Ферментация ацетон-бутанол-этанол
Ферментация ацетона-бутанола-этанола (АБЭ) , также известная как процесс Вейцмана , представляет собой процесс, в котором используется бактериальная ферментация для производства ацетона , н-бутанола и этанола из углеводов, таких как крахмал и глюкоза . Он был разработан химиком Хаимом Вейцманом и был основным процессом, используемым для производства ацетона, который был необходим для производства кордита , вещества, необходимого для британской военной промышленности во время Первой мировой войны . [ 1 ]
Процесс
[ редактировать ]Этот процесс можно сравнить с тем, как дрожжи сбраживают сахар для производства этанола для вина, пива или топлива, но организмы, осуществляющие ферментацию АБЕ, являются строго анаэробными (облигатными анаэробами). Ферментация ABE дает растворители в соотношении 3 части ацетона, 6 частей бутанола и 1 часть этанола. Обычно используется штамм бактерий класса Clostridia (семейство Clostridiaceae ). Clostridium acetobutylicum является наиболее хорошо изученным и широко используемым. Хотя они менее эффективны, бактериальные штаммы Clostridium beijerinckii и Clostridium saccharobutylicum также показали хорошие результаты. [ 2 ] [ 3 ]
Путь ферментации АБЕ обычно протекает в две фазы. В начальной фазе ацидогенеза клетки растут экспоненциально и накапливают ацетат и бутират . Низкий pH наряду с другими факторами затем вызывает метаболический сдвиг к фазе сольвентогенеза , в которой ацетат и бутират используются для производства растворителей. [ 4 ]
Для отгонки газа чаще всего используются отходящие газы самого брожения, смесь углекислого газа и газообразного водорода . [ нужна ссылка ]
История
[ редактировать ]Производство бутанола биологическим путем впервые осуществил Луи Пастер в 1861 году. [ 5 ] В 1905 году австрийский биохимик Франц Шардингер обнаружил, что аналогичным образом можно производить ацетон. [ 5 ] В 1910 году Огюст Фернбах (1860–1939) разработал процесс бактериальной ферментации, используя картофельный крахмал в качестве сырья для производства бутанола. [ 6 ]
Промышленное использование ферментации АБЭ началось в 1916 году, во время Первой мировой войны, с выделения Хаимом Вейцманом Clostridium acetobutylicum, как описано в патенте США № 1315585. [ 7 ]
Процесс Вейцмана эксплуатировался компанией Commercial Solvents Corporation примерно с 1920 по 1964 год на заводах в США ( Терре-Хот, Индиана и Пеория, Иллинойс ) и Ливерпуле, Англия . Завод в Пеории был крупнейшим из трех. В качестве сырья он использовал патоку и имел 96 ферментеров объемом 96 000 галлонов каждый. [ 8 ]
После Второй мировой войны ферментация АБЭ стала вообще нерентабельной по сравнению с производством тех же трех растворителей ( ацетона , бутанола , этанола ) из нефти . [ 1 ] В 1950-х и 1960-х годах ферментация АБЕ была заменена нефтехимическими заводами. Из-за различной стоимости сырья ферментация АБЕ была жизнеспособна в Южной Африке до начала 1980-х годов, когда последний завод закрылся в 1983 году. [ 9 ] Green Biologics Ltd предприняла последнюю попытку возродить процесс в масштабе, но завод в Миннесоте закрылся в июне 2019 года.
Новый биоперерабатывающий завод ABE был разработан в Шотландии компанией Celtic Renewables Ltd, производство которого начнется в начале 2022 года. Ключевым отличием этого процесса является использование малоценных отработанных материалов или остатков других процессов, что исключает переменные затраты на сырье, сельскохозяйственные культуры и материалы. . [ 10 ]
Попытки улучшения
[ редактировать ]Наиболее важный аспект в процессах ферментации биомассы связан с ее продуктивностью. Ферментация АБЕ с помощью Clostridium beijerinckii или Clostridium acetobutylicum , например, характеризуется ингибированием продукта . Это означает, что существует порог концентрации продукта, который невозможно преодолеть, в результате чего поток продукта сильно разбавляется водой. [ 11 ]
По этой причине, чтобы иметь сопоставимую производительность и рентабельность по отношению к нефтехимическим процессам , необходимы экономически и энергоэффективные решения для секций очистки продукта, обеспечивающие значительное извлечение продукта с желаемой чистотой. Основные решения, принятые в последние десятилетия, заключались в следующем: [ нужна ссылка ]
- Использование менее дорогого сырья, в частности лигноцеллюлозных отходов или водорослей ;
- Модификация микроорганизмов или исследование новых штаммов, менее чувствительных к отравлению концентрацией бутанола, для повышения продуктивности и селективности по отношению к видам бутанола ;
- Оптимизация ферментационного реактора , направленная на повышение производительности;
- Снижение энергетических затрат на сепарацию и очистку последующей переработки и, в частности, на проведение разделения in-situ в реакторе ;
- Использование побочных продуктов, таких как водород и углекислый газ , твердые отходы и сбрасываемые микроорганизмы, а также проведение менее дорогостоящей очистки технологических сточных вод .
Во второй половине ХХ века эти технологии позволили увеличить концентрацию конечного продукта в бульоне с 15 до 30 г/л, повысить конечную производительность с 0,46 до 4,6 г/(л*ч) и повысить при выходе от 15 до 42%. [ 3 ]
С точки зрения очистки соединений, основные критические моменты при извлечении продукта ABE/W обусловлены неидеальными взаимодействиями водно-спиртовой смеси, приводящими к образованию гомогенных и гетерогенных азеотропных частиц . [ 12 ] как показано на диаграмме тройного равновесия. Это делает разделение стандартной перегонкой особенно непрактичным, но, с другой стороны, позволяет использовать область расслаивания жидкость-жидкость как для аналогичных [ 13 ] и альтернатива [ нужна ссылка ] процессы разделения .
Поэтому для повышения выхода ферментации АБЭ были разработаны главным образом системы восстановления продукта на месте. К ним относятся отгонка газа , [ 14 ] [ 15 ] первапорация , [ 16 ] [ 17 ] жидкостно-жидкостная экстракция , перегонка через колонну с разделительной перегородкой, [ 18 ] мембранная дистилляция , мембранное разделение , [ 19 ] адсорбция и обратный осмос . Компания Green Biologics Ltd. внедрила многие из этих технологий в промышленном масштабе.
Более того, в отличие от сырой нефти , природа биомассы колеблется в зависимости от сезона года и в зависимости от географического положения. [ 20 ] [ 21 ] По этой причине операции по биопереработке иметь возможность довольно быстро переключаться между двумя режимами работы. должны быть не только эффективными , но и гибкими и
Текущие перспективы
[ редактировать ]
Ферментация АБЕ вызывает новый интерес, поскольку особое внимание уделяется бутанолу как возобновляемому биотопливу . [ 23 ]
Устойчивое развитие, безусловно, является темой, вызывающей серьезную озабоченность в последние годы. Энергетическая проблема является ключевым моментом экологической политики, принятой всеми наиболее развитыми и промышленно развитыми странами мира. крупнейшую программу ЕС по исследованиям и инновациям Horizon 2020. финансировал С этой целью Европейский Союз в период 2014–2020 годов [ 24 ]
Международное энергетическое агентство определяет возобновляемые источники энергии как центр перехода к менее углеродоемкой и более устойчивой энергетической системе. на биотопливо Предполагается, что к 2060 году будет приходиться около 30% потребления энергии на транспорте. Их роль особенно важна в секторах, декарбонизацию которых трудно декарбонизировать, таких как авиация , судоходство и другие виды дальнемагистрального транспорта. Вот почему в последние годы к некоторым биопроцессам возобновился интерес, как с исследовательской, так и с промышленной точки зрения. [ 25 ]
По этой причине процесс ферментации АБЕ был пересмотрен с другой точки зрения. Хотя изначально он был задуман для производства ацетона , он считается подходящим способом производства биобутанола , который стал продуктом, представляющим большой интерес. Биогенный бутанол является возможным заменителем биоэтанола или даже лучше, и он уже используется как в качестве топливной добавки , так и в качестве чистого топлива вместо стандартного бензина , поскольку, в отличие от этанола , его можно напрямую и эффективно использовать в бензиновых двигателях . Более того, он имеет то преимущество, что его можно доставлять и распространять по существующим трубопроводам и заправочным станциям . [ 26 ]
Наконец, биобутанол широко используется в качестве прямого растворителя красок летучести , покрытий , лаков , смол , красителей , камфоры , растительных масел , жиров, восков , шеллака , каучуков и алкалоидов из-за его более высокой энергетической плотности, меньшей и меньшей гигроскопичности . [ нужна ссылка ] Его можно производить из различных видов целлюлозной биомассы, а также использовать для дальнейшей переработки современного биотоплива, такого как бутиллевулинат. [ 27 ]
Применение н-бутанола в производстве бутилакрилата имеет широкие возможности для его расширения, что, в свою очередь, будет способствовать увеличению потребления н-бутанола во всем мире. Бутилакрилат был крупнейшим применением н-бутанола в 2014 году, и, по прогнозам, к 2020 году его стоимость составит 3,9 миллиарда долларов США. [ 28 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Марк Р. Уилкинс и Хасан Атие (2012). «Ферментация» . В Нурхане Тургуте Данфорде (ред.). Пищевые и промышленные биопродукты и биопереработка . Уайли. п. 195. ИСБН 9781119946052 .
