3.2　木质纤维素水解发酵制备丁醇

与乙醇相比，丁醇具有一系列的优势，譬如具有较低的蒸气压和疏水特性等，使得丁醇的运输依靠现有的汽油输送管道及分销渠道成为可能，是一种理想的汽油替代燃料。丁醇除可作为优质的液体燃料外，还是一种重要的化工原料，用途十分广泛。

3.2.1　丁醇的物理、化学性质与用途

丁醇，分子式C₄H₁₀O或CH₃（CH₂）₃OH，相对分子质量74.12，相对密度0.8109，折射率1.3993（20℃），熔点90.2℃，沸点117.7℃，蒸气压0.82kPa（25℃），闪点35～35.5℃，自燃点365℃。纯丁醇是一种无色透明液体，有酒精味，微溶于水，易溶于乙醇、醚及多数有机溶剂，蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.45%～11.25%（体积分数）。

丁醇是一种重要的C₄平台化合物，也是一种战略性产品，用途非常广泛，主要用于合成邻苯二甲酸正丁酯、脂肪二元酸和磷酸丁酯、丙烯酸丁酯及醋酸丁酯等；可经过氧化生产丁醛或丁酸；还可用作油脂、医药和香料的提取溶剂及醇酸树脂的添加剂等。此外，也可用作有机染料和印刷油墨的溶剂、脱蜡剂等。

我国丁醇主要用于生产醋酸丁酯、丙烯酸丁酯、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）及医药中间体等，用量较大的是醋酸丁酯、丙烯酸丁酯和邻苯二甲酸二丁酯，分别占我国丁醇消费总量的32.7%、15.3%和9%。

甲醇、乙醇的燃烧性能的研究已日趋完善，但甲醇和乙醇的一些物化性质限制了它们在发动机中的应用，如亲水性强需要很好的密封措施，汽化潜热大造成低温启动困难，甲醇的毒性等问题使得纯甲醇和乙醇燃烧仍然实现困难。由于甲醇和乙醇是良好的有机溶剂，会造成缸内润滑油的稀释和输油管橡胶的溶胀；挥发性强使得输油管路容易造成气阻，蒸发排放量大。

与乙醇相比，丁醇是一种重要的、极具潜力的新型生物燃料，无论是燃烧值还是辛烷值，丁醇都与汽油接近，可以以任意比与汽油混合，而不需要对汽车进行任何改装。此外，丁醇具有较低的蒸气压和疏水特性，可以依靠现有的汽油输送管道及分销渠道，是一种理想的汽油替代燃料。

作为生物燃料，丁醇与其同系物及其他燃料物化和燃烧特性的比较，见表3-11和表3-12。

中国是农业大国，每年约产8×10⁸t农作物秸秆，相当于4×10⁸t标准煤。除农作物秸秆外，一些速生牧草、木质原料、废弃纤维素类等也可用于纤维丁醇的发酵生产。柳枝稷（Panicum virgatum）和巨芒（Miscanthus giganteus）被公认为是2种最具潜力的能源植物。

美国的燃料丁醇发酵生产总溶剂质量浓度可达到25～33g/L，居世界领先水平，但生产原料主要以玉米淀粉、糖蜜等为主。由于原料成本是影响生物丁醇价格的主要因素之一，在粮食短缺与能源危机的双重威胁下，探索纤维质原料生产燃料丁醇成为生物质能源发展战略的重要组成。

关于燃料丁醇燃烧特性的研究，科威特大学的F.N.Alasfour在单缸试验机上进行了30%丁醇与汽油混合燃料的空燃比、进气温度、点火角对动力性、热效率、废气温度的影响的试验研究。研究发现，相同条件下与纯汽油相比热效率下降7%；进气温度在40～60℃时，空燃比为0.9，NO_x排放增加10%；较小的点火提前角，容易爆燃^［43］。法国的Philippedagaut等在喷射搅拌反应器研究15%～85%丁醇汽油的氧化动力学反应^［44］。关于丁醇的各种燃烧试验国内鲜有报道，相关的研究只是将丁醇作为助溶剂增加乙醇和柴油的相溶性^［45］，没有涉及燃烧特性的研究。

3.2.2　丁醇制备的基本方法

工业上生产丁醇的方法主要有羰基合成法、发酵法和醇醛缩合法。比较而言，前两种方法应用得更为广泛。丁醇的化学合成方法，除上面提到的醇醛缩合法外，还有丙烯羰基合成法，主要是丙烯与CO、H₂经钴或铑催化剂催化发生羰基合成反应生成正丁醛和异丁醛，经加氢得正丁醇和异丁醇，这也是全球丁醇化学合成的主要方法。

