生物丁醇的技术现状及发展前景

边莉莉

（天津市滨海新区塘沽紫云中学 天津 300457）

由于石油资源不可再生和国际石油价格的剧烈波动，生物燃料因其低污染且环保而倍受瞩目。丁醇可采用生物质原料来生产，在生物燃料领域的发展有巨大潜力。由于生物丁醇的能量密度高、燃料经济性高，腐蚀性小，蒸汽压力较低，易于管道输送。因此，生物丁醇已成为新型醇类生物燃料产品，同时广泛应用在医药工业、塑料工业、有机工业、印染等方面，是重要的大宗化工原料。

1 发酵与化学法制丁醇

工业生产丁醇的方法：羰基合成法、醇醛缩合法和发酵法，丁醇生物发酵的主要产物是丙酮 (Acetone)、丁醇 (Butanol)和乙醇(Ethanol)，其含量约为 6∶3∶1，简称 AB或 ABE发酵，一般是利用丙酮丁醇梭菌在严格厌氧条件下进行的。传统丁醇发酵的原料为玉米、糖蜜，这样会产生与人争粮导致资源紧张等问题。丁醇对真菌等菌体有毒害作用、产物抑制作用，这样会导致丁醇产量、产率较低。因此，使用传统的ABE发酵，加大了后期丁醇回收、分离的成本。

2 生物法制定醇的历史

第一次世界大战期间就有了生物法制备丁醇，当时生产合成橡胶的最理想路线是以产溶剂梭菌厌氧发酵的方式来合成丁二烯橡胶。因此，以碳水化合物（玉米粉等）为底物的溶剂发酵也飞速发展。20世纪50年代，ABE发酵逐渐衰落，在北美、欧洲、日本等地停止了生产。中国第一家ABE发酵工厂使用玉米发酵（上海溶剂厂）于1955年投产，随后北京、天津、江苏等省市陆续建立了近30家ABE发酵工厂，随着石油合成化工的兴起，发酵法生产ABE在生产成本上失去竞争优势，自上世纪90年代开始，国内ABE发酵企业逐步停业关闭。

由于石油资源紧张和不可再生等原因，发酵法生产ABE技术近年来再次成为社会关注的焦点。近年来国内已建成数十家ABE发酵企业，另有5家在筹备建设中，预计全部建成投产后，国内ABE发酵生产总量将高达年产100万t的规模。

3 影响丙酮丁醇发酵的因素

丙酮丁醇发酵经历了一个非常曲折的历程，综合归纳各项因素，影响丙酮丁醇发酵历程的因素如下。

（1）丁醇对菌种的毒性较大。由于丁醇能产生较大毒性，导致其不能正常生长，最终影响溶剂浓度[30]。（2）溶剂的最终浓度偏低。（3）溶剂产率低。（4）产物比例与所需不相符。（5）发酵原料价格高。

4 生物丁醇技术的研究进展

4.1 菌株的改良

传统的ABE发酵中使用的工业菌种梭状芽胞杆菌Clostridia.工业用的产溶剂梭菌分4个“种”(Species)。此类菌的淀粉酶活力较强，具有独特的系统发育特性，广泛应用于玉米和谷类等原料的发酵；另外3个种为糖乙酸多丁醇梭菌（Clostridium saccharoperbutylacetonicum）、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）、糖丁酸梭菌（Clostridium Saccharobutylicum）。大多数糖-发酵菌株属于拜氏梭菌，中国科学院上海植物生理生态研究所研究人员等通过土样分离和诱变筛选技术获得了高丁醇比例菌株EA 2018。

最常用的丁醇代谢途径来源于产溶剂梭菌，产溶剂梭菌能生成丁醇（60%-70%），丙酮（20%-30%）和的乙醇（10%）这三种产物。丁醇途径的重构和优化在提高丁醇耐受性、扩宽生物丁醇的底物生产范围的菌株研发也被研究者关注。

4.2 ABE发酵工艺的改进

4.2.1 萃取发酵

萃取发酵的最关键的环节是选取高质量的萃取剂。浙江大学研究人员在1992年发现使丁醇的产量显著增加的方法就是利用间歇萃取发酵方式。萃取发酵可降低并消除代谢产物对微生物生长带来的不利影响。

4.2.2 气提法

在稀释液中通入惰性气体，使发酵产物及时分离的气提分离技术与间歇发酵相比，前者对丙酮丁醇发酵的影响较大。

4.2.3 渗透蒸发利用膜对混合物的不同性能产生不同反应的特点，在蒸汽分压差的制约下，对混合物进行部分蒸发使之分离。

4.2.4 两步发酵法发酵

在传统发酵的基础上发展两步法发酵，首先用厌氧梭菌将糖高温发酵得到丁酸，然后将生成的丁酸发酵生成丁醇。这样有效可显著降低丁醇的毒性，从而保证发酵反应持续稳定的进行。

4.2.4 固定化技术

固定化技术是利用细胞内酶来实现酶催化反应的新兴技术，它将细胞固定在载体上进行生物化学反应，反应速度快，产率高，控制方便。

5 生物丁醇技术发展前景

作为工业企业生产中新一代生物燃料，丁醇的制备方法已成为当今社会的研究热点。根据我国生物丁醇发展状况，可从以下几个方面降低生物丁醇的制造成本：

5.1 利用现有的资源能源，积极研究新技术开发非粮作物，利用木质纤维素及木薯、菊芋等非粮类底物研发溶剂发酵。

5.2 大量可再生资源已投产在丁醇的发酵生产中。

5.3 为提高丁醇发酵的经济竞争力，除使用廉价原料外，改善工艺技术来提高发酵产出率。

5.4 培育新型生产菌种，采用先进分子生物学技术。随着生物化工技术的进步，生物法制丁醇将会成为清洁、环保可持续发展的生产丁醇的最佳途径。

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