原位分離耦合技術(shù)制備生物丁醇的研究進(jìn)展

朱大偉，韋 萍，吳 昊，孫夢茹，姜 岷

（1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211800；2.蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院，常州213003）

原位分離耦合技術(shù)制備生物丁醇的研究進(jìn)展

朱大偉1，2，韋 萍1，吳 昊1，孫夢茹2，姜 岷1

（1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211800；2.蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院，常州213003）

筆者對吸附法、液液萃取法、氣提法、滲透汽化法等提取技術(shù)原位分離耦合丁醇進(jìn)行了綜述，并對其分離特性與效果進(jìn)行了比較。針對目前原位分離耦合發(fā)酵制備生物丁醇的應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，并結(jié)合本課題組已取得的成果，對原位分離耦合發(fā)酵制備生物丁醇的前景進(jìn)行了展望。

生物丁醇；發(fā)酵；原位分離；耦合

近年來，丁醇作為一種新型燃料受到各國廣泛重視，與乙醇相比，其具有熱值高、使用安全、易于管道運輸、無需改造發(fā)動機(jī)等優(yōu)點［1］。聯(lián)合國國際能源署已將生物丁醇列為第二代生物燃料，目前BP、杜邦等能源化工巨頭也紛紛涉足丁醇燃料開發(fā)領(lǐng)域［2］。在20世紀(jì)40年代，這種以丁醇生產(chǎn)菌株在厭氧條件下利用多種糖類發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)丁醇、丙酮及乙醇的工藝簡稱AB或丙酮-丁酮-乙醇（ABE）發(fā)酵，是生產(chǎn)丁醇的主要方法，發(fā)展成為僅次于酒精發(fā)酵的第二大發(fā)酵產(chǎn)業(yè)［3-4］，但20世紀(jì)50年代以后逐漸被石化法取代。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國際原油價格持續(xù)上漲，生物法具有不依賴石油、條件溫和等優(yōu)點，使得生物法制備丁醇再次成為全球研究與應(yīng)用的熱點。

產(chǎn)物抑制是生物丁醇制備研究中迫切需要解決的技術(shù)難題，當(dāng)丁醇質(zhì)量濃度為5 g／L時，即可對菌株產(chǎn)生抑制作用；當(dāng)丁醇質(zhì)量濃度大于13 g／L，菌株的生長與代謝被完全抑制［4］。而釀酒酵母對乙醇的耐受度可達(dá)90 g／L以上，嚴(yán)重的產(chǎn)物抑制導(dǎo)致丁醇濃度極低（丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.5%，在生物乙醇的制備中，乙醇質(zhì)量濃度大于100 g／L），生產(chǎn)效率低下，蒸餾提取能耗極高，削弱了生物法的競爭力。解決該問題可采取2種手段［4］：①利用誘變、基因工程手段改造菌種使其能耐受丁醇；②采用原位分離技術(shù)，將ABE溶劑在發(fā)酵過程中移走以減少其對細(xì)胞的毒害。目前，通過菌種改造，丁醇的質(zhì)量濃度可達(dá)17～21 g／L［4-5］，但并不能顯著降低后期蒸餾能耗，Qureshi等［4］指出：將分離技術(shù)原位集成于丁醇發(fā)酵，是降低分離成本最根本的手段。

分離耦合與生物反應(yīng)過程的研究興起于20世紀(jì)70年代末，當(dāng)時的研究主要針對可揮發(fā)性初級代謝產(chǎn)物，如生物法生產(chǎn)的乙醇，主要采用基于產(chǎn)物揮發(fā)性的分離方法進(jìn)行產(chǎn)物的在線分離。近年來，隨著耦合技術(shù)的日趨成熟，形式也更趨多樣化［6］，自20世紀(jì)90年代以來，吸附法［7-8］、液液萃取法［9-10］、氣提法［11-13］、滲透汽化法［14-20］提取技術(shù)已開始應(yīng)用于丁醇的原位分離研究中，并取得了諸多成果。

1 生物丁醇反應(yīng)分離耦合技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 吸附法原位分離丁醇

采用吸附法分離丙酮-丁醇發(fā)酵產(chǎn)物，主要是利用吸附劑對有機(jī)溶劑的選擇性吸附以消除產(chǎn)物抑制，其吸附劑包括硅藻土、沸石分子篩、活性炭、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyridine，PVP）和聚合樹脂［7-8，21］。