利用发酵法生产丙酮和丁醇始于1913年，是仅次于酒精发酵的世界第二大传统发酵。英国首先改造酒精厂为丙酮丁醇工厂，继而又在世界各地建立分厂，以玉米为原料大规模生产丙酮、丁醇。我国从建国初期开始利用玉米粉进行丙酮、丁醇发酵的工业化生产，同时也形成了稳定的发酵工艺。20世纪50～60年代，由于来自石油化工的竞争，丙酮、丁醇发酵工业逐渐走向衰退。但随着石化资源的耗竭和温室效应等环境问题的日益突出，利用可再生资源生产化工原料和能源物质受到了人们的高度重视，为发酵法生产丙酮、丁醇也带来了新的机遇^{［46～51］}。

3.2.3　丁醇制备的基本原理

3.2.3.1　木质纤维素水解发酵制备丁醇的反应机制

丙酮丁醇发酵分为产酸期和产溶剂期两个阶段，其代谢途径见图3-10。在发酵初期，产生大量的有机酸（乙酸、丁酸等），pH值迅速下降，此时有较多的CO₂和H₂产生。当酸度达到一定值后，进入产溶剂期，此时有机酸被还原，产生大量的溶剂（丙酮、丁醇、乙醇等），也有部分CO₂和H₂产生。

（1）黑体后产酸期

在这一阶段，葡萄糖经过糖酵解（EMP）途径产生丙酮酸。五碳糖通过磷酸戊糖途径（HMP）转化为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，进入EMP途径。丙酮酸和CoA在丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶的作用下生成乙酰-CoA，同时产生CO₂。铁氧还蛋白通过NADH/NADPH铁氧还蛋白氧化还原酶及氢酶和此过程偶合，调节细胞内电子的分配和NAD的氧化还原，同时产生H₂。乙酸和丁酸都由乙酰-CoA转化而来。在乙酸的形成过程中，磷酸酰基转移酶（PTA）催化乙酰-CoA生成酰基磷酸酯，接着在乙酸激酶（AK）的催化下生成乙酸。丁酸的形成较复杂，乙酰-CoA在硫激酶、3-羟基丁酰-CoA脱氢酶、巴豆酶和丁酰-CoA脱氢酶4种酶的催化下生成丁酰-CoA，然后经磷酸丁酰转移酶（PTB）催化生成丁酰磷酸盐，最后丁酰磷酸盐经丁酸激酶去磷酸化，生成丁酸^［52］。

（2）黑体后产溶剂期

溶剂产生的开始涉及碳代谢由产酸途径向产溶剂途径的转变。这种转变机制目前尚未研究透彻。早期的研究认为，这种转变和pH值的降低及酸的积累是密不可分的。在产酸期产生大量的有机酸，不利于细胞生长，所以产溶剂期的酸利用被认为是一种减毒作用。但是pH值的降低以及酸的积累并不是产酸期向产溶剂期转变的必要条件。

乙酰乙酰-CoA∶乙酸/丁酸∶CoA转移酶是溶剂形成途径中的关键酶之一，有广泛的羧酸特异性，能催化乙酸或者丁酸的CoA转移反应。乙酰乙酰-CoA转移酶在转化乙酰乙酰-CoA为乙酰乙酸的过程中可以利用乙酸或丁酸作为CoA接受体，而乙酰乙酸脱羧形成丙酮。乙酸和丁酸在乙酰乙酰-CoA∶乙酸/丁酸∶CoA转移酶的催化下重利用，分别生成乙酰-CoA和丁酰-CoA。丁酰-CoA经过两步还原生成丁醇。乙酸和丁酸的重利用通过乙酰乙酰-CoA∶乙酸/丁酸∶CoA转移酶直接和丙酮的产生结合，因此在一般的间歇发酵中不可能只得到丁醇而不产生丙酮。

3.2.3.2　木质纤维素水解发酵制丁醇的发酵菌种

丙酮丁醇发酵工业中的菌种主要是梭状芽孢杆菌属（Clostridium），统称丙酮丁醇梭状芽孢杆菌，简称丙丁菌。按照发酵底物的嗜好性不同可以分为三大类，以淀粉原料为发酵底物的，如Clostridium acetobutylicum ATCC824和Clostridium acetobutylicum DSM1731等；以糖蜜原料为发酵底物的，如Clostridium beijerinckii、Clostridium acetobutylicum NCIMB8052和Clostridium saccharoperbutylacetom N1-4等^［53］，还有一类以纤维质原料为发酵底物的，如Clostridium acetobutylicum P262、Clostridium beijerinckii BA101、Clostridium beijerinckii P260、Clostridium saccharoperbutylacetonicum ATCC27022等^［54］。

