滲透汽化膜分離丁醇性能

表4 近年來利用滲透汽化技術原位分離ABE的研究進展及對比（以合成培養(yǎng)基為底物）

在基于大分子聚合物的滲透汽化膜成膜過程中，通常使用大量易燃易爆的有機溶劑，膜固化需在室溫下?lián)]發(fā)掉大量有機溶劑后在高溫環(huán)境下進行[圖2(a)]，至少需要數(shù)小時才能完全固化[114]。因此，膜生產(chǎn)效率低、成本高等瓶頸導致傳統(tǒng)方法聚合的滲透汽化膜難以滿足規(guī)?；枨?。針對上述困難，研究人員主要著眼于以下幾個方面進行探索。①針對溶劑大量使用，Li等[115]開發(fā)了綠色成膜技術，該技術革除了有機溶劑的使用，通過向鑄膜液體系中直接引入水，促進二月桂酸二丁基錫的水解，實現(xiàn)鑄膜液的交聯(lián)固化。②針對無法連續(xù)生產(chǎn)的問題，Li等[114]提出了分段調控策略，通過降低涂覆前鑄膜液溫度、減少鑄膜液中水用量、向鑄膜液中添加乙醇等延長鑄膜液的可涂覆時間，采用升高涂覆后鑄膜液溫度、增加催化劑用量等促進涂覆后鑄膜液的固化；采用上述策略后，PDMS鑄膜液的可涂覆時間可達88.3min；PDMS 膜的可收卷時間縮短至11min。Fan 等[116]則提出了同步噴涂、固化策略，通過高壓裝置將PDMS和交聯(lián)劑的乙醇溶液交替噴涂在支撐層表面并通過紅外燈加熱使薄層迅速固化，在2.6min內實現(xiàn)PDMS膜制備[圖2(b)]。Si等[117]對端羥基PDMS進行改性，使其接枝紫外光響應型基團（丙烯酸酯），涂層可在紫外光下30s 內完成固化[圖2(c)]。相比傳統(tǒng)端羥基PDMS制備的滲透汽化膜，使用丙烯酸酯改性PDMS制備的滲透汽化膜表現(xiàn)出優(yōu)異的丁醇分離性能，相比前者，丁醇選擇性提高了9.3%，而滲透通量僅略低于前者。

圖2 PDMS滲透汽化膜的制備過程

當疏水滲透汽化膜與ABE 發(fā)酵耦合時，由于發(fā)酵液中成分復雜，懸浮顆粒及微生物菌體易于在PDMS膜表面沉積、生長，進而導致膜分離性能下降、膜使用壽命縮短等問題。針對上述問題，Zhu等[118]采用氟硅烷與PDMS反應構建具有低表面自由能的活性層表面，可有效緩解膜表面的生物粘附。此外，由于部分MOFs 類材料在酸性環(huán)境下不穩(wěn)定，以MOFs 材料添加制備的PDMS 混合基質膜用于分離發(fā)酵液時，受發(fā)酵液中乙酸、丁酸等有機酸的影響，長期分離時膜性能損失較大[119]。為解決上述問題，Si 等將ZIF-8 煅燒后，將碳化ZIF-8 填充于PDMS膜；該膜在分離ABE發(fā)酵液時表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性[119]。

3.2 滲透萃取

滲透萃取是一種特殊的萃取技術，該技術基于膜分離和液液萃取，膜上游側與發(fā)酵液接觸，下游側與萃取劑接觸。在滲透萃取過程中，發(fā)酵液中的揮發(fā)性有機物溶解、擴散通過膜，為下游側萃取劑所萃取，從而實現(xiàn)富集分離。該技術通過膜構建了發(fā)酵液和萃取劑的物理隔離，革除了萃取劑毒性對發(fā)酵液中微生物的影響。但是，膜的存在同時也降低了傳質效率，使得產(chǎn)物收率較低。Qureshi等[120]采用硅橡膠膜/油醇萃取耦合ABE連續(xù)發(fā)酵策略，相較于批次發(fā)酵，ABE 濃度提升10.6 倍（由9.34g/L 至98.97g/L），ABE產(chǎn)率則達到0.27g/(L·h)。需要指出的是，由于滲透萃取過程中膜直接與發(fā)酵液中的微生物、懸浮顆粒等接觸，因而易出現(xiàn)膜污染問題[121]。