Yang等［22-23］以PVP為吸附劑，與不同丁醇發(fā)酵方式（分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵、重復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵）耦合，相比于分批發(fā)酵，吸附-分批發(fā)酵耦合工藝的ABE生產(chǎn)速率提高了130%，將補(bǔ)料分批發(fā)酵與吸附耦合，消耗糖190 g，ABE生產(chǎn)速率達(dá)到1.33 g／（L·h），提高了232%，將重復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵與吸附耦合，消耗糖1 198.5 g，ABE生產(chǎn)速率進(jìn)一步增加至1.69 g／（L·h）。Nielser等［8］從一系列商業(yè)聚合樹脂中篩選出聚苯乙烯類樹脂Dowex?Optipore SD-2與C．a(chǎn)cetobutylicum ATCC 824發(fā)酵耦合，發(fā)現(xiàn)在初始葡萄糖80 g／L的發(fā)酵液中分別加入0.025和0.05 kg／L的樹脂，丁醇產(chǎn)率與未加樹脂的發(fā)酵液相比分別增加了53%和83%。由此可見，發(fā)酵-吸附耦合工藝對ABE發(fā)酵過程中產(chǎn)量和產(chǎn)率的提高以及提高糖利用率有較明顯的作用。由于溶劑和吸附劑之間存在的相互作用以及吸附平衡，這些通常是非線性的，因此過程設(shè)計與發(fā)酵控制比較復(fù)雜。

1.2 液液萃取法原位分離丁醇

液液萃取-發(fā)酵分離耦合的原理主要是利用非水溶性有機(jī)萃取劑與發(fā)酵液混合，因為ABE在萃取劑中的溶解度比在發(fā)酵液中的溶解度要大，從而實現(xiàn)ABE在有機(jī)相中被選擇性地分離濃縮，卻不需要移除底物［24-26］，以達(dá)到提高溶劑生產(chǎn)速率、產(chǎn)量及糖的利用率。

目前，研究較多的萃取劑有油醇［25-26］、苯甲酸芐酯［25］、鄰苯二甲酸二丁酯［25］、生物柴油［27-28］等，也有使用正庚醇、乙酸乙酯、聚丙烯醇、橄欖油、反-2-乙基-2-己醛［29］和表面活性劑［10］的研究報道。

Qureshi等［25］利用油醇萃取與C．a(chǎn)cetobutylicum連續(xù)發(fā)酵體系耦合，當(dāng)稀釋率為從0.35提高至1.10 h-1時，ABE生產(chǎn)速率從3.1升至4.0 g／（L·h），溶劑產(chǎn)率達(dá)到0.35 g／g，但油醇是一種昂貴的溶劑。Bankar等［9］利用油醇和癸醇的混合物作為萃取劑，與C.acetobutylicum B 5313連續(xù)發(fā)酵體系耦合，ABE產(chǎn)量由15.98 g／L提高到25.32 g／L，溶劑生產(chǎn)速率為2.5 g／（L·h），產(chǎn)量為0.35 g／g，在稀釋率為0.05 h-1時，糖的利用率達(dá)到83.21%，而無耦合體系的糖利用率只有54.38%。生物柴油雖然對菌體的生長具有輕微的毒害作用，但其價格相對低廉。因此，以生物柴油萃取丁醇得到的混合溶劑可直接作為燃料來替代普通柴油使用，從而完全省去產(chǎn)品的回收精制過程，節(jié)約能耗，提高丁醇發(fā)酵的經(jīng)濟(jì)性。Ishizaki等［27］研究了以棕櫚油制備的生物柴油為萃取劑構(gòu)建的發(fā)酵萃取耦合體系，耦合后的葡萄糖利用率由62%增至83%，ABE質(zhì)量濃度及產(chǎn)率分別從21.2 g／L和0.38 g／g提高到29.8 g／L和0.40 g／g。胡翠英等［28］對4種不同生物柴油（原料分別為地溝油、菜籽油、棕櫚油和廢煎炸油）耦合丁醇發(fā)酵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丁醇的生產(chǎn)強(qiáng)度最高可以達(dá)到0.213 g／（L·h），比傳統(tǒng)發(fā)酵提高了10.9%。Dhamole等［10］利用表面活性劑（Triton X 114、L64、L62LF、L61和L62）與C．pasteurianum發(fā)酵體系耦合，發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)6%的L62可使丁醇產(chǎn)量從5 g／L提高到30 g／L，通過在120～130℃下蒸發(fā)，95%的乙醇可從表面活性劑相中被回收。