- ^ Куреши Н., Блашек Х.П. (ноябрь 2001 г.). «Последние достижения в области ферментации АБЭ: производство гипербутанола Clostridium beijerinckii BA101». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 27 (5): 287–291. дои : 10.1038/sj.jim.7000114 . ПМИД 11781803 . S2CID 25947028 .
- ^ Перейти обратно: а б Трифиро Ф (июнь 2010 г.). «Каков идеальный синтез бутанола?». Химия и промышленность : 96–101.
- ^ Ли С, Хуан Л, Ке С, Пан З, Лю Л (2020). «Рассечение путей, регулирование, разработка и применение: уроки, извлеченные из производства биобутанола сольвентогенными клостридиями» . Биотехнология для биотоплива . 13 (1): 39. дои : 10.1186/s13068-020-01674-3 . ПМК 7060580 . ПМИД 32165923 .
- ^ Перейти обратно: а б Дюрре П., Баль Х., Готшальк Г. (июнь 1992 г.). «Ацетон-бутаноловое брожение: основа современного биотехнологического процесса?». Технология инженера-химика . 64 (6): 491–498. doi : 10.1002/cite.330640603 .
- ^ «Огюст Фернбах (1860–1939)» . Институт Пастера. Архивировано из оригинала 8 декабря 2014 г. Проверено 18 марта 2015 г.
- ^ Заявка Великобритании 191504845 , Вейцман С., «Усовершенствования в бактериальной ферментации углеводов и бактериальных культурах для них», опубликованная 6 марта 1919 г., передана Чарльзу Вейцману.
- ^ Фред К. Келли (1936). «Одно ведет к другому: рост промышленности» , Хоутон Миффлин
- ^ Джонс Д.Т., Вудс Д.Р. (декабрь 1986 г.). «Возврат к ацетон-бутаноловому брожению» . Микробиологические обзоры . 50 (4): 484–524. дои : 10.1128/MMBR.50.4.484-524.1986 . ПМК 373084 . ПМИД 3540574 .
- ^ «Селтик Реньюаблс Лтд.» . celtic-renewables.com .
- ^ Гарсия В., Паккиля Дж., Охамо Х., Мууринен Э., Кейски Р.Л. (2011). «Проблемы производства биобутанола: как повысить эффективность?». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 15 (2): 964–980. дои : 10.1016/j.rser.2010.11.008 .
- ^ «Банк данных Дортмунда (DDB)» . ДДБСТ ГмбХ. Архивировано из оригинала 02 февраля 2022 г. Проверено 21 февраля 2022 г.
- ^ Луйбен В.Л. (2008). «Контроль гетерогенной азеотропной системы дистилляции н-бутанол/вода». Энергетическое топливо . 22 (6): 4249–4258. дои : 10.1021/ef8004064 .
- ^ Грут В.Дж., Ван дер Ланс Р.Г., Луйбен К.К. (декабрь 1989 г.). «Периодическая и непрерывная ферментация бутанола со свободными ячейками: интеграция с извлечением продукта путем отгонки газа». Прикладная микробиология и биотехнология . 32 (3): 305–308. дои : 10.1007/BF00184979 . S2CID 10097692 .
