生物丁醇ppt

目前生物丁醇制造面临的问题
• 粮食原料的成本高 •丁醇毒性造成的产物浓度低 丁醇毒性造成的产物浓度低 • 发酵产物中的丙酮和乙醇副产物的影响
导致丁醇发酵缺乏经济竞争力
应对挑战我们的解决方案： 应对挑战我们的解决方案：
1.阻断丙酮/乙醇的生物合成途径： 阻断丙酮/ 阻断丙酮 乙醇的生物合成途径： 通过对丁醇途径的重构和优化有可能降低丙酮和乙醇的合成量， 通过对丁醇途径的重构和优化有可能降低丙酮和乙醇的合成量，在 保持菌株原有的较高转化效率的基础上进一步提高丁醇在总溶剂中所占 的比例，增强丁醇生产的经济竞争力。 的比例，增强丁醇生产的经济竞争力。 2.拓宽生物丁醇制备中的原料源： 拓宽生物丁醇制备中的原料源： 拓宽生物丁醇制备中的原料源 薯类、菊芋：以前常用的原料是玉米、小麦，现在扩宽至薯类、菊芋。 薯类、菊芋：以前常用的原料是玉米、小麦，现在扩宽至薯类、菊芋。薯类原 料的市场价格较玉米、小麦等粮食类原料低廉， 料的市场价格较玉米、小麦等粮食类原料低廉，因此已被大量用于生物乙 醇的生产。一些生物丁醇生产企业也在玉米原料中混入薯类原料进行发酵， 醇的生产。一些生物丁醇生产企业也在玉米原料中混入薯类原料进行发酵， 以减少玉米的用量 木质纤维原料 3.培育和构建新型生产菌：通过菌株遗传，随机突变，基因重组等改 培育和构建新型生产菌：通过菌株遗传，随机突变，基因重组等改 培育和构建新型生产菌 造，增强其丁醇耐受性仅为提高丁醇生物合成的选择性和产物浓度创造 了有利条件
生物丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料
汽油 丁醇 114,000 110,000 热值
Btu/gallon
乙醇 甲醇 84,000 64,000 91
• 亲水性弱，腐蚀性小，便于管道输送 亲水性弱，腐蚀性小，
• 能与汽油任意比混合 • 可替代或部分替代汽油做发动机燃料， 替代或部分替代汽油做发动机燃料， 缓减化石燃料的紧张 • 含氧量与甲基叔丁基醚 含氧量与甲基叔丁基醚(MTBE)相近 相近 • 生物丁醇的生产原料 生物丁醇的生产原料——淀粉、纤维素 淀粉、 淀粉 等价格低廉。 等价格低廉。并且燃烧产物仅为二氧化碳 和水 • 丁醇作为汽油的高辛烷值组份，可提高 丁醇作为汽油的高辛烷值组份， 点燃式内燃机的抗暴震性， 点燃式内燃机的抗暴震性，使发动机运行 更平稳。
菌种资源丰富， 菌种资源丰富，发酵工艺基础好
1950-1960年筛选到 株具有较 年筛选到22株具有较 年筛选到 高溶剂合成能力的丙酮丁醇梭菌 1960年后，建立了丙酮丁醇产 年后， 年后 生菌分离、选育、 生菌分离、选育、生理特性及发 酵工艺的研究平台
丙酮丁醇梭菌， 丙酮丁醇梭菌，工业生产菌株
丙酮丁醇梭菌的蛋白质组学研究， 丙酮丁醇梭菌的蛋白质组学研究， 获得了丁醇浓度胁迫下的蛋白差异表达谱 获得了丁醇浓度胁迫下的蛋白差异表达谱
丁醇的合成方法：化学合成 丁醇的合成方法：
1 以乙醛为原料，经醇醛缩合成丁醇醛，脱水生成丁烯醛， 以乙醛为原料，经醇醛缩合成丁醇醛，脱水生成丁烯醛，
再经加氢后得到正丁醇 2 以丙烯为原料，经羰基合成法生成正、异丁醛，加氢后分 以丙烯为原料，经羰基合成法生成正、异丁醛， 馏得到正丁醇
生物丁醇的合成方法
