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，北京100029）

（正）丁醇（C4H10O）是一种重要的大宗化学品和潜在的替代燃料。用作液体燃料时，相比传统的燃料乙醇，丁醇分子碳链更长、碳氢比例更高、热值更大、汽油相容性更好、挥发性更低，具有显著优势[1]（表1）。因此，通过丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵，生物催化转化非粮生物质制备丁醇是生物能源领域研究的热点和重要方向之一[3]。尽管ABE 发酵的研发历史悠久，生物转化技术较为成熟，然而受制于ABE 发酵复杂的产物组成和较高的细胞毒性，生物丁醇的分离成本高、难度大[4-6]。据估算，在传统工艺中，生物丁醇的分离成本占总生产成本的14%以上，占比仅次于原料成本，是制约产业化应用的主要瓶颈之一[7]。

为解决生物丁醇分离的技术难题，近年来，在实验室和中试规模上应用并验证了多种新型分离技术[8-9]。相比于传统的“发酵-精馏”过程，这些分离技术可显著降低ABE溶剂产物分离的能耗[10]。值得注意的是，一些技术具有较低的细胞毒性和操作稳定性，并可以在温和条件，如发酵温度下实现产物的高效分离[11]。这样，通过分离模块与生物反应器的耦合，可以实现溶剂代谢-分离平衡，将发酵醪液中的产物浓度维持在较低水平[12-13]。其优势在于：耦合系统内的反应器具有较低的溶剂浓度，可显著降低溶剂对细胞的毒性，提升菌体对目标溶剂的代谢能力，促进底物代谢向产物方向移动；部分耦合系统可实现连续发酵-分离操作，提升溶剂生产速率；……