綜上，液液法萃取-發(fā)酵耦合可削弱產(chǎn)物ABE對體系的抑制，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的，同時也可濃縮ABE的濃度。不過，由于萃取劑價格昂貴且易流失或部分萃取劑對菌體具有一定的毒害作用，其應(yīng)用受到了限制。

1.3 氣提法原位分離丁醇

氣提是一個物理過程，它采用一個氣體介質(zhì)破壞原氣液兩相平衡而建立一種新的氣液平衡狀態(tài)，使溶液中的某一組分由于分壓降低而解吸出來，從而達(dá)到分離物質(zhì)的目的。通過控制氣提介質(zhì)的量可以控制氣提程度。當(dāng)氣泡在發(fā)酵罐中產(chǎn)生或者發(fā)生破碎時，周邊的液體隨之振動，有利于料液中揮發(fā)性物質(zhì)的逸出，隨后揮發(fā)性物質(zhì)在冷凝器中被凝結(jié)收集而實現(xiàn)分離［30］。

氣提可與多種丁醇發(fā)酵過程相耦合，如分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵等，其原理主要是利用氣體在發(fā)酵液中產(chǎn)生氣泡，由氣泡攜帶ABE，隨后逸出并在冷凝器中收集，然后氣體經(jīng)過回收重新進(jìn)入發(fā)酵罐移出更多的溶劑。目前，可以使用的載氣有N2和丁醇發(fā)酵中的自產(chǎn)氣體（H2和CO2）。Ezeji等［31］采用氣提與C．beijerinckii BA101分批發(fā)酵耦合，與分批發(fā)酵相比較，葡萄糖消耗量由45.4 g／L提高到500.1 g／L。Qureshi等［32］用C．a(chǎn)cetobutylicum以玉米纖維木聚糖作為原料發(fā)酵生產(chǎn)ABE，將底物水解、發(fā)酵、氣提回收等過程耦合，ABE的產(chǎn)量及產(chǎn)率比傳統(tǒng)發(fā)酵過程有所提高，且ABE的分離因子達(dá)到12.12。Ezeji等［33］以玉米淀粉為發(fā)酵原料，分別將氣提與分批發(fā)酵和流加發(fā)酵進(jìn)行耦合，分批發(fā)酵與氣提相耦合后，料液中糖利用率由74%提高到92%；與連續(xù)發(fā)酵體系耦合后，ABE質(zhì)量濃度由18.6 g／L提高到81.3 g／L。de Vrije等［11］用C．beijerinckii以葡萄糖／木糖（質(zhì)量比2∶1）為底物產(chǎn)ABE，采用氣提耦合連續(xù)發(fā)酵，稀釋率為0.06 h-1時，總糖消耗量由33.4 g／L提高到52.1g／L，ABE生產(chǎn)速率由0.56 g／（L·h）增加至0.93 g／（L·h）。Xue等［12］采用兩步氣提與纖維填充床反應(yīng)器發(fā)酵產(chǎn)ABE過程耦合，丁醇產(chǎn)率由0.2 g／g提高至0.25 g／g，生產(chǎn)速率由0.3 g／（L·h）增加至0.4 g／（L·h），第一步氣提獲得的溶劑中的丁醇質(zhì)量濃度為175.6 g／L（ABE質(zhì)量濃度為227.0 g／L），將其進(jìn)行第二步氣提后，丁醇質(zhì)量濃度增加到420.3 g／L（ABE質(zhì)量濃度達(dá)532.3 g／L）。Lu等［13］采用以木質(zhì)紙漿水解物為底物生產(chǎn)丁醇，采用氣提耦合后，丁醇質(zhì)量濃度達(dá)13.46 g／L，提高了47.2%。