- ^ Эзеджи Т.С., Куреши Н., Блашек Х.П. (февраль 2004 г.). «Производство ацетон-бутанол-этанола (АБЭ) из концентрированного субстрата: снижение ингибирования субстрата с помощью периодического метода с подпиткой и ингибирование продукта путем отгонки газа». Прикладная микробиология и биотехнология . 63 (6): 653–658. дои : 10.1007/s00253-003-1400-x . ПМИД 12910325 . S2CID 5111041 .
- ^ Юэ Д., Ю Ф. , Снайдер С.В. (июль 2014 г.). «Оптимизация цепочки поставок биомассы в биоэнергию и биотопливо: обзор, ключевые проблемы и проблемы». Компьютеры и химическая инженерия . 66 : 36–56. дои : 10.1016/j.compchemeng.2013.11.016 .
- ^ Джулиано А., Полетто М., Барлетта Д. (март 2016 г.). «Оптимизация процесса многопродуктового биоперерабатывающего завода: влияние сезонности биомассы». Химические инженерные исследования и проектирование . 107 : 236–252. дои : 10.1016/j.cherd.2015.12.011 .
- ^ Эррико М., Санчес-Рамирес Э., Кирос-Рамирес Х.Дж., Ронг Б.Г., Сеговия-Эрнандес Х.Г. (27 сентября 2017 г.). «Многокритериальные оптимальные системы разделения ацетон-бутанол-этанол с использованием колонн с разделенными стенками и вспомогательной экстракцией жидкость-жидкость». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 56 (40): 11575–11583. doi : 10.1021/acs.iecr.7b03078 .
- ^ Грут В.Дж., Соджак Х.С., Донк П.Б., Ван дер Ланс Р.Г., Луйбен К.К., Тиммер Дж.М. (1990). «Извлечение бутанола из ферментаций путем жидкостно-жидкостной экстракции и мембранной экстракции растворителем». Биотехнологическая инженерия . 5 (5): 203–216. дои : 10.1007/BF00376227 . S2CID 98157509 .
- ^ Уильямс КЛ, Вестовер ТЛ, Эмерсон Р.М., Тумулуру Дж.С., Ли С. (2016). «Источники изменчивости сырья биомассы и потенциальное влияние на производство биотоплива» . Биоэнергетические исследования . 9 (1): 1–14. Бибкод : 2016BioER...9....1W . дои : 10.1007/s12155-015-9694-y .
- ^ Кенни К.Л., Смит В.А., Грешам Г.Л., Вестовер Т.Л. (2013). «Понимание изменчивости сырья биомассы» . Биотопливо . 4 (1): 111–127. Бибкод : 2013Biofu...4..111K . дои : 10.4155/bfs.12.83 .
- ^ Де Гузман Д. (6 июня 2013 г.). «Биологические исследования рынка в изобилии!» . Блог «Зеленых химикатов» .
- ^ Гроуз Т.К. (15 июня 2013 г.). «Виски, вперед, вперед: могут ли отходы ликеро-водочных заводов Шотландии стимулировать производство биотоплива?» . Нэшнл Географик . Архивировано из оригинала 3 июня 2022 года.
- ^ «Программа «Горизонт 2020» (PDF) . Европейская комиссия .
- ^ «МЭА Возобновляемые источники энергии: анализ рынка и прогноз с 2019 по 2024 год» . Международное энергетическое агентство (МЭА) . Октябрь 2019.
- ^ Ян С.Т., Эль-Энсаши Х., Тонгчул Н., ред. (2013). Технологии биопереработки в биопереработке для устойчивого производства топлива, химикатов и полимеров . Уайли.
- ^ Кремер К., Харвардт А., Броннеберг Р., Марквардт В. (май 2011 г.). «Выделение бутанола из ферментации ацетон-бутанол-этанол с помощью гибридного процесса экстракции-дистилляции». Компьютеры и химическая инженерия . 35 (5): 949–963. doi : 10.1016/j.compchemeng.2011.01.028 .
- ^ «Рынок н-бутанола к 2022 году будет стоить 5,58 миллиарда долларов» . www.prnewswire.com (пресс-релиз).