目前，能进行丙酮-丁醇发酵的微生物主要有Clostridrium acetobutylicum、Clostridrium beijerinckii、Clostridrium saccharoperbutylacetom和Clostridrium saccharobutylicum^{［55～57］}，丁醇产生菌的发酵性能见表3-13。其中Clostridrium acetobutylicum是第一个成功实现工业化应用的发酵菌株。Clostridrium beijerinckii BA101具有较高的淀粉糖化能力，以葡萄糖或淀粉为原料，丙酮、丁醇、乙醇的质量浓度（总溶剂，ABE）可达到18～33g/L（传统发酵菌株为20g/L左右），且具有较强的丁醇耐受能力（可达到19g/L）。Clostridrium beijerinckii P260可以直接利用小麦秸秆水解液进行丁醇发酵，发酵产量与纯糖相当；Clostridrium acetobutylicum C375对稻草水解液的利用效率较高，1kg干稻草可相当0.1389kg玉米或0.1687kg糖蜜生产丁醇的量。这些菌株在纤维丁醇生产方面具有很好的应用前景。

3.2.3.3　木质纤维素水解发酵的工艺特点

生物发酵法制备丁醇的产物中还包含大量的丙酮和少量的乙醇（产物统称ABE）等。当产物ABE浓度达到一定值时，微生物停止生长，因此必须采用有效的方法将产物ABE从发酵液中移除，降低产物抑制，从而提高发酵产率，降低工业成本。针对丁醇发酵产物抑制问题，可以采取基因工程（或代谢工程）、发酵分离偶合技术手段加以解决。

丁醇发酵菌株的基因工程（或代谢工程）改造，主要是解除代谢过程中可能存在的产物或者中间产物的抑制，提高菌种对丁醇的耐受性，强化丁醇生产中的关键酶，切断丙酮、乙醇的生成代谢途径，提高丁醇在溶剂中的比例。尽管基因工程手段被认为是最有前途的手段之一，且Clostridium acetobutylicum ATCC824的全基因序列已经获得，但由于丙酮-丁醇发酵途径极其复杂以及在代谢过程中基因控制很难操作，所以在这一领域的进展仍很缓慢。到目前为止，尚没有适合的基因工程菌能应用于工业化生产。

目前，丙酮-丁醇发酵产物分离偶合的主要技术包括吸附（adsorption）、气提（gas stripping，GS）、液液萃取（liquid-liquid extraction）和渗透气化（pervaporation，PV）等^［58］（表3-14）。

（1）黑体后吸附

近年来，采用吸附法分离丙酮-丁醇发酵产物的吸附剂主要集中在硅藻土、活性炭、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyridine，PVP）上。硅藻土对丁醇及丙酮具有非常高的吸附能力。Meagher等^［59］利用硅藻土吸附丙酮-丁醇发酵液，发现硅藻土对丁醇和丙酮的吸附能力分别为48mg/g和11mg/g，乙酸和丁酸的吸附量小于1mg/g。PVP吸附-发酵偶合工艺虽使发酵过程的各性能参数大幅提高，但由于丁醇在置换相中浓度较低，仍需进一步通过精馏等手段浓缩丁醇。相比而言，硅藻土比PVP更具吸引力，其可应用的丁醇浓度范围更广。

（2）黑体后气提

丙酮-丁醇发酵偶合分离气提的原理主要是利用气体（如N₂或发酵自产气体）在发酵液中产泡，气泡截获ABE，随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器以便截留更多的溶剂^［60］，见图3-11。

　

气提与底物预处理、发酵及产物移除等过程相偶合可以降低能耗，同时可大大提高发酵产率及底物的利用率，并能降低发酵-分离偶合工艺的成本。Qureshi等^［61］用C.acetobutylicum以CFAX糖（葡萄糖、木糖、半乳糖和树胶醛醣）作为原料发酵生产ABE，将底物水解、发酵、气提回收等过程偶合后，产率及产量大大提高，同时由于ABE的回收，所有糖及酸被转化成ABE，使得ABE的产量及产率比单一发酵过程有所提高，且ABE的分离因子达到12.12。

（3）黑体后液液萃取

液液萃取-发酵分离偶合的原理主要是利用ABE在水相和有机相中分配系数不同，向发酵液中添加完全不溶于水、对ABE分配系数高、对发酵底物分配系数低和对生产菌株没有毒性的溶剂，将积蓄在培养液中ABE萃取出来，进行连续发酵^［62］。该法可有效提高发酵产率、产量及糖的利用率，其工艺流程见图3-12。