3.3 膜蒸餾

膜蒸餾技術使用疏水微孔膜將發(fā)酵液與接收側（液體或吹掃氣體）分隔開來，由于表面張力作用，常壓下液體無法透過微孔；在運行過程中，通過調節(jié)兩側溫度，在蒸汽分壓差推動下，揮發(fā)性產(chǎn)物的蒸汽則通過微孔擴散至接收側。與其他膜分離技術相似，膜蒸餾過程中，無需向發(fā)酵液中引入新物質，從而避免了對微生物的影響。Gupta 等[122]將碳納米管固定至聚四氟乙烯（PTFE）膜表面，將其用于分離ABE 水溶液，膜料液側采用微波輔助加熱，透過側則采用氣體吹掃方式收集。相比原始PTFE 膜蒸餾，采用上述策略在40℃下進行膜蒸餾時，丙酮、丁醇、乙醇的通量分別提高了100%、105%和375%。這是由于PTFE 表面的碳納米管促進了上述有機物的吸附和擴散，同時，微波加熱有助于在局部形成過熱環(huán)境，破壞氫鍵連接的ABE-水簇，從而促進了有機物分子的逸出，提高了膜通量。

3.4 反滲透

在反滲透過程中，在發(fā)酵液側施加一定壓力，水分子沿著與自然滲透相反的方向進入另一側的水中，而有機物、菌體、營養(yǎng)成分等則被膜所截留，從而實現(xiàn)有機物富集濃縮的目的。據(jù)Huang等[81]估算，反滲透過程所需能耗高于疏水滲透汽化，這是由于前者的運行壓力遠高于后者。需要指出的是，多數(shù)反滲透膜易溶于丙酮，因此在分離發(fā)酵液時膜結構會受到破壞，因而限制了其應用。Gautam等[123]提出可將反滲透技術用于提高木質纖維素原料水解液中糖濃度，經(jīng)反滲透處理后，水解液中葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等糖類的截留率均可達90%以上；然而，糠醛、5-羥甲基糠醛、乙酸等丁醇發(fā)酵抑制物的截留率也高于77%。

4 面向終產(chǎn)物的多級分離系統(tǒng)級聯(lián)

雖然前幾節(jié)介紹的分離技術可以實現(xiàn)發(fā)酵液中ABE 溶劑產(chǎn)物的原位脫除與濃縮，提高生物丁醇的生產(chǎn)強度和生產(chǎn)連續(xù)性，但第一步分離提濃結束后，尚需進行進一步提濃并級聯(lián)后續(xù)精餾系統(tǒng)，才可實現(xiàn)終產(chǎn)物的制備與純化，即獲得丁醇、乙醇、丙酮純溶劑。由于精餾技術的局限性（受制于ABE-水四元組分共沸），傳統(tǒng)蒸餾所得溶劑濃度無法越過共沸組成。因而，后續(xù)產(chǎn)物精餾脫水環(huán)節(jié)的能耗和成本依舊較高。為解決這一問題，獲得總濃度越過共沸組成的ABE 濃縮液，降低后續(xù)產(chǎn)物精餾精制過程能耗，近年來針對ABE 分離技術的研究除面向溶劑濃度較低的發(fā)酵醪液系統(tǒng)外，也有部分學者著眼于ABE 原位分離產(chǎn)物的進一步提純脫水環(huán)節(jié)進行工藝開發(fā)和設計。

4.1 多級分離級聯(lián)原位分離ABE溶劑

表5列舉了近年來開發(fā)的多級原位分離級聯(lián)純化ABE 溶劑的方法。例如，采用萃取-汽提工藝，對液液萃取所得的有機相進行進一步氣提提純，可獲得較高濃度的ABE 冷凝液[124-125]。然而，上述工藝雖然一定程度上降低了萃取劑回收的成本，但萃取劑依舊對產(chǎn)丁醇梭菌代謝有一定的毒性。在二級汽提過程中，第一階段氣提冷凝液的水相作為第二階段氣提的原料。最后，將第一段冷凝液的有機相與第二段冷凝液的有機相混合，可獲得671.1g/L的ABE 溶液[126]。該級聯(lián)分離系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)單級汽提過程細胞毒性低、操作簡單等優(yōu)勢，同時一定程度上彌補了單級汽提工藝分離濃度低的問題。需指出的是，二級汽提工藝基于汽液平衡實現(xiàn)ABE 濃縮分離，因此最終所得ABE 溶劑濃度仍無法突破共沸溶劑濃度。