1.ABE（丁醇∶丙酮∶乙醇）一步发酵法： （丁醇∶丙酮∶乙醇）一步发酵法： 传统的一步法发酵ABE 是以玉米、木薯等淀粉质农副产品或糖蜜甘 是以玉米、 传统的一步法发酵 甜菜等糖质产品为料，经水解得到发酵液，然后在丙酮－ 蔗、甜菜等糖质产品为料，经水解得到发酵液，然后在丙酮－丁醇菌作 用下，经发酵制得丁醇、丙酮及乙醇的混合物，三者比例因菌种、原料、 用下，经发酵制得丁醇、丙酮及乙醇的混合物，三者比例因菌种、原料、 发酵条件不同而异，通常的比例为6∶ ∶ ， 发酵条件不同而异，通常的比例为 ∶3∶1，糖蜜发酵获得的丁醇比例 高。其发酵程序见图
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石油资源是现代社会的能源和资源基础 石油资源是现代社会的能源和资源基础
石油资源紧缺而导致的石油价格持续 上涨已成为不可逆转的趋势
据预测，按照现在的开采速度， 据预测，按照现在的开采速度，目前世 界已探明的石油贮量至多可供使用40界已探明的石油贮量至多可供使用 50年 年
3 随机突变和功能基因组重测
转录组分析 丁醇耐受 能力提高
进行传统 化学诱变
耗糖能力 提高
生长 速度提高
利用恒化器进行 动力学筛选
系列突变 株
基因组重 测
展望
丁醇作为一种重要的化学品和新一代的生物燃料， 丁醇作为一种重要的化学品和新一代的生物燃料，其生物法制备方 法已逐渐成为世界范围内的研究热点。 法已逐渐成为世界范围内的研究热点。当前迫切需要解决的是进一步降 低生物丁醇的制造成本，以获得相对于石化合成路线的市场竞争优势。 低生物丁醇的制造成本，以获得相对于石化合成路线的市场竞争优势。 传统丁醇发酵中最常用的底物主要是玉米、薯干、 传统丁醇发酵中最常用的底物主要是玉米、薯干、谷物等淀粉质 这些农产品一定程度上可作为日常口粮， 料，这些农产品一定程度上可作为日常口粮，也用作禽畜饲料和工业用 目前， 粮。目前，生物丁醇产业发展在于非粮类底物的高效利用以及木质纤维 素用于溶剂发酵并达到工业化规模生产的水平。 素用于溶剂发酵并达到工业化规模生产的水平。而纤维丁醇生产工艺尚 难产业化，有待完善的条件下，以木薯、 难产业化，有待完善的条件下，以木薯、菊芋等非粮作物替代玉米进行 溶剂发酵也是一条可供选择的措施。 溶剂发酵也是一条可供选择的措施。
车用燃油占我国石油消费总量的三分之一
• 我国石油储量只有全球的 我国石油储量只有全球的2% • 2005年开始进口依存度高达 年开始进口依存度高达41.3% 年开始进口依存度高达 • 车用燃油消耗每年递增 车用燃油消耗每年递增 递增15-16% • 2015年车用燃油消费量预计将达到 年车用燃油消费量预计将达到 全国石油消费量的65% 全国石油消费量的 •按照目前的开采速度，中国石油贮 按照目前的开采速度， 按照目前的开采速度 量至多可用30年 量至多可用 年 迫切需要寻找性能相近、 迫切需要寻找性能相近、廉 性能相近 清洁、 价、清洁、可再生的车用替 代燃料！ 代燃料！
合成方法的比较