　

萃取发酵偶合工艺中一个重要的影响因素是萃取剂的毒性。目前研究较多的萃取剂有油醇（oleylalcohol）、苯甲酸苄酯（benzylbenzoate）、邻苯二甲酸二丁酯（dibutylphthalate）、生物柴油等^{［63，64］}。

部分液液萃取法去除丙酮-丁醇发酵产物的研究结果，见表3-15。以生物柴油作为萃取剂，可结合生物柴油和丁醇的优点，将含有丁醇的生物柴油直接作为高品质燃料使用，省去发酵产物分离过程，在提高发酵强度的同时，节约发酵产物回收所需的能量。生物柴油萃取剂的种类、用量、添加时间及添加方式对萃取发酵的溶剂浓度和发酵强度有一定的影响，生物柴油也会对发酵菌体具有一定的毒害作用，但可通过设计新型静态生物反应器来增加ABE在油水两相间的传质速率以降低萃取剂对发酵菌体的毒性。

（4）黑体后渗透气化

渗透气化主要是利用膜的选择性从发酵液中移除ABE挥发性组分，发酵液中的挥发组分或有机组分有选择性的在膜内气化透过，而营养物质、糖以及微生物细胞等被截留下来，ABE通过浓缩回收^［65］，见图3-13。渗透气化-发酵的偶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。

目前针对丙酮-丁醇发酵产物去除的方法很多，但是到目前为止，无论是吸附、气提、液液萃取还是渗透气化，其分离效果、应用成本等离工业化应用要求还有较大差距。但随着能源的日益紧张，发酵分离偶合技术势必得到更为广泛的关注^{［58，66］}。

3.2.4　丁醇制备的示范工程及应用

丁醇作为一种重要的平台化合物，经酯化、取代、消去、还原、氧化等化学反应可以生成丁二烯、丁胺、丁醛、丁酸等重要的化工原料。此外，随着石油资源的短缺，石油价格的变幻，丁醇作为一种清洁、无污染的生物质液体替代燃料，其发酵生产也日益受到世界众多国家的广泛关注^［66］。

（1）黑体后美国

美国能源部在2001年拨款进行生物丁醇的研究，开发出EEI's工艺，每52lb^[注]玉米可以生产2.5USgal丁醇，不含丙酮和乙醇。按每蒲式耳（52lb）玉米的价格为2.5美元计，每周生产100USgal规模的生产工艺数据分析，丁醇的成本为1.2美元/gal（未考虑到所产生的氢气的价值）。目前用化石原料生产丁醇的价格从1.35美元/gal升到3.15美元/USgal。如果用工农业废物生产丁醇，其成本可下降为0.85美元/gal。美国农业部农业研究所（USDA-ARS）研究项目“以木质纤维素为原料制取生物燃料的低成本生物加工技术”利用拜氏梭菌转化纤维素生物质生产生物丁醇。

2006年6月，美国杜邦（DuPont）公司和英国BP公司联合宣布建立合作伙伴关系，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。美国Ener Genetics International Inc.（EGI）通过代谢工程调控和专利技术开发连续固定化反应器，采用膜技术回收产物，发酵仅需6h，菌种能耐受4%～5%的丁醇，发酵液中丁醇占总溶剂的90%，丁醇产量达415～510g/（L·h），产率为40%～50%，比传统丁醇工艺产量提高400%～500%，生产成本不到0.264美元/L，车间成本500万～1000万美元，而传统丙酮丁醇发酵法生产成本为2.5美元，传统发酵车间投资至少需要1亿美元。

美国绿色生物有限公司（GBL）宣布投资8515万欧元与EKB公司合作，研发创新丁醇发酵工艺技术，并计划开发生产生物燃料丁醇用于交通运输，预计可降低1/3的运输成本。而加利福尼亚州的多家研究院已将自己的研究方向从乙醇转向了丁醇。2010年1月美国加州的Cobalt Technologies公司公开了纤维素类生物丁醇的验证生产设备。2010年8月，Cobalt Technologies公司与美国大型工程公司Fluor公司签署了与生物丁醇生产技术相关的伙伴关系协议。