綜上可見，氣提應(yīng)用于發(fā)酵-分離耦合體系不但可以避免丁醇的產(chǎn)物抑制作用，顯著提高ABE的產(chǎn)量及生產(chǎn)速率，還可實現(xiàn)ABE溶劑的富集，降低后續(xù)的分離工藝成本。

1.4 滲透汽化膜原位分離丁醇

滲透汽化（pervaporation）是一種利用液體混合物中不同組分在膜中的溶解和擴(kuò)散性能的不同，有選擇性地在膜內(nèi)汽化透過并被冷凝回收的新型膜分離技術(shù)，目前有機(jī)物脫水的水優(yōu)先透過膜已進(jìn)入工業(yè)化實用階段［34］。有機(jī)物優(yōu)先透過膜是利用極性低、表面能小的橡膠態(tài)聚合物制備的疏水性膜，可分離水中少量或微量揮發(fā)組分或有機(jī)組分，將該技術(shù)與產(chǎn)溶劑發(fā)酵過程耦合，可解除產(chǎn)物抑制、提高發(fā)酵產(chǎn)率，同時實現(xiàn)對產(chǎn)物的濃縮，顯著降低后續(xù)能耗，已成功應(yīng)用于乙醇耦合發(fā)酵研究［35］。

1.4.1 丁醇分離膜材料的開發(fā)

采用滲透汽化技術(shù)制備燃料丁醇的關(guān)鍵問題之一是開發(fā)和制備高性能（高的滲透通量和選擇性）的滲透汽化膜。根據(jù)膜材料性質(zhì)和用途的不同，滲透汽化膜可以分為疏水膜和親水膜。目前，已有報道的用于耦合發(fā)酵制備丁醇的滲透汽化膜主要有：聚二甲基硅氧烷（poly dimethylsiloxane，PDMS）及其共聚、改性和摻雜膜［36-38］、液膜（liquid membrane）［39］、聚三甲基硅丙炔膜（poly［?1?（trimethylsilyl）?1?propyne］，PTMSP）［40］、聚醚酰胺嵌段共聚物膜（poly（ether block amide），PEBA）［16］、聚丙烯膜（PP）［41］、聚四氟乙烯膜（PTFE）［42］等，其對丁醇的分離性能見表1。由于PTMSP膜材料本身存在穩(wěn)定性差的問題，而PEBA膜、PP膜和PTFE膜對丁醇的選擇性都比較低，性能穩(wěn)定并具有工業(yè)化前景的為PDMS膜，但是存在的問題仍然是膜的選擇性或分離通量較低。另外在多孔的支撐體上制備超薄無缺陷的PDMS膜層是研究者們追求的目的。Liu等［43］開發(fā)的PDMS -陶瓷復(fù)合膜，在30℃下，10 g／L丁醇-水溶液中，分離因子可達(dá)26，通量為457 g／（m2·h）。在發(fā)酵溫度下（37℃）具有良好的有機(jī)物透過性能與極高的滲透通量。在低膜面循環(huán)流速下（15 L／h），對ABE真實發(fā)酵液中丁醇的分離因子為13.99，總滲透通量為840 g／（m2·h），是相關(guān)文獻(xiàn)報道的數(shù)倍，適用于從丁醇發(fā)酵液中直接提取溶劑［17］。

表1 不同滲透汽化膜的耦合分離性能Table 1 Pervaporation performance of differentmembranes integrated w ith fermentation broth

