生物丁醇提取技术研究进展

生物丁醇提取技术研究进展李智斌【摘要】生物丁醇是当今世界可再生生物能源的研究热点之一，由于终产物丁醇的抑制作用限制了发酵生产中丁醇的产量。

本文主要介绍采用吸附法、液液萃取技术、汽提法和渗透汽化技术在发酵过程提取丁醇以降低抑制作用的研究进展，对各种技术的优缺点和目前遇到的研究难题作一综述，并对丁醇分离耦合发酵技术发展方向进行了展望。

%Biobutanol is one of the research hotspots in the field of renewable bioenergy. The yield of butanol is inhibited by butanol itself during fermentation. In this text, the techniques of adsorption, liquid-liquid extraction, gas stripping and pervaporation were introduced, which can extract butanol during fermentation to reduce inhibition. The Advantages and disadvantages and the research challenge of the techniques mentioned above were also introduced. The development of extracting butanol from fermentation was prospected.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2015(000)017【总页数】3页(P38-40)【关键词】丁醇;吸附;萃取;汽提;渗透汽化【作者】李智斌【作者单位】广东中科天元新能源科技有限公司，广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TK6丁醇生物发酵一般是利用丙酮丁醇梭菌在严格厌氧条件下进行的，其主要产物是丁醇、丙酮和乙醇，含量约为6:3:1，简称ABE发酵。

丙酮丁醇发酵过程中，会产生大量的有机酸(乙酸、丁酸)和有机溶剂(乙醇、丙酮、丁醇)，丙酮、丁醇对菌体生长都有一定的抑制作用，特别是丁醇，当其浓度达到1%～2%时，菌体生长就会受到严重的抑制。

因此，在发酵过程中采用有效的方法移除产物ABE，降低产物的浓度，使得产物抑制作用降低，可以提高发酵产率和底物的利用率。

目前用于分离丙酮、丁醇梭菌发酵产物的方法主要有吸附(absorption)、液-液萃取技术(liquid-liquid extraction)、气提技术(gas stripping)和渗透汽化技术(pervaporation)等等。

采用吸附法分离丙酮—丁醇发酵产物，是将吸附剂直接置于发酵液中吸附产物。

近年来主要集中在使用硅藻土、活性炭、聚合树脂作为吸附剂的研究上。

硅藻土具有孔隙度高、吸附性强、容重小、熔点高、隔热、吸声、折射率低、化学性能稳定等特点，因而被广泛应用于许多领域。

Meagher等[1]利用硅藻土进行丙酮丁醇发酵液的吸附试验，发现硅藻土可以选择性地吸附丁醇和丙酮，吸附能力分别达到48 mg/g和11 mg/g。

Maddox[2]利用硅藻土吸附丁醇浓度为11.7～16.8 g/L的发酵液，发现其吸附能力范围为64～85 mg/g。

可以看出，硅藻土是良好的丁醇吸附剂。

吸附于硅藻土上的丁醇可以通过加热的方法将其解吸附，丁醇解吸附过程中，吸附的水加热到40 ℃时移去，而丁醇则在150 ℃时分离。

Meagher等[3]研究发现硅藻土78 ℃时解吸丁醇、丙酮和乙醇，提取率分别达到100%，95.5%和80.0%。

此外，许多研究者还对各种碳材料和聚合树脂进行了丁醇吸附研究，也取得了很好的效果。

Groot等[4]利用活性炭(Norit W52和Norit ROW 0.8)、聚合树脂(XAD-2、XAD-4、XAD-8)进行吸附实验发现，Norit ROW 0.8的吸附能力最强，达到252 mg/g。

Yang等[5]利用聚乙烯吡啶(polyvinylpyridine，PVP)吸附丁醇，发现聚乙烯吡啶可以吸附丁醇和丁酸，所以产酸期有机酸抑制减弱。

有机酸浓度下降就可以吸附更多的丁醇，并且菌体在产溶剂期会受到更少的抑制。

另有研究者进行了bonopore、Amberlite XAD-4、Amberlite XAD-7等材料的吸附实验，都取得了良好的效果(表1)[6]。

液液萃取的原理是非水溶性有机萃取剂与发酵液混合，由于ABE在萃取剂中的溶解度比在水中的溶解度要大，因此，ABE在有机相中被选择性的分离浓缩，实现ABE从发酵液中移除出来。