表5 多級分離級聯(lián)原位ABE分離工藝的原理及對比

相比之下，基于二級滲透汽化的原位分離系統(tǒng)可以獲得更高的溶劑產(chǎn)物濃度，其原因是滲透汽化基于溶劑在膜活性層的吸附-擴散-解析而實現(xiàn)分離[111]。然而，這一過程的缺陷在于，在第一級滲透汽化過程中，與單級滲透汽化相同，生物丁醇發(fā)酵液直接接觸膜表面，導致滲透汽化膜存在膜污染等問題，膜的使用壽命受限。此外，有研究提出了滲透汽化-鹽析和汽提-鹽析工藝，針對ABE 原位分離濃縮液進行第二級鹽析分離，這一過程極大地降低了傳統(tǒng)面向低濃度發(fā)酵醪液直接鹽析過程中的鹽用量，因而降低了鹽回收過程中水的蒸發(fā)能耗。該工藝的另一大優(yōu)勢在于規(guī)避了傳統(tǒng)鹽析工藝只適用于離線ABE 分離的問題，而相比于其他分離技術，在第二級溶劑分離過程中，鹽析的溶劑分離效率更高，操作也相對簡單[127-128]。

除上述方法外，也可采用汽提-滲透汽化級聯(lián)分離工藝[129-130]。該工藝選擇性高，同時克服了汽提選擇性低和滲透汽化存在膜污染的問題。然而，汽提-滲透汽化工藝的局限性是需要重新加熱第一級分離得到的ABE 冷凝液，以進行第二級分離。因此，這一過程需要額外消耗能量。為解決這一問題，可對汽提-滲透汽化二級分離系統(tǒng)進行進一步整合，即形成汽提滲透（GSVP）[又稱蒸汽滲透（VSVP）]分離模塊[131-132]。在該過程中，汽提回收的氣體直接進入滲透汽化膜組件。就工藝裝置而言，傳統(tǒng)滲透汽化與GSVP過程的唯一不同是，在GSVP過程中，通過載氣分散在氣體中的ABE在疏水膜表面溶解并擴散至透過側，而在常規(guī)滲透汽化過程中，水溶液中的ABE為疏水膜所分離（圖3）。因此，理論上GSVP過程中僅有水和揮發(fā)性產(chǎn)物與膜接觸，革除了傳統(tǒng)滲透汽化的膜污染問題[133]。然而，由于汽提回收氣體中丙酮和乙醇等副產(chǎn)物占據(jù)相當高的分壓，利用GSVP技術原位分離ABE溶劑時，其效率遠低于汽提-滲透汽化過程（GSVP僅可將ABE富集至330g/L左右，而汽提-滲透汽化則可富集至約660g/L）[130,134]。

圖3 傳統(tǒng)滲透汽化原位分離和汽提滲透過程（GSVP）的工藝流程對比

雖然許多文獻對多級分離級聯(lián)的節(jié)能效果進行了討論，但多數(shù)研究僅進行了定性分析，對多級分離級聯(lián)的定量描述報道不多。Cai 等[129]比較了單級汽提和汽提-滲透汽化過程的能耗。結果表明，與單級汽提相比，包含二級分離級聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)酵-分離工藝整體能耗節(jié)省了1.37MJ/kg，這主要得益于兩段分離后的ABE 濃度較高，更少量的水進入下游精餾系統(tǒng)。

