Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из ABE fermentation )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Путь ацетон-бутанол-этанольной ферментации клостридиями.

Ферментация ацетон-бутанол-этанол (ABE) - это 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 Вейцманном и был основным процессом, использовавшимся для производства ацетона, который был необходим для производства кордита , вещества, необходимого для британской военной промышленности во время Первой мировой войны . [1]

Процесс [ править ]

Этот процесс можно сравнить с тем, как дрожжи сбраживают сахар для производства этанола для вина, пива или топлива, но организмы, которые осуществляют ферментацию ABE, строго анаэробны (облигатные анаэробы). Ферментация ABE производит растворители в соотношении 3 части ацетона, 6 частей бутанола на 1 часть этанола. Обычно он использует штамм бактерий из класса Clostridia (семейство Clostridiaceae ). Clostridium acetobutylicum является наиболее изученным и широко используемым. Хотя штаммы бактерий Clostridium beijerinckii и Clostridium saccharobutylicum менее эффективны, они также показали хорошие результаты. [2] [3]

Для отгонки газа наиболее часто используются отходящие газы самой ферментации, смесь диоксида углерода и газообразного водорода . [ необходима цитата ]

История [ править ]

Производство бутанола биологическим путем было впервые осуществлено Луи Пастером в 1861 году. [4] В 1905 году австрийский биохимик Франц Шардингер обнаружил, что ацетон может производиться аналогичным образом. [4] В 1910 году Огюст Фернбах (1860-1939) разработал процесс бактериальной ферментации с использованием картофельного крахмала в качестве сырья для производства бутанола. [5]

Промышленная эксплуатация ферментации ABE началась в 1916 году, во время Первой мировой войны, с выделения Хаимом Вейцманном Clostridium acetobutylicum, как описано в патенте США 1315585. [6]

Процесс Вейцмана использовался компанией Commercial Solvents Corporation примерно с 1920 по 1964 год с заводами в США ( Terre Haute, IN и Peoria, IL ) и в Ливерпуле, Англия . Завод в Пеории был самым крупным из трех. Он использовал мелассу в качестве сырья и имел 96 ферментеров объемом 96 000 галлонов каждый. [7]

После Второй мировой войны ферментация ABE стала в целом нерентабельной по сравнению с производством тех же трех растворителей ( ацетон , бутанол , этанол ) из нефти . [1] В течение 1950-х и 1960-х годов ферментация ABE была заменена нефтехимическими заводами. Из-за разной стоимости сырья ферментация ABE была жизнеспособной в Южной Африке до начала 1980-х, последний завод закрылся в 1983 году. [8] Последним действующим заводом управляла компания Green Biologics Ltd. в Миннесоте, пока она не закрылась в июне 2019 года. . [9]

Попытки улучшения [ править ]

Чтобы быть конкурентоспособными с нефтехимической отраслью и как можно скорее заменить ее часть, биопроцессы должны быть в состоянии вскоре покрыть значительную часть рыночного спроса и быть гибкими в отношении потребностей рынка и свойства сырья. [ необходима цитата ]

Самый важный аспект в процессах ферментации биомассы связан с ее производительностью. Ферментация ABE 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. [10]

Диаграмма фазового равновесия для тройной смеси 1-бутанол - этанол - вода

По этой причине, чтобы иметь сопоставимую производительность и рентабельность в отношении нефтехимических процессов , требуются экономичные и энергоэффективные решения для секций очистки продукта, чтобы обеспечить значительное извлечение продукта с желаемой чистотой. Основными решениями, принятыми в течение последних десятилетий, были следующие: [ необходима цитата ]

  • Использование менее дорогого сырья, в частности лигноцеллюлозных отходов или водорослей ;
  • Модификации микроорганизмов или исследование новых штаммов, менее чувствительных к отравлению концентрацией бутанола, для повышения продуктивности и селективности по отношению к видам бутанола ;
  • Брожения реактора оптимизации направлены на повышение производительности;
  • Снижение энергетических затрат на разделение и очистку последующей обработки и, в частности, на проведение разделения на месте в реакторе ;
  • Использование побочных продуктов, таких как водород и углекислый газ , твердые отходы и выделяемые 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, увеличить конечную продуктивность с 0,46 до 4,6 г / (л * ч) и увеличить при доходности от 15 до 42%. [3]

С точкой зрения очистки соединения, основные критичности в / W ABE восстановления продукта обусловлены неидеальными взаимодействия в водно-спиртовой смеси ведущих к гомогенным и гетерогенным азеотропным видам , [11] , как показано тройной диаграммой равновесия. Это делает разделение с помощью стандартной перегонки особенно непрактичным, но, с другой стороны, позволяет использовать область расслаивания жидкость-жидкость как для аналогичных [12], так и для альтернативных [ необходима ссылка ] процессов разделения .