杨立荣等[7]利用油醇进行萃取研究，发现油醇对丙酮丁醇梭菌没有毒性，当初始葡萄糖浓度为110 g/L时，水相丁醇浓度为5.12 g/L，折合水相丁醇浓度为16.27 g/L，折合水相总溶剂浓度为33.63 g/L。

在液液萃取过程中，有些溶剂对发酵中的关键中间产物(比如丁酸)也具有很强的萃取能力，会对溶剂的形成带来一定的影响，故有研究者先使用中间产物使萃取剂达到饱和状态再进行ABE萃取。

G.Eckert等[8]利用丁酸浓度达到饱和状态的癸醇作为萃取剂，癸醇在提取发酵液中具有足够高的分配系数和选择性分离丁醇，在连续发酵中丁醇的生产能力从0.51 g/(L·h)提高至1.96 g/(L·h)，总溶剂从0.78 g/(L·h)提高到3.08 g/(L·h)，说明其生产能力得到了很大的提高。

液—液萃取技术简化了连续发酵工艺，而且由于发酵液萃取之后还可以进行回收并在补充营养物质之后再次发酵，大大减少了生产过程中污水排放量，节约了生产成本。

但是，由于萃取剂存在价格昂贵、对菌体有一定的毒性和萃取发酵中间产物等问题，给液液萃取技术应用于生产上带来了一定的难题。

气提与丙酮丁醇发酵耦合分离ABE 提高发酵效率的原理主要是利用气体(如氮气或发酵自产气体)在发酵液中产泡，气泡截获ABE后在一个冷凝器中压缩收集。

当溶液被浓缩后，气体重新回收利用进入发酵容器截留更多的溶剂。

因而，气提降低能耗并提高发酵产率及底物的利用率。

Ezeji等[9]研究了C.beijerinckii BA101利用高浓度的P2合成培养基并采用补料与气提技术耦合发酵ABE，结果表明采用该技术ABE的产率和产生速率分别为0.47 g/g和1.16 g/(L·h)，比对照组提高了4倍。

气提法的效率受到载气循环速度、气泡大小、消泡剂等众多因素的影响。

Ezeji等[10]发现汽提法耦合发酵过程中，丁醇提取效率与气体循环速度大小有关，气泡大小并不影响丁醇的提取效率。

但是，气泡直径小于0.5 mm时，会产生大量的泡沫影响丁醇发酵的体积。

为了不产生大量的泡沫，在气体循环过程中加大气泡的直径，使得气泡离开发酵液后迅速破泡，从而解决汽提法中产生泡沫的问题。

渗透汽化主要是利用膜的选择性从发酵液中移除挥发性组分，而营养物质、糖以及微生物细胞等被截留下来，分离的组分通过浓缩回收。

渗透汽化—发酵的耦合工艺既有利于发酵产率的提高，也有利于提高底物的利用率，同时对发酵体系无污染，是一种清洁、无污染的新型分离技术。

Qureshi等[11-12]将渗透汽化用于C.beijerinckii BA101发酵液中丁醇的去除，产生总溶剂浓度为51.5 g/L，是对照组总溶剂产量的两倍，而且渗透汽化膜分离技术对没有不良影响。

而在渗透汽化(硅树脂膜)耦合补料连续发酵中，P2培养基的总溶剂达到165.1 g/L，溶剂生产率从0.35 g/(L·h)提高到0.98 g/(L·h)。

渗透汽化技术中膜性能受到膜本身性质影响较大。

Jitesh等[13]研究丁苯橡胶(SBR)、二元乙丙二烯基橡胶(EPDM)、聚二甲基硅氧烷(polydimethysilo-xane，PDMS)和填充硅藻土的聚二甲基硅氧烷等膜材料吸附ABE的效果，结果发现在二元混合物中，填充15%硅藻土的聚二甲基硅氧烷性能最好，而在四元混合物中，SBR的性能最好。