1. 羰基合成催化剂采用重金属铑的络合物，醛加氢催化剂采用重金属氧 羰基合成催化剂采用重金属铑的络合物， 化铜、氧化铝等有害催化剂， 虽然得到的正丁醇纯度为99.5%， 但杂 化铜、氧化铝等有害催化剂， 虽然得到的正丁醇纯度为 ， 质为丁醛、辛醇、氯化物等，因而天然度较差，不能作为医药、 质为丁醛、辛醇、氯化物等，因而天然度较差，不能作为医药、香料添 加剂。 加剂。 2. 丙烯合成法采用石油裂解的丙烯作原料，采用不可再生原料 丙烯合成法采用石油裂解的丙烯作原料， 3.生物学发酵法采用粮食或非粮作物发酵，原料具有可再生性，催化剂 生物学发酵法采用粮食或非粮作物发酵，原料具有可再生性， 生物学发酵法采用粮食或非粮作物发酵 采用生物菌种，无毒害，得到的正丁醇纯度为99.5%，副产物为醋酸丁 采用生物菌种，无毒害，得到的正丁醇纯度为 ， 酸等，天然度达到97%，可以作为医药、香料添加剂。 酸等，天然度达到 ，可以作为医药、香料添加剂。
2.两步发酵法：在传统的基础上进一步发展了两步法发酵丁醇 两步发酵法 第一步： 第一步： 用厌氧梭菌将糖高温发酵得到丁酸 第二步： 将第一步得到的丁酸发酵生成丁醇。 第二步： 将第一步得到的丁酸发酵生成丁醇。 这一技术使微生物的产酸和产溶剂两个过程分别在两个发酵罐中完成， 这一技术使微生物的产酸和产溶剂两个过程分别在两个发酵罐中完成， 有效地降低丁醇的毒性，保证发酵稳定连续的进行。 有效地降低丁醇的毒性，保证发酵稳定连续的进行。
丁醇的发酵分离耦合技术
1、研究随程气提和 、 萃取与丁醇发酵的耦 合技术
发酵罐 耦合分离 装置 含丁醇的 溶液
2、比较游离细胞和 、 固定化细胞的发酵分 离耦合体系
4. 固定化技术 固定化技术是将细胞固定在载体上， 固定化技术是将细胞固定在载体上，利用细胞内酶来实现酶 催化反应的、它的本身是多酶体系。 催化反应的、它的本身是多酶体系。将梭菌细胞固定在藻酸钠胶体 颗粒上，进行生物化学反应，产物以丁醇为主， 颗粒上，进行生物化学反应，产物以丁醇为主，丁醇产率至少可保 周不变。与传统发酵法相比，其具有反应速度快，产率高； 持1 周不变。与传统发酵法相比，其具有反应速度快，产率高；重复 利用性高，粮耗和能耗少；设备投资少，控制方便等优点。 利用性高，粮耗和能耗少；设备投资少，控制方便等优点。 5.四步整合法 四步整合法 将生物丁醇生产过程中预处理、水解、发酵和回收4 个步骤整合， 将生物丁醇生产过程中预处理、水解、发酵和回收 个步骤整合， 酶和细菌将同时完成各自的任务，使用这种方法， 酶和细菌将同时完成各自的任务，使用这种方法，生物丁醇的生产能力 将比传统的葡萄糖发酵方法提高两倍。 将比传统的葡萄糖发酵方法提高两倍。
我国生物丁醇研究进展 我国生物丁醇研究进展
我国始于1956年，80年代初 余家，1996年最后一家 华北制 年 年代初50余家 年最后一家(华北制 我国始于 年代初 余家， 年最后一家 停产。 药)停产。 停产 • 主要生产菌株 主要生产菌株——丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等 个种 丙酮丁醇梭菌、 丙酮丁醇梭菌 拜氏梭菌等5个种 • 全基因组序列 全基因组序列——1个种已发表、1个种正在进行 个种已发表、 个种正在进行 个种已发表 • 遗传操作系统已经基本建立 • 菌种方面：拓宽底物谱，提高对廉价底物的利用能力，提高 菌种方面：拓宽底物谱，提高对廉价底物的利用能力， 丙酮丁醇转化率， 丙酮丁醇转化率，提高溶剂耐受能力 • 工艺方面：分批、流加和连续发酵，发酵分离耦合系统 工艺方面：分批、流加和连续发酵，
3.萃取发酵 萃取发酵 萃取发酵就是将发酵技术和萃取操作结合，把丁醇从醒液中移去， 萃取发酵就是将发酵技术和萃取操作结合，把丁醇从醒液中移去， 不仅解除了底物抑制，也避免了代谢产物的积累对微生物生长的影响。 不仅解除了底物抑制，也避免了代谢产物的积累对微生物生长的影响。 早在1992 年，浙江大学杨立荣等人选用油醇为萃取剂，利用间歇萃发 浙江大学杨立荣等人选用油醇为萃取剂， 早在 酵方式，使丁醇的产量大幅增加，此方法后来被广泛使用。 酵方式，使丁醇的产量大幅增加，此方法后来被广泛使用。史仲平等人 以生物柴油为萃取剂， 以生物柴油为萃取剂，使得丁醇萃取发酵中的总溶剂产量比传统分批发 酵中的产量提高54.88％ 酵中的产量提高 ％
汽油 丁醇 乙醇 甲醇 辛烷值
96ຫໍສະໝຸດ Baidu
94
92
丁醇的性能
丁醇还是一种重要的平台化合物
酯化、取代、消去、氧化、还原 酯化、取代、消去、氧化、还原……
丙烯酸丁酯 (溶剂 溶剂) 溶剂 醋酸丁酯 (溶剂 溶剂) 溶剂 邻苯二甲酸二丁酯 脂肪族二元酸二丁酯 (增塑剂 增塑剂) 增塑剂
丁醇
丁胺 丁二烯 丁醛、 丁醛、丁酸 聚丁二烯橡胶 丁苯橡胶
生物丁醇研究进展
• 1861年，Pasteur观察到由乳酸或乳酸钙做丁酸发酵时，丁醇以副产 观察到由乳酸或乳酸钙做丁酸发酵时， 年 观察到由乳酸或乳酸钙做丁酸发酵时
物出现 • 二战以后，杜邦公司首先发明了由丁醇生产乙酸乙酯的方法，并大量用 二战以后，杜邦公司首先发明了由丁醇生产乙酸乙酯的方法 首先发明了由丁醇生产乙酸乙酯的方法， 于汽车工业用油漆的生产中，从此丙酮－ 于汽车工业用油漆的生产中，从此丙酮－丁醇发酵进入了黄金时期 • 到1949 年，美国 ％的丁醇开始采用发酵法获得；而日本，1万 t 美国39％的丁醇开始采用发酵法获得； 日本， 万 发酵法获得 的丁醇有91.8％由发酵法获得。 的丁醇有 ％由发酵法获得。 • 2006 年6 月,美国杜邦 美国杜邦(Dupont) 公司和英国 公司联合宣布建立 公司和英国 公司联合宣布建立 英国BP公司 美国杜邦 合作伙伴关系,共同开发 生产并向市场推出新一代生物燃料———生物 共同开发、 合作伙伴关系 共同开发、生产并向市场推出新一代生物燃料 生物 丁醇,以满足全球日益增长的燃料需求 该生物丁醇厂将2009年投入运营 以满足全球日益增长的燃料需求,该生物丁醇厂将 丁醇 以满足全球日益增长的燃料需求 该生物丁醇厂将 年投入运营 • 2006 年,英国政府计划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇 将其与传 英国政府计划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇 英国政府计划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇,将其与传 统汽油混合后,用作车辆驱动燃料 用作车辆驱动燃料。 英国投资25 万英镑 其 万英镑,其 统汽油混合后 用作车辆驱动燃料。2007 年2 月,英国投资 英国投资 他股东和商业人士投资31 万英镑 计划开发新一代低成本生物燃料 万英镑,计划开发新一代低成本生物燃料 计划开发新一代低成本生物燃料——— 他股东和商业人士投资 丁醇