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1、背景 全球变暖、化石能源日渐 消耗国际局势紧张，能源 争端频发，导致国际原油 价格急剧上涨，能源紧缺， 直接影响到城乡居民的生 活，乃至国家的经济腾飞。 开发廉价、清洁的替代能 源已迫在眉睫。原油价格 的不断攀升,让人们对生物质能源寄予了更多希望。原理以及该领域的进展 利用细菌，藻类，非粮纤维素（我国因为粮食生产无法自给自足需要进口，所以禁用粮食生产）制造丁醇 以一定比例与化石燃料调和或100%丁醇，减轻或代替化石燃料的危机以及减少化石燃料带来的污染 丙酮-丁醇发酵(产物中含有大量的丁醇、丙酮和少量的乙醇,简称为ABE发酵).在传统的ABE发酵过程中,由于丁醇对微生物具有严重的抑制作用,发酵液

2、中丁醇的浓度一般都低于13g/L,ABE浓度不超过20g/L3改良：将化工分离技术与发酵过程耦合的新工艺,将ABE从发酵液中快速而连续移出,减少发酵产物的抑制作用,从而提高整个发酵过程的经济性.目前用于ABE发酵耦合的分离技术包括： 吸附(Adsorption) 液液萃取(Liquid-liquidextraction) 气提(Gasstripping) 膜蒸馏(Membranedistillation) 渗透汽化(Pervaporation,PV) 反渗透(Reverseosmosis)等渗透汽化技术 作为一种新型的膜分离技术,与其它分离技术相比,不仅具有高效、节能和环保的优点,而且在与发酵

3、过程耦合的过程中,不会移除培养基中的营养物质,并且对微生物没有毒害作用. 对于后续的丁醇-水共沸物的分离,渗透汽化与传统的共沸精馏相比也具有明显的技术上和经济上的优势. 关键问题之一是开发和制备高性能(高的渗透通量和选择性)的渗透汽化膜. 渗透汽化膜可以分为疏水膜和亲水膜,分别对应着渗透汽化技术在燃料丁醇制备过程中的两个关键部分的应用: 1)渗透汽化疏水膜与ABE发酵过程耦合,原位移出发酵产物ABE,降低产物抑制作用,提高发酵产率; 2)渗透汽化亲水膜用于丁醇/水共沸物的脱水,替代传统的共沸精馏过程,高效节能环保.目前用于低浓度丁醇回收或提浓的疏水性渗透汽化膜主要有: 聚二甲基硅氧烷(poly

4、dimethylsiloxane,PDMS)及其共聚、改性和掺杂膜 液膜(liquidmembrane) 聚三甲基硅丙炔膜(poly-1-(trimethylsilyl)-1-propyne,PTMSP) 聚醚酰胺嵌段共聚物膜(Poly(etherblockamide),PEBA) 聚丙烯膜(PP) 聚四氟乙烯膜(PTFE)等此外,还有学者研究了PTMSP膜.PEBA膜、PP膜、PTFE膜在丁醇-水溶液中的渗透汽化性能。缺陷：PTMSP膜材料本身存在稳定性差的问题。PEBA膜、PP膜和PTFE膜对丁醇的选择性都比较低。渗透汽化亲水膜渗透汽化亲水膜是目前研究最为广泛也是最为成熟的渗透汽化膜.常用

5、于丁醇脱水的渗透汽化膜材料有:1.聚乙烯醇(Poly(vinylalcohol),PVA)2.聚酰亚胺(Polyimide,PI)3.二氧化硅4.NaA分子筛5.壳聚糖(Chitosan,CS)6.藻酸钠(SodiumAlginate,SA)7.聚电解质等.ABE发酵-渗透汽化耦合工艺 采用各种分离技术与发酵过程相耦合, 原位移出发酵产物ABE, 降低产物抑制作用, 提高葡萄糖的转化率和溶剂产率,从而提高整个发酵过程的经济性. （耦合：物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象） 不足：耦合工艺中的膜污染在ABE 发酵- PV 耦合过程中, 由于真实

6、发酵液的密度、黏度、pH 值等物性参数的差异以及存在的无机盐、葡萄糖、其它代谢产物、微生物细胞等复杂成分, 导致渗透汽化膜的性能相比在模拟的丁醇或ABE 水溶液中都会有所下降 Qureshi等将液-液萃取、膜萃取、气提和渗透汽化与ABE发酵过程耦合,比较了四种不同的分离耦合技术对发酵过程的溶剂产率和生产效率的影响. 结论：他们认为气提和渗透汽化是与ABE发酵耦合最有前景的分离技术,气提分离技术对ABE溶剂的选择性可达623,而渗透汽化技术由于操作简单、分离效率高,可成为替代精馏作为ABE的后续提浓方法.案例及案例分析 埃克森美孚公司(ExxonMobil)决定进入先进生物燃料领域，与Synth

7、eticGenomics生物技术公司联合研发藻类原料生物燃料。 美国政府和军方正与企业合作，研究藻类燃料生产技术，希望这种可再生燃料帮助部队减少依赖进口能源。海军眼下与美国可再生能源技术公司olazyme合作，研究将藻类转化为油料技术。 美国绿色生物有限公司( GBL) 和专业级公司EKB 公司合作,投资8515 万欧元创新丁醇发酵工艺技术,计划开发生产生物燃料丁醇用于交通运输,将其生产成本降低1/ 3. 2007 年2 月,英国Oxfordshire2based Biotechnology公司接受英国贸易部和工业引导技术部投资25 万英镑,其他股东和商业人士投资31 万英镑,计划开发新一代低

8、成本生物燃料丁醇17 。 为应对高油价,韩国产业资源部2007年表示, 计划大力研发生化丁醇(Bio2butanol, 直接替代汽油的生物燃料)、生物合成石油等下一代新能源技术和天然气固化储存和运输技术。第一阶段从2007年至2010年3年内,计划投入200亿韩元开发上述技 术,其中政府投资113亿韩元,由韩国化学研究院、 GS精油、SK建设、三星综合技术院(SAIT)和汉城大学(HansungUniversity)等29个企业和研究机构共同参与。一阶段研发结束时,将开发出生产能力3万L/a生化丁醇、35桶生物合成柴油和20t固化天然气的成套设备。 国内的科研院所以及一些发酵企业也都开始着 手

9、丁醇的研究开发,其中上海天之冠可再生能源有限公司和中国科学院上海植物生理生态研究所关于发酵法生产丙酮丁醇的项目已经申请了国家“973”、国家“863”计划以及中国科学院计划,项目的重点是构造高产、高底物选择性的丙酮丁醇菌种和开发新的发酵工艺,包括纤维质原料发酵生产丙酮丁醇、溶剂抽提耦联发酵技术以及研究先进的发酵过程装备等 。 欧洲最大的石油公司公司与大型化工公司杜邦公司将联手开发、生产和销售新一代生物燃料丁醇，用作可再生的运输燃料。两家公司在英国市场上推出他们用作汽油组分的第一个产品：称为生物丁醇的正丁醇。和杜邦与英国食品联合会的成员英国糖业公司合作，将使英国以甜菜为原料的第一套乙醇发酵装置转

10、产（万加仑年）丁醇。 BP-杜邦联合体正在英国建设验证装置，利用糖类发酵以商业化生产生物丁醇。英国石油公司(“BP”)以5亿美元天文数字的巨大投资，10年时间的细心栽培，进行对丁醇开发。它和素以“撇奶油”做法闻名商界的美国杜邦在开发丁醇燃料的项目上正如胶似漆的亲密关系因为近期的实验新进展而显得更上一层楼。其生化丁醇在某些性能上已经达到无铅汽油的参数标准。 杜邦公司加快与公司合作，两家公司将使用杜邦公司的科学和技术及其销售经验，将生物丁醇推向市场。发展中存在的问题及应对策略 早期的丁醇发酵工业因其成本高,不敌于石油化工产品而衰落,这也是当今限制其大规模发展的瓶颈所在,据业内专家分析,如果原油价格

11、保持在40 美元/ 桶以上,2011 年以后,生物丁醇的市场机会将会超过10 亿美元。 传统丁醇发酵产业普遍存在的问题有 丁醇产量、产率低 溶剂终浓度低 丁醇在总溶剂中的比例低, 一般只占 60 % ,其余30 %为丙酮,10 %为乙醇,加大了后期丁醇回收、分离的成本 传统的丁醇发酵普遍采用玉米、糖蜜为原料生产,随着粮食价格的上涨及世界粮食资源的匮乏,丁醇的发展必将处于劣势。发展展望 针对传统丁醇发酵产业存在的问题,可从以下 几方面着手,具体策略如下: (1)改良现有菌株 (2)研究从稀发酵料液中经济、有效回收丁醇的 方法,如渗透蒸发、汽提、液-液萃取等技术 (3)用酶学、微生物生理、发酵技术

12、等知识优化 和再商品化丁醇发酵工艺 (4)拓展发酵原料品种,改进原料预处理方法, 通过系统研究降低丁醇成本 目前,新型生物燃料占全球运输燃料市场的份 额不足2%。根据当前的预测,生物燃料在未来运 输燃料结构中将占有重要比重,在主要市场中可望 达到20%30%,由于生物丁醇生产与乙醇生产采 用相似的工艺,现有的乙醇生产设施经过改造便可 转而生产生物丁醇,因此生物丁醇的市场潜力巨大。 国家能源供应多元化是国家能源策略的一个重 要方面,在世界未来的能源结构中,可再生生物能源 将是能源利用的主体之一。丁醇作为一种新型生物燃料,随着丙酮丁醇发酵工业上游和下游工程技术的完善,必将以其特有的优势在生物燃料市场中发挥重要作用。 针对世界各国大力开发新型生物燃料的现状,我国只有认清形势,鼓励发展性能良好、环保安全的诸如生物丁醇、生物柴油等类的生物燃料,方能有效 应对能源危机, 减少环境污染,提高国家能源安全, 实现能源多元化发展,满足国内外市场对生物燃料 的需求。鉴于国外生物丁醇技术知识产权和专利的 限制,我国需要因地制宜,广泛利用价廉、丰富的木 质纤维素资源,改良丁醇发酵菌种,采取有效的回收 技术,革新生物反应器,在掌握丁醇发酵代谢机理的 基础上,运用代谢调控理论和发酵工程技术,切实提 高丁醇产量和产率,降低生物燃料丁醇的成本,力争 早日实现其规模化生产。