Поэтому, чтобы увеличить выход ферментации ABE, были разработаны в основном системы извлечения продукта in situ. К ним относятся отгонка газа , [13] [14] первапорация , [15] [16] жидкостно-жидкостная экстракция , дистилляция через колонну с разделительными стенками, [17] мембранную перегонку , мембранное разделение , [18] адсорбцию и обратный осмос . Компания Green Biologics Ltd. реализовала это в промышленных масштабах. [9]

Более того, в отличие от сырой нефти , природа биомассы колеблется в зависимости от сезона и географического положения. [19] [20] По этой причине операции биоперерабатывающего завода должны быть не только эффективными, но также гибкими и иметь возможность довольно быстро переключаться между двумя рабочими условиями. [ Необходима цитата ]

Текущие перспективы [ править ]

Мировой спрос на н-бутанол [21]

Ферментация ABE привлекает новый интерес, так как бутанол рассматривается как возобновляемое биотопливо . [22]

В последние годы устойчивость является предметом серьезной озабоченности. Энергетическая проблема является ключевым моментом в экологически чистых стратегий , принятых всеми наиболее развитых и промышленно развитых странах во всем мире. С этой целью Horizon 2020, крупнейшая программа ЕС в области исследований и инноваций , была профинансирована Европейским Союзом в период 2014-2020 годов. [23]

Международное энергетическое агентство определяет возобновляемые источники энергии как центр перехода к менее углеродоемкой и более устойчивой энергетической системе. Считается, что к 2060 году на биотопливо будет приходиться около 30% энергии, потребляемой транспортом. Их роль особенно важна в секторах, которые трудно обезуглерожить, таких как авиация , судоходство и другие дальние перевозки. Вот почему в последние годы к некоторым биопроцессам возобновился интерес как с исследовательской, так и с промышленной точки зрения. [24]

По этой причине процесс ферментации ABE 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 присадки к топливу, так и в качестве чистого топлива вместо стандартного бензина, потому что, в отличие от этанола , он может напрямую и эффективно использоваться в бензиновых двигателях . Более того, он имеет то преимущество, что его можно транспортировать и распределять по существующим трубопроводам и заправочным станциям .[25]

Наконец, биобутанол широко используется в качестве прямого растворителя для красок , покрытий , лаков , смол , красителей , камфары , растительных масел , жиров, восков , шеллака , каучуков и алкалоидов из-за его более высокой плотности энергии, более низкой летучести и меньшей гигроскопичности . [ необходима цитата ] Его можно производить из различных видов целлюлозной биомассы, а также использовать для дальнейшей обработки передовых видов биотоплива, таких как бутиллевулинат.[26]

Применение н-бутанола в производстве бутилакрилата имеет широкие возможности для расширения, что, в свою очередь, поможет увеличить потребление н-бутанола во всем мире. Бутилакрилат был самым крупным применением н-бутанола в 2014 году и, по прогнозам, к 2020 году его объем составит 3,9 миллиарда долларов США [27].