1.4.2 滲透汽化原位分離耦合制備丁醇的應(yīng)用

目前，關(guān)于利用滲透汽化分離提取丁醇已有文獻(xiàn)報道，但多以水相模型體系或已失活的丁醇發(fā)酵液為分離對象，將滲透汽化膜分離與丁醇發(fā)酵過程耦合僅有少量報道，如Geng等［44］將PDMS材質(zhì)的滲透汽化膜與丁醇的分批及補(bǔ)料分批發(fā)酵相耦合，丁醇及丙酮被有效移出，葡萄糖消耗速率顯著提高。Qureshi等［36］將滲透汽化與Clostridium beijerinckii BA101分批發(fā)酵相耦合，ABE生產(chǎn)速率達(dá)到0.69 g／（L·h），比分批發(fā)酵提高97%。Qureshi等［37］將滲透汽化分離與補(bǔ)料分批發(fā)酵耦合，補(bǔ)料葡萄糖濃度達(dá)到500 g／L，滲透液中的ABE質(zhì)量濃度達(dá)到165.1 g／L，ABE產(chǎn)率從0.35 g／（L·h）提高到0.98 g／（L·h）。Yen等［16］研究發(fā)現(xiàn)，PEBA膜耦合分批發(fā)酵比不耦合發(fā)酵產(chǎn)量提高了43%，持續(xù)24 h補(bǔ)料發(fā)酵的丁醇產(chǎn)量也比未耦合發(fā)酵提高了39%。van Hecke等［20］將PDMS材質(zhì)的滲透汽化膜與C.acetobutylicum ATCC 824補(bǔ)料發(fā)酵相耦合，ABE產(chǎn)率從0.45 g／（L·h）提高到0.88 g／（L·h），發(fā)酵耦合持續(xù)200 h，滲透液中總?cè)軇┵|(zhì)量濃度達(dá)202 g／L。Setlhaku等［45］將PDMS材質(zhì)的滲透汽化膜與氣提法應(yīng)用在C．a(chǎn)cetobutylicum ATCC 824發(fā)酵中兩步法生產(chǎn)丁醇，37℃時，滲透液中丁醇質(zhì)量濃度為167 g／L，ABE質(zhì)量濃度為269 g／L。但以上研究中使用的滲透汽化膜在發(fā)酵溫度下（37℃）的滲透通量均低于100 g／（m2·h），單位膜面積的處理能力較低。筆者所在課題組的Wu等［17］將高通量PDMS／陶瓷復(fù)合膜用于滲透汽化分離丁醇，該膜在37℃下與丁醇補(bǔ)料分批發(fā)酵耦合200 h，與分批發(fā)酵相比，總?cè)軇┥a(chǎn)速率提高了23%，61%的溶劑被移出體系，滲透液中ABE質(zhì)量濃度達(dá)96.2 g／L達(dá)到文獻(xiàn)報道水平，但平均膜滲透通量達(dá)494 g／（m2·h），遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報道，處理相同體積丁醇發(fā)酵液的膜面積僅為文獻(xiàn)報道的1／10～1／30。而Chen等［18］比較滲透汽化連續(xù)耦合與間歇耦合發(fā)酵生產(chǎn)丁醇的效率，結(jié)果表明滲透汽化連續(xù)耦合發(fā)酵具有更高的生產(chǎn)效率。

2 各類生物丁醇制備原位分離技術(shù)性能比較與挑戰(zhàn)

2.1 不同原位分離技術(shù)制備生物丁醇性能的比較

目前，吸附法、液液萃取法、氣提法、滲透汽化法等低能耗的提取技術(shù)已開始應(yīng)用于丁醇的反應(yīng)分離耦合研究中，但各有優(yōu)缺點，總結(jié)如下：

吸附法具有操作簡單的優(yōu)勢，但吸附劑對丁醇的吸附容量僅為48～252 mg／g［7］，還會吸附乙酸、丁酸等中間產(chǎn)物及蛋白等生物大分子［8，21-23，46］。此外，在發(fā)酵體系中，吸附劑不能進(jìn)行原位解吸再生。因此，為了避免過早出現(xiàn)吸附飽和，往往需要加入大量的吸附劑以控制丁醇濃度，而吸附劑多為多孔介質(zhì)，很容易被發(fā)酵液污染，造成吸附劑失效。Chen等［47］通過增加微濾膜除去菌體，減少了樹脂污染，實現(xiàn)了吸附-發(fā)酵耦合過程的長期運行，但這種方式增加了操作的復(fù)雜性。

液液萃取法可以根據(jù)兩相不相溶的原理分離出疏水性強(qiáng)的產(chǎn)物，但是對具有高選擇性的萃取劑ABE溶劑的細(xì)胞具有毒害作用，低毒性的液體萃取劑對產(chǎn)物的選擇性通常很低或極其昂貴［26，28］。Qureshi等［48］比較了直接液液萃取與膜萃取與ABE發(fā)酵過程耦合的區(qū)別，在液液萃取過程中，油醇對細(xì)胞的直接接觸不但產(chǎn)生毒害作用，還將會萃取發(fā)酵中間產(chǎn)物（如丁酸等），降低了發(fā)酵產(chǎn)率；在膜萃取過程中，雖然中間產(chǎn)物的流失問題可以有效解決，但萃取劑的毒性問題仍然不可避免地存在。此外，丁醇的回收與萃取劑的再生往往需要通過精餾，也會顯著增加回收能耗。