（2）黑体后英国

2006年，英国政府利用英格兰东部的甜菜发酵生产生物丁醇，将其与传统汽油混合后，用作车辆驱动燃料，并计划加速丁醇和其他生物燃料的生产，使生物燃料销售份额到2010年占所有燃料的5%，到2015年占10%。目前，第一个丁醇燃料工厂正由英国联合食品有限公司（ABNA）建造，设计生产能力为7000×10⁴L/a，到2010年，丁醇燃料可在1250个英国石油公司加油站销售。英国石油公司和英国联合食品有限公司还在就建造更多的丁醇燃料厂进行可行性研究，并宣布在未来的10年内投入5亿美元的研发经费，并依托美国加州大学的伯克莱设立BP能源生物科学研究所，通过工艺技术的改进，使丁醇在经济上可以进入燃料市场。

Butamax生物燃料公司已经在实验室完成生物丁醇的各种试验，并完成了行车试验。此外，由BP公司、DuPont公司及British Sugar公司共同出资的Vivergo Fuels公司，在位于Hull的BP公司的工厂区域内正在建设以小麦的淀粉为原料的年产1.1×10⁸UKgal（1UKgal=4.55L，下同）的丁醇商业生产装置。

（3）黑体后韩国

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、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2007～2010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）和汉城大学等29个企业和研究机构共同参与。第一阶段研发结束时，将开发出生产能力为3×10⁴L/a的生物丁醇、35桶（1桶=158.987L，下同）生物合成柴油和20t固化天然气的成套设备。

（4）黑体后日本

2010年8月，日本的出光兴产与财团法人地球环境产业技术研究机构（RITE）发表了共同开发比生物乙醇效率更高的生物丁醇的批量生产技术，引起人们的关注。该技术以稻草等为原料，利用转基因细菌进行丁醇的生产。

据披露，该技术以稻草等植物纤维为原料，利用RITE开发的基因重组菌生产生物丁醇，计划于2020年由1t植物生产300L的生物丁醇。

（5）黑体后中国

目前，我国正丁醇的生产厂家有20多家，总生产能力约为20×10⁴t/a，生产工艺主要采用羰基合成法和发酵法，其中采用合成法的生产能力约占正丁醇总生产能力的80%。虽然近年来我国丁醇的产量有很大提高，但仍然不能满足国内实际生产的需求，进口量已经占到国内总消费量的50%左右，具体见表3-16。

2004年以来石油价格持续攀升，国际原油价格一度超过140美元/桶，通过石油化工获得丙酮、丁醇成本大幅提高，而通过发酵法生产丙酮、丁醇重新显示出其优势。基于丁醇化学合成的不可替代性，我国众多的生产企业和科研院所纷纷把注意力转向了生物发酵法生产丁醇。我国目前从事丁醇研发的科研院所主要有中国科学院上海植物生理生态研究所、中国科学院广州能源研究所、上海工业微生物研究所、清华大学核能与新能源技术研究院等，其中中国科学院上海植物生理生态研究所“七五”期间承担过高丁醇比丙酮丁醇菌的选育，并成功选育出了7∶2∶1的丙酮丁醇菌种，总溶剂在20g/L，其中丁醇稳定在71.9%。中国科学院广州能源研究所也在科学院重要方向项目的资助下，开展木质纤维素水解液发酵制取丁醇研究。

2004年河南天冠企业集团公司下属的上海天之冠可再生能源有限公司和中国科学院上海生命科学研究院正式签订了丙酮-丁醇发酵技术合作项目，双方决定在“改进丙酮-丁醇发酵技术”的相关项目方面开展合作研究，加快其产业化进程。2007年6月由联通实业、上由房地产公司等投资8000万美元兴建了江苏联海生物科技有限公司，设计年产20×10⁴t正丁醇和10×10⁴t丙酮。华北制药有限责任公司也与中国科学院微生物研究所签署战略合作框架协议，双方将在生物能源、生物基化学品等领域展开战略合作，建立稳定的产学研合作关系。双方合作的重点之一就是生物质燃料丁醇的研发。2008年10月山东省科学院能源研究所与英国绿色生物制剂（GBL）签署生物丁醇合作项目。2008年10月，全球最大的生物丁醇项目江苏联海生物科技有限公司在海门投产，该项目设计以木薯为原料生产生物丁醇，年产量在20×10⁴t。

鉴于国外生物丁醇技术知识产权和专利的限制，需要根据我国的具体国情因地制宜，广泛利用价廉、丰富的木质纤维素资源，改良传统丁醇发酵菌种，采取有效的回收技术，开发新型生物反应器，在掌握丁醇发酵代谢机制的基础上，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，降低生物丁醇的生产成本，力争早日实现其规模化生产。

国家能源供应多元化是国家能源战略的一个重要方面，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越来越重要的作用。