4.2 終產(chǎn)物精餾

精餾是最傳統(tǒng)的生物丁醇分離手段之一，ABE可以通過沸點差異逐一分離。然而，由于ABE 發(fā)酵溶劑產(chǎn)物濃度低，直接利用精餾分離ABE 發(fā)酵液能耗極高，丁醇分離效率也因受共沸物影響而偏低[135-136]。正丁醇/水二元混合物的汽液平衡如圖4(a)所示，其中x 為液相正丁醇質量分數(shù)，y 為氣相正丁醇質量分數(shù)[137]。如前所述，由于正丁醇在水中的溶解度偏低，在高濃度下可實現(xiàn)分相[32]。前人基于此提出雙塔-分相器精餾（TCD）系統(tǒng)，在無萃取劑的情況下即可生產(chǎn)無水生物丁醇[135,137][圖4(b)]。TCD 系統(tǒng)與其他蒸餾塔組合在一起，形成精餾序列，一般按溶劑產(chǎn)物沸點的升序/降序分離ABE 發(fā)酵液中的低揮發(fā)性副產(chǎn)物丙酮、乙醇。

圖4(c)是基于產(chǎn)物沸點逐步升高的ABE精餾序列[139-142]。該類精餾序列的優(yōu)勢在于適用性強，除直接用于ABE 發(fā)酵液分離外，也可用于原位分離得到的ABE 濃縮液[129]。雖然此類精餾序列在文獻和實際應用中報道較多，但存在一些技術瓶頸。例如，由于ABE 產(chǎn)物中的乙醇比例較低，導致該序列中乙醇塔熱負荷高。受制于乙醇-水共沸，乙醇塔頂采出濃度偏低，僅有80%水平。該序列的另一類問題是乙醇塔釜中的痕量乙醇流入TCD系統(tǒng)，由于沸點較低，乙醇會逐漸積累在丁醇塔和脫水塔塔頂無法排出，導致分離效率下降，精餾系統(tǒng)穩(wěn)定性低。通過構建新的精餾序列可有效解決上述問題。Chen 等[129]提出將TCD 系統(tǒng)中的回流分相器物流導入乙醇塔中部，形成“乙醇塔-丁醇塔-分相器-脫水塔”閉合循環(huán)（E-TCD）系統(tǒng)[圖4(d)]。該系統(tǒng)不但避免了痕量乙醇在丁醇塔、脫水塔中的積累，同時由于乙醇塔熱負荷降低，可在乙醇塔頂分離得到95%的乙醇產(chǎn)品，在進一步優(yōu)化壓差精餾和系統(tǒng)換熱后，基于E-TCD 的精餾序列相比傳統(tǒng)的基于TCD 的精餾序列對ABE 原位汽提冷凝液的分離能耗可降低17.5%[129]。

按沸點由高到低的順序依次分離ABE 的精餾序列比較復雜。但對于原位分離得到的ABE 濃縮液的精餾而言，由于濃縮液溶劑濃度較高，部分研究將傳統(tǒng)序列中的分相器前置，即在提濃塔之前分離有機相和水相，之后通過脫水塔和丁醇塔進一步對水相和油相濃縮脫水，濃縮產(chǎn)物重新混合后進入前置分相器[圖4(e)][12,143]。

無論采取何種精餾序列，都需要投入多個塔器才能實現(xiàn)ABE 的有效分離，這無疑增加了工藝分離復雜性和設備成本。近年來，有研究在構建塔器間熱耦合系統(tǒng)基礎上[145-146]，提出采用間壁塔替代傳統(tǒng)精餾序列中的部分塔器。間壁塔采用熱耦合塔器拓撲結構[147-148]。例如，Patra?cu 等[149]提出了面向ABE 汽提冷凝液的基于單間壁塔分離序列。在此過程中，通過丙酮-乙醇塔、分相器和閃蒸罐的輔助，可以實現(xiàn)丙酮、乙醇、正丁醇和水的分離[圖4(f)]。然而，目前多數(shù)研究僅能實現(xiàn)通過構建單間壁塔替代傳統(tǒng)序列中的兩個精餾塔，能量和成本收益相對較少。同時，間壁塔相對普通塔而言控制難度增大，尚無搭建實物樣機進行實際應用的報道。

利用萃取精餾實現(xiàn)ABE精餾的強化報道較多，也更容易實現(xiàn)。其過程為液液萃取后的萃取液導入精餾塔完成溶劑產(chǎn)物分離和萃取劑回收，由于萃取液中水含量少，因此水的相變能耗可大幅降低。近年來提出了多種萃取精餾序列，與常規(guī)不添加萃取劑的普通精餾過程相比，有報道指出萃取精餾分離ABE 的能量成本可降低約75%[150]。Kraemer 等[151]使用三甲基甲苯作為熱集成萃取劑，理論上生物丁醇的分離能耗可以降低至4.8MJ/kg。Dìaz 和Tost[152]設計了類似的萃取蒸餾序列，精餾分離ABE 的總能耗可維持在6.4～8.3MJ/kg。由于萃取劑的理化性質存在差異，萃取劑類型對精餾成本影響較大。Ave和Adams[153]比較了8 種萃取劑（包括4 種有毒萃取劑和4種無毒萃取劑）對ABE精餾的影響。為進一步強化精餾過程，有研究整合間壁塔和萃取精餾系統(tǒng)，利用間壁塔進行萃取精餾時，較非傳統(tǒng)塔器萃取精餾工藝的經(jīng)濟性和環(huán)境效益可望分別提升22%和18%[154]。

圖4 面向ABE分離的精餾系統(tǒng)

5 展望

除面向解決生物質糖化與生物轉化的固有瓶頸外，對生物丁醇分離技術領域的研究日益深入，大量基于汽液平衡、相轉移、膜分離技術等的新型分離方式涌現(xiàn)。然而，受制于整體工藝路線的經(jīng)濟局限性，目前還鮮有將這些新型分離技術應用于實際生產(chǎn)中的實例。一些對生物丁醇新型分離技術的探索因放大效應和規(guī)?；瘧秒y度限制尚無法最終走向市場應用。

另一方面，未來面向生物丁醇分離的研究離不開對上下游工藝路線的整體考量和對生物煉制系統(tǒng)集成性的宏觀把握。探索與上下游生物煉制路線深度整合的高效分離系統(tǒng)是目前研究的趨勢和熱點。例如，面向纖維基生物丁醇制備路線有機廢水減排，有報道提出將滲透汽化離線分離后的滲余側含酸的脫ABE 醪液作為纖維糖化緩沖液實現(xiàn)廢水循環(huán)利用，廢水減排可望在86%以上[155]。針對ABE發(fā)酵廢水COD 高的問題，Cai 等[156-158]提出在批次ABE 發(fā)酵后期利用無菌空氣作為載氣，通過汽提分離揮發(fā)性溶劑產(chǎn)物，同時向生物反應器內接入好氧產(chǎn)油微生物。在此過程中，厭氧的產(chǎn)丁醇梭菌因發(fā)酵液溶氧提升而滅活，發(fā)酵副產(chǎn)物乙酸、丁酸等有機酸被產(chǎn)油微生物代謝為微生物油脂。發(fā)酵廢水的COD 因有機物被產(chǎn)油微生物固定和轉化而顯著降低。木質纖維素生物轉化丁醇過程中，一大難點是纖維素糖化過程中產(chǎn)生大量呋喃化合物，抑制梭菌代謝進而影響糖底物對溶劑的轉化率。為解除糠醛對發(fā)酵的抑制，有報道提出了“一膜多用”的策略整體提升ABE發(fā)酵-分離性能。該方案首先利用疏水性滲透汽化膜分離木質纖維素水解液中的糠醛，之后利用滲透汽化脫毒后的纖維水解液完成丁醇發(fā)酵，進而繼續(xù)利用該滲透汽化膜完成ABE 溶劑的濃縮和分離[133,159]。

發(fā)酵底物成本高而產(chǎn)物附加值低一直是生物丁醇發(fā)酵經(jīng)濟可行性的主要制約因素。為提升生物丁醇過程的整體經(jīng)濟性，另一研究趨勢是將ABE 生物催化過程進一步與下游的化學或生物催化過程級聯(lián)，制備高密度、高熱值替代燃料或高附加值精細化學品。在此過程中，丁醇的分離往往起到“承上啟下”的作用。既要實現(xiàn)ABE 的高效分離，也要保證分離出的溶劑產(chǎn)品能夠滿足下游催化提質工藝的需要。例如，利用ABE 脫水溶劑制備中長鏈烴的提質工藝中，丙酮作為醇醛縮合的橋接分子在化學催化劑的作用下與丁醇或乙醇聚合，之后通過催化加氫脫氧得到目的產(chǎn)物[160-162]。顯然，采用傳統(tǒng)精餾過程實現(xiàn)ABE 發(fā)酵與催化的銜接相對繁瑣。相比之下，通過萃取、鹽析或二級汽提-滲透汽化獲取的高濃度ABE 混合物直接進行化學催化不僅工藝過程簡單，同時更加高效節(jié)能[163-165]。在面向精細化學品的制備方面，Chen 等[166-168]報道了利用汽提或滲透汽化原位分離得到的ABE 濃縮液與油酸反應，在全細胞催化劑催化酯化下，制備油酸丁酯和油酸乙酯的混合物。油酸在此過程中作為反應底物，而反應獲得的油酸酯作為ABE 溶劑的萃取劑。因此，從上下游工藝過程角度分析，該“反應-萃取精餾”過程不僅可以獲得更高附加值的酯類化合物，同時可顯著降低溶劑的下游分離成本。

一些研究對發(fā)酵-滲透汽化分離耦合過程進行動力學建模和描述，并進行耦合過程的動態(tài)優(yōu)化[169]。Lim等[170]對ABE發(fā)酵的離線吸附過程進行動力學建模，并指導發(fā)酵生產(chǎn)，在最優(yōu)條件下丁醇產(chǎn)率提升1.21倍，底物糖成本降低1.67倍。Dìaz等[171]對生物丁醇的真空分離耦合過程進行建模。并將模型用于選擇最優(yōu)生產(chǎn)策略，以確定并行反應器操作對熱泵系統(tǒng)規(guī)模的影響。然而，目前的多數(shù)研究尚停留在提升ABE 發(fā)酵過程產(chǎn)物產(chǎn)率和底物轉化率的宏觀表征上，而欠缺在微觀尺度上對耦合系統(tǒng)中細胞的碳質底物代謝強化原理分析。然而目前的發(fā)酵-分離耦合研究多局限于野生菌或突變菌為基礎的工藝系統(tǒng)，而利用定向改造基因工程菌耦合系統(tǒng)的報道還不多，有待研究。

6 結語

本文重點綜述了近年來面向生物丁醇高效分離的研究，對近年來出現(xiàn)的基于汽液平衡、相轉移、膜分離等ABE 分離技術和相應的發(fā)展趨勢進行總結?？傮w而言，開發(fā)低能耗、低毒性、高選擇性的生物丁醇分離技術是該領域的主要研究方向。相比應用單一技術的生物丁醇分離，采用多級分離集成可以實現(xiàn)低能耗下更高濃度的產(chǎn)物富集，同時規(guī)避了不同類型分離技術固有不足。面向終產(chǎn)物脫水溶劑的分離，新型精餾系統(tǒng)主要面向原位分離得到的濃縮ABE-水四元混合物純化。通過精餾序列的合理設計、物質流向的重新規(guī)劃、熱耦合技術和間壁塔的設計與應用，可顯著降低傳統(tǒng)產(chǎn)物精制過程的能耗和設備投資。除對不同分離技術和單元進行強化和持續(xù)改進外，目前的丁醇分離技術還逐漸向三個方面展開。一是與生物煉制系統(tǒng)深度融合，在固有的促進發(fā)酵和降低分離成本研究基礎上，部分分離技術的引入可為生物煉制過程的減排提供助力。二是要面向生物丁醇的提質和轉化。生物丁醇的分離不但需要兼顧溶劑分離效率，也要兼顧與下游催化轉化過程的銜接，實現(xiàn)上下游流程整體效益的最大化。三是對發(fā)酵-分離過程進行系統(tǒng)梳理，對整體工藝流程的能量流、物質流強化，并根據(jù)分離工藝特點開發(fā)適用性強的生物催化劑。盡管現(xiàn)階段生物丁醇的規(guī)?；苽湟琅f受制備成本高、傳統(tǒng)和新型石化路線沖擊等因素制約，但相信經(jīng)過不斷的工藝、技術改進和完善，特別是對分離技術的持續(xù)研究，生物丁醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的春天必將到來。