张春芳等[14]利用ZIF-8(Zn[Melm]2(Melm=2-甲基咪唑))填充聚二甲基硅氧烷，当ZIF-8添加质量分数为2%，在60 ℃，料液质量分数为0.96%的条件下，PDMS/ZIF-8膜的分离因子及通量最高可达49.24和8.43kg·μm/(m2·h)。

目前针对终产物丙酮、丁醇提取的方法有很多，但是尚未找到一种真正有效、经济的方法用于工业化生产。

从能耗上考虑，吸附法的能耗相对较低，但是其选择性差，并且容易受到发酵液的污染。

渗透汽化选择性高，能耗也相对较低，但是其容易受到发酵液中的颗粒物堵塞和污染，造成膜通量降低等困难。

综合，吸附法由于能耗小，吸附能力较强，材料来源广泛，种类繁多，有可能会成为广大科研工作者主要研究目标之一。

【相关文献】[1] Meagher MM, Qureshi N, Hutkins RW.Silicalite membrane and method for the selective recovery and concentration of acetone and butanol from model ABE solutions and fermentation broth[P].US:5755967, 1998-05-26.[2] Maddox e of silicalite for the adsorption of n-butanol from fermentationliquors[J].Biotechnol Lett, 1982(4):759-760.[3] Meagher MM, Qureshi N, Hutkins RW.Silicalite membrane and method for the selective recovery and concentration of acetone and butanol from model ABE solutions and fermentation broth[P].U.S.1998.[4] Groot WJ, van der Lans RGJM, Luyben KChAM.Technologies for butanol recovery integrated with fermentations[J].Process Biochem, 1992, 27:61-75.[5] Yang X, Tsai G-J, Tsao GT.Enhancement of in situ adsorption on the acetone-butanol fermentation by Clostridium acetobutylicum[J].Separation Technol, 1994, 4:81-92.[6] Qureshi N, Hughes S, Maddox IS,et al.Energy-efficient recovery of butanol from model solutions and fermentation broth by adsorption[J].Bioprocess Biosyst Eng, 2005, 27:215-222.[7] 杨立荣,岑沛霖,朱自强.丙酮丁醇间歇萃取发酵[J].浙江大学学报:自然科学版,1992, 26(4):388-397.[8] G.Eckert I, K.Schiigerl.Continuous acetone-butanol production with direct product removal[J].Appl Microbiol Biotechnol, 1987, 27:221-228.[9] Ezeji T C, Qureshi N, Blaschek H P.Acetone-butanol-ethanol production from concentrated substrate: reduction in substrate inhibition by fed-batch technique andproduct inhibition by gas stripping[J].Appl Microbial Biotechnol, 2004, 63:653-658. [10]Ezeji TC, Karcher PM, Qureshi N, et al.Improving performance of a gas stripping-based recovery system to remove butanol from Clostridium beijerinckiifermentation[J].Bioprocess Biosyst Eng, 2005, 27(3):207-214.[11]Qureshi N.Blaschek HP.Production of acetone butanol ethanol (ABE) by a hyper-producing mutant strain of Clostridium beijerinckii BA101 and recovery by pervaporation[J].Biotechnol Prog, 1999, 15(4):594-602.[12]Qureshi N, Blaschek HP.Butanol production using Clostridium beijerinckii BA101 hyper-butanol producing mutant strain and recovery by pervaporation[J].Appl Biochem Biotechnol, 2000, 84-86:225-235.[13]Jitesh K, Pangarkar VG, Niranjan K.Pervaporative stripping of acetone,butanol and ethanol to improve ABE fermentation[J].Bioseparation, 2000, 9(3):145-154.[14]张春芳,董亮亮,白云翔,等.ZIF-8填充聚硅氧烷膜的制备及渗透汽化分离水中正丁醇[J].膜科学与技术,2013,23(4):88-93.。