鍖椾含鍝娌荤枟鐧界櫆椋庡ソ http://yyk.39.net/bj/zhuanke/89ac7.html
生物丁醇分离技术的研究进展及发展趋势
蔡的，李树峰，司志豪，秦培勇，谭天伟
（北京化工大学生命科学与技术学院，北京）
识别查看全文
DOI：10./j.issn.-.-
引用本文：蔡的,李树峰,司志豪,等.生物丁醇分离技术的研究进展及发展趋势[J].化工进展,,40(3):-.
摘要
生物基（正）丁醇是一种重要的化学品和替代燃料，其主要制备途径为糖质底物的丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵。受制于发酵副产物多、溶剂浓度低、产物共沸等因素，传统的生物丁醇分离过程存在分离能耗大、成本高等问题，制约其产业化制备。为解决生物丁醇分离的技术瓶颈，近年来，应用新型分离技术实现与ABE发酵过程的耦合成为研究的热点。本文综述了生物丁醇分离技术的最新研究进展，讨论了基于汽液平衡、相转移、膜分离技术等新型分离方式的技术特点；并针对多级分离级联系统开发、面向终产物的精馏技术的新趋势、新特点进行剖析和讨论。随着分离技术的发展和进步、生物炼制工艺开发和集成，生物丁醇的制备成本可望进一步降低，提升市场竞争力。
图表摘要
图1渗透汽化膜分离丁醇性能
图2PDMS渗透汽化膜的制备过程
图3传统渗透汽化原位分离和汽提渗透过程（GSVP）的工艺流程对比
图4面向ABE分离的精馏系统
表1生物（正）丁醇与乙醇、汽油物化性质对比
表2不同生物丁醇分离技术原理及对比
表3生物丁醇发酵耦合汽提的研究进展
表4近年来利用渗透汽化技术原位分离ABE的研究进展及对比（以合成培养基为底物）
表5多级分离级联原位ABE分离工艺的原理及对比
展望
除面向解决生物质糖化与生物转化的固有瓶颈外，对生物丁醇分离技术领域的研究日益深入，大量基于汽液平衡、相转移、膜分离技术等的新型分离方式涌现。然而，受制于整体工艺路线的经济局限性，目前还鲜有将这些新型分离技术应用于实际生产中的实例。一些对生物丁醇新型分离技术的探索因放大效应和规模化应用难度限制尚无法最终走向市场应用。
另一方面，未来面向生物丁醇分离的研究离不开对上下游工艺路线的整体考量和对生物炼制系统集成性的宏观把握。探索与上下游生物炼制路线深度整合的高效分离系统是目前研究的趋势和热点。例如，面向纤维基生物丁醇制备路线有机废水减排，有报道提出将渗透汽化离线分离后的渗余侧含酸的脱ABE醪液作为纤维糖化缓冲液实现废水循环利用，废水减排可望在86%以上。针对ABE发酵废水COD高的问题，Cai等提出在批次ABE发酵后期利用无菌空气作为载气，通过汽提分离挥发性溶剂产物，同时向生物反应器内接入好氧产油微生物。在此过程中，厌氧的产丁醇梭菌因发酵液溶氧提升而灭活，发酵副产物乙酸、丁酸等有机酸被产油微生物代谢为微生物油脂。发酵废水的COD因有机物被产油微生物固定和转化而显著降低。木质纤维素生物转化丁醇过程中，一大难点是纤维素糖化过程中产生大量呋喃化合物，抑制梭菌代谢进而影响糖底物对溶剂的转化率。为解除糠醛对发酵的抑制，有报道提出了“一膜多用”的策略整体提升ABE发酵-分离性能。该方案首先利用疏水性渗透汽化膜分离木质纤维素水解液中的糠醛，之后利用渗透汽化脱毒后的纤维水解液完成丁醇发酵，进而继续利用该渗透汽化膜完成ABE溶剂的浓缩和分离。
发酵底物成本高而产物附加值低一直是生物丁醇发酵经济可行性的主要制约因素。为提升生物丁醇过程的整体经济性，另一研究趋势是将ABE生物催化过程进一步与下游的化学或生物催化过程级联，制备高密度、高热值替代燃料或高附加值精细化学品。在此过程中，丁醇的分离往往起到“承上启下”的作用。既要实现ABE的高效分离，也要保证分离出的溶剂产品能够满足下游催化提质工艺的需要。例如，利用ABE脱水溶剂制备中长链烃的提质工艺中，丙酮作为醇醛缩合的桥接分子在化学催化剂的作用下与丁醇或乙醇聚合，之后通过催化加氢脱氧得到目的产物。显然，采用传统精馏过程实现ABE发酵与催化的衔接相对繁琐。相比之下，通过萃取、盐析或二级汽提-渗透汽化获取的高浓度ABE混合物直接进行化学催化不仅工艺过程简单，同时更加高效节能。在面向精细化学品的制备方面，Chen等报道了利用汽提或渗透汽化原位分离得到的ABE浓缩液与油酸反应，在全细胞催化剂催化酯化下，制备油酸丁酯和油酸乙酯的混合物。油酸在此过程中作为反应底物，而反应获得的油酸酯作为ABE溶剂的萃取剂。因此，从上下游工艺过程角度分析，该“反应-萃取精馏”过程不仅可以获得更高附加值的酯类化合物，同时可显著降低溶剂的下游分离成本。