氣提耦合發(fā)酵對培養(yǎng)基無害，也不會移出營養(yǎng)物質(zhì)和中間產(chǎn)物，不需要昂貴的萃取劑，但氣提-發(fā)酵耦合工藝的性能受到發(fā)酵的操作方式、氣泡大小、載氣速率、消泡劑等眾多因素的影響［30］。氣提法的載氣有N2和丁醇發(fā)酵中自產(chǎn)的氣體（H2和CO2）。由于丁醇發(fā)酵是在嚴(yán)格的厭氧條件下進(jìn)行的，所以需要先通入不含O2的N2作為保護(hù)氣，直到發(fā)酵產(chǎn)生H2和CO2才關(guān)閉N2通道，操作方式變得繁瑣，不利于工藝的簡化［31］。氣泡直徑的大小會影響氣提的效率，氣泡越小，氣液傳質(zhì)面積越大。氣泡的尺寸會顯著地影響發(fā)酵罐中的質(zhì)量傳遞和混合動力學(xué)。Ezeji等［30］在對C．beijerinckii發(fā)酵的研究中，用小尺寸氣泡（＜0.5 mm）來進(jìn)行氣提，在反應(yīng)器里易產(chǎn)生大量氣泡，需要使用消泡劑，致使生產(chǎn)效率由0.47 g／（L·h）降至0.25 g／（L·h），這也證明消泡劑導(dǎo)致的氣泡變化對發(fā)酵有負(fù)面作用。氣提速率與氣體回收率速率成正比，但載氣速率的控制需要消耗額外的能量。

滲透汽化法是通過橡膠態(tài)聚合物制備的疏水性膜，選擇分離水中少量或微量有機(jī)溶劑，而營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞被截留，它具有選擇性好、清潔無污染、分離條件溫和等優(yōu)點。該技術(shù)與產(chǎn)溶劑發(fā)酵過程耦合，可解除產(chǎn)物抑制、提高發(fā)酵產(chǎn)率，同時實現(xiàn)對產(chǎn)物的濃縮，顯著降低后續(xù)能耗。此外，滲透汽化膜對細(xì)胞具有良好的生物相容性，可直接與發(fā)酵液接觸。Qureshi等［36］采用該耦合技術(shù)連續(xù)發(fā)酵90 h，發(fā)現(xiàn)對菌株無消極影響，Wu等［17］采用PDMS／陶瓷復(fù)合膜連續(xù)耦合發(fā)酵200 h，Chen等［18］采用PDMS膜連續(xù)耦合發(fā)酵300 h，均未發(fā)現(xiàn)分離膜對菌株產(chǎn)生不利影響。Qureshi等［48］將液液萃取法、膜萃取法、氣提法和滲透汽化法分別與ABE發(fā)酵過程耦合，比較了4種分離耦合技術(shù)對溶劑產(chǎn)率和生產(chǎn)效率的影響，他們指出：氣提法和滲透汽化法是與ABE發(fā)酵最有前景的耦合分離技術(shù)。

2.2 滲透汽化膜應(yīng)用于丁醇發(fā)酵耦合體系所面臨的挑戰(zhàn)

1）如何在反應(yīng)器-滲透汽化原位分離耦合系統(tǒng)中避免游離細(xì)胞對膜的污染。滲透汽化膜的分離性能通常采用兩個參數(shù)來衡量：分離因子和滲透通量。Qureshi等［48］發(fā)現(xiàn)：將PDMS膜與丁醇發(fā)酵直接耦合，與分離失活的丁醇發(fā)酵液相比［49］，該膜對丁醇的分離選擇性降低了65%，滲透通量減少31%，推測膜被含有活細(xì)胞的發(fā)酵液污染。Liu等［19］在原位分離耦合研究中發(fā)現(xiàn)，滲透汽化膜的通量降低了50%，對ABE的分離選擇性降低了24%，SEM觀察顯示膜表面附著了大量活細(xì)胞?？梢?，游離細(xì)胞在膜表面的積聚使?jié)B透汽化膜分離性能迅速下降，而丁醇移出速率的降低會造成丁醇的逐漸積累，在耦合后期出現(xiàn)產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，丁醇產(chǎn)生的抑制作用會誘發(fā)細(xì)胞自溶分解［50］，加劇膜污染。Fadeev等［40］指出ABE發(fā)酵液中極低濃度的硬脂酸鹽或軟脂酸鹽（0.5 mmol／L，由自溶的細(xì)胞膜釋放）即可造成PTMSP膜通量及分離選擇性損失10倍。