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Марк Р. Уилкинс и Хасан Атье (2012). «Брожение» . В Нурхан Тургут Данфорд (ред.). Пищевая и промышленная биопродукция и биопереработка . Вайли. п. 195. ISBN 9781119946052.
  2. ^ Куреши Н, Блашек, HP. 2001. Последние достижения в ферментации ABE: производство гипербутанола Clostridium beijerinckii BA101. J Ind Microbiol Biotechnol 27 (5): 287-291.
  3. ^ a b Trifirò, Ферруччо (июнь 2010 г.). «Quale la sintesi ideale del butanolo?». Chimica & Industria : 96–101.
  4. ^ a b Дюрре, Питер; Bahl, Hubert; Готшальк, Герхард (июнь 1992 г.). "Die Aceton-Butanol-Gärung: Grundlage für einen modernen biotechnologischen Prozeß?". Chemie Ingenieur Technik . 64 (6): 491–498. DOI : 10.1002 / cite.330640603 .
  5. ^ "Огюст Фернбах (1860-1939)" . Institut Pasteur. Архивировано из оригинала на 2014-12-08 . Проверено 18 марта 2015 .
  6. ^ Заявление Великобритании 191504845 , Чарльз Вейцман, «Улучшения в бактериальной ферментации углеводов и в бактериальных культурах для них», опубликовано 1919-03-06, передано Чарльзу Вейцманну 
  7. ^ Фред К. Келли (1936). Одно ведет к другому: рост отрасли , Хоутон Миффлин
  8. ↑ DT Jones & DR Woods (декабрь 1986 г.). «Возвращение к ацетон-бутаноловому брожению» . Микробиологические обзоры . 50 (4): 484–524. DOI : 10.1128 / MMBR.50.4.484-524.1986 . PMC 373084 . PMID 3540574 .  
  9. ^ а б http://www.greenbiologics.com/
  10. ^ Гарсия, V .; Päkkilä, J .; Ojamo, H .; Кейски, Р.Л .; Мууринен, Э. (2011). «Проблемы производства биобутанола: как повысить эффективность?». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 15 (2): 964–980. DOI : 10.1016 / j.rser.2010.11.008 .
  11. ^ "Дортмундский банк данных" .
  12. ^ Луибен, WL (2008). «Контроль гетерогенной азеотропной системы дистилляции н-бутанол / вода». Энергетическое топливо . 22 (6): 4249–4258. DOI : 10.1021 / ef8004064 .
  13. ^ Groot, WJ; ван дер Ланс, RGJM; Luyben, K. Ch. AM (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. DOI : 10.1007 / BF00184979 . S2CID 10097692 . 
  14. ^ Ezeji, ТС; Куреши, Н .; Блашек, HP (1 февраля 2004 г.). «Производство ацетон-бутанол-этанола (ABE) из концентрированного субстрата: снижение ингибирования субстрата с помощью периодической технологии с подпиткой и ингибирование продукта путем отгонки газа». Прикладная микробиология и биотехнология . 63 (6): 653–658. DOI : 10.1007 / s00253-003-1400-х . PMID 12910325 . S2CID 5111041 .  
  15. ^ Юэ, Даджун; Ты, Фэнци ; Снайдер, Сет В. (июль 2014 г.). «Оптимизация цепочки поставок биомассы в биоэнергетику и биотопливо: обзор, ключевые вопросы и проблемы». Компьютеры и химическая инженерия . 66 : 36–56. DOI : 10.1016 / j.compchemeng.2013.11.016 .
  16. ^ Джулиано, Аристид; Полетто, Массимо; Барлетта, Диего (март 2016 г.). «Оптимизация процесса многопродуктового биоперерабатывающего завода: влияние сезонности биомассы». Химико-технические исследования и разработки . 107 : 236–252. DOI : 10.1016 / j.cherd.2015.12.011 .
  17. ^ Эррико, Массимилиано; Санчес-Рамирес, Эдуардо; Кирос-Рамирес, Хуан Хосе; Ронг, Бен-Гуан; Сеговия-Эрнандес, Хуан Габриэль (27 сентября 2017 г.). "Оптимальные системы разделения ацетон-бутанол-этанол для нескольких целей, использующие колонны с разделенными стенками с жидкостной экстракцией". Промышленные и инженерные химические исследования . 56 (40): 11575–11583. DOI : 10.1021 / acs.iecr.7b03078 .
  18. ^ Groot, WJ; Соеджак, HS; Донк, ПБ; Ланс, RGJM; Luyben, K. Ch. ЯВЛЯЮСЬ; Тиммер, JMK (1990). «Извлечение бутанола из ферментации методом жидкостно-жидкостной экстракции и мембранной экстракции растворителем». Биопроцессная инженерия . 5 (5): 203–216. DOI : 10.1007 / BF00376227 . S2CID 98157509 . 
  19. ^ Уильямс, CL; Вестовер, TL; Эмерсон, РМ; Tumuluru, JS; Ли, К. (2016). «Источники изменчивости сырья биомассы и потенциальное влияние на производство биотоплива» . Биоэнергетические исследования . 9 : 1–14. DOI : 10.1007 / s12155-015-9694-у .
  20. ^ Кенни, KL; Смит, Вашингтон; Gresham, GL; Вестовер, Т.Л. (2013). «Понимание изменчивости исходного сырья биомассы» . Биотопливо . 4 : 111–127. DOI : 10.4155 / bfs.12.83 .
  21. ^ "Биологические исследования рынка в изобилии!" .
  22. ^ http://news.nationalgeographic.com/news/energy/2013/06/130614-scotland-whisky-waste-to-biofuel/
  23. ^ "Программа Horizon 2020" (PDF) .
  24. ^ «Отчет МЭА по возобновляемым источникам энергии за 2019 год» .
  25. ^ Ян, С.-Т .; El-Ensashy, H .; Тонгчул, Н. (2013). Технологии биотехнологии в биоперерабатывающем заводе для устойчивого производства топлива, химикатов и полимеров . Вайли.
  26. ^ Кремер, Корбинян; Гарвардт, Андреас; Броннеберг, Роб; Марквардт, Вольфганг (май 2011 г.). «Отделение бутанола от 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 .
  27. ^ "Рынок н-бутанола к 2022 году составит 5,58 миллиардов долларов" . www.prnewswire.com .