一些研究对发酵-渗透汽化分离耦合过程进行动力学建模和描述，并进行耦合过程的动态优化。Lim等对ABE发酵的离线吸附过程进行动力学建模，并指导发酵生产，在最优条件下丁醇产率提升1.21倍，底物糖成本降低1.67倍。Dìaz等对生物丁醇的真空分离耦合过程进行建模。并将模型用于选择最优生产策略，以确定并行反应器操作对热泵系统规模的影响。然而，目前的多数研究尚停留在提升ABE发酵过程产物产率和底物转化率的宏观表征上，而欠缺在微观尺度上对耦合系统中细胞的碳质底物代谢强化原理分析。然而目前的发酵-分离耦合研究多局限于野生菌或突变菌为基础的工艺系统，而利用定向改造基因工程菌耦合系统的报道还不多，有待研究。
结语
本文重点综述了近年来面向生物丁醇高效分离的研究，对近年来出现的基于汽液平衡、相转移、膜分离等ABE分离技术和相应的发展趋势进行总结。总体而言，开发低能耗、低毒性、高选择性的生物丁醇分离技术是该领域的主要研究方向。相比应用单一技术的生物丁醇分离，采用多级分离集成可以实现低能耗下更高浓度的产物富集，同时规避了不同类型分离技术固有不足。面向终产物脱水溶剂的分离，新型精馏系统主要面向原位分离得到的浓缩ABE-水四元混合物纯化。通过精馏序列的合理设计、物质流向的重新规划、热耦合技术和间壁塔的设计与应用，可显著降低传统产物精制过程的能耗和设备投资。除对不同分离技术和单元进行强化和持续改进外，目前的丁醇分离技术还逐渐向三个方面展开。一是与生物炼制系统深度融合，在固有的促进发酵和降低分离成本研究基础上，部分分离技术的引入可为生物炼制过程的减排提供助力。二是要面向生物丁醇的提质和转化。生物丁醇的分离不但需要兼顾溶剂分离效率，也要兼顾与下游催化转化过程的衔接，实现上下游流程整体效益的最大化。三是对发酵-分离过程进行系统梳理，对整体工艺流程的能量流、物质流强化，并根据分离工艺特点开发适用性强的生物催化剂。尽管现阶段生物丁醇的规模化制备依旧受制备成本高、传统和新型石化路线冲击等因素制约，但相信经过不断的工艺、技术改进和完善，特别是对分离技术的持续研究，生物丁醇产业发展的春天必将到来。
作者及团队介绍
第一作者：蔡的，博士。现任教于北京化工大学生命科学与技术学院。年博士毕业于北京化工大学，硕士生导师。主要研究方向为纤维基化学品制备和生物炼制系统构建。近年来主持纤维丁醇制备关键技术方向的国家自然科学基金2项，中国博士后科学基金2项，在国内外知名期刊发表研究论文40余篇，授权中国发明专利6项，年荣获中国石油和化学工业联合会“CPCIF-Clariant”可持续发展青年创新奖。
通信作者：秦培勇，教授，博士生导师。主要从事生物化工和膜分离研究。年博士毕业于清华大学化学工程系，并任教于北京化工大学，现为北京化工大学巴黎居里工程师学院院长兼书记。年入选北京市科技新星计划。作为负责人承担多项国家重点研发计划、国家计划、国家计划、国家自然科学基金等。作为主要完成人之一，获国家技术发明二等奖1项，省部级奖多项；国家教学成果奖二等奖1项，北京市教学成果一等奖1项。
通信作者：谭天伟，教授，博士生导师，主要从事生物化工研究。年当选为中国工程院院士。现任北京化工大学校长、中国可再生能源学会理事长、中国化工学会副理事长。先后获国内外发明专利40余项，发表研究论文余篇。获2项国家技术发明二等奖和5项省部级科技进步一等奖、何梁何利科学与技术创新奖、谈家桢生命科学奖、亚洲青年生物技术杰出贡献奖（YABECaward）、赢创-FriedrichBergiusLecture奖等。国家教学名师。
课题组简介
北京化工大学谭天伟院士团队依托国家能源生物炼制研发中心、生物炼制教育部工程研发中心，立足于国家重大发展需求，结合所在领域和技术前沿，致力于从非粮生物质资源出发制备液体燃料及重要化学品，为降低能源结构中化石资源比例及CO2减排提供技术支撑。团队具备完备的生物与化学转化平台，现有院士1人次，长江学者1人次，杰出青年基金获得者2人次，教授15人，海外兼职教授和特聘专家10人，近年来先后承担了科技部计划，国家自然科学基金重大、重点项目等多个科研项目。在生物质转化制备生物能源、生物基化学品、生物材料等技术研究领域取得诸多研究成果，获得国家技术发明二等奖2项、省部级技术发明和科技进步一等奖5项。
课题组合影
预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