為了解決膜污染問題，Qureshi等［38］采用超濾預(yù)先將丁醇發(fā)酵液中細(xì)胞分離，可保持滲透汽化膜分離的穩(wěn)定性，但這類手段涉及不同膜系統(tǒng)之間處理能力的匹配。Wu等［17］對污染的滲透汽化膜采用離線清洗，雖然可恢復(fù)分離性能，將體系中的丁醇濃度控制在臨界濃度以下，但頻繁更換膜組件增加了操作難度，容易破壞體系的厭氧環(huán)境。因此，原位分離過程中保持滲透汽化膜分離選擇性與滲透通量的穩(wěn)定是實現(xiàn)高效合成丁醇的關(guān)鍵因素。

2）如何在反應(yīng)器-滲透汽化原位分離耦合系統(tǒng)中長期保持細(xì)胞的轉(zhuǎn)化活力。已有的研究發(fā)現(xiàn)：在滲透汽化膜原位分離耦合補(bǔ)料分批發(fā)酵過程中，截留細(xì)胞合成丁醇的速率逐漸降低，至第3批時，溶劑生產(chǎn)速率已降低23%，發(fā)酵周期顯著延長［38］。Ennis等［51］指出：生物合成丁醇過程中，菌體活力下降會導(dǎo)致細(xì)胞死亡和孢子形成，溶劑產(chǎn)量減少，使連續(xù)培養(yǎng)過程中丁醇生產(chǎn)效率下降。酸性環(huán)境可誘導(dǎo)產(chǎn)丁醇菌株將有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為溶劑（pH＜4.8）［3］，但發(fā)酵體系中未解離的丁酸會破壞細(xì)胞的pH跨膜梯度，抑制菌株的生長與代謝。當(dāng)未解離的丁酸質(zhì)量濃度為0.5 g／L時，即能完全抑制產(chǎn)丁醇菌株的生長［52］。Chen等［18］研究發(fā)現(xiàn)滲透汽化膜對有機(jī)酸截留率高，在長期耦合運行過程中，體系多維持在pH 4.5，此時66%的丁酸未發(fā)生解離，導(dǎo)致菌體衰亡，生產(chǎn)速率逐漸降低。而Chen等［47］發(fā)現(xiàn)固定化可明顯提高細(xì)胞對丁醇的耐受性。由此可見，保持原位分離耦合體系中細(xì)胞的轉(zhuǎn)化活力是實現(xiàn)生物丁醇高效連續(xù)制備的關(guān)鍵技術(shù)。

3 結(jié)論和展望

目前的研究表明，將原位分離技術(shù)用于發(fā)酵制備生物丁醇具有高效、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢，有利于降低其制備成本，但各種分離手段的分離選擇性與效率仍需進(jìn)一步提高，同時還存在耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。因此，在今后的研究中，不應(yīng)局限于單一分離技術(shù)與丁醇發(fā)酵過程的耦合，應(yīng)更加注重于分離技術(shù)的設(shè)計與過程的優(yōu)化和集成。在許多情況下，僅依賴于單一分離系統(tǒng)并非最佳的選擇，而要從產(chǎn)品工程的角度出發(fā)，將分離過程和體系的其他過程集成（如丁醇高抗逆性菌株的選育、發(fā)酵過程的調(diào)控、新型反應(yīng)器的應(yīng)用等），則可以充分發(fā)揮這些技術(shù)的優(yōu)勢，形成相關(guān)的控制策略，使ABE溶劑的生成與移出速率相匹配，并保持產(chǎn)物分離性能與細(xì)胞轉(zhuǎn)化活力的長期穩(wěn)定，實現(xiàn)生物丁醇的高效連續(xù)制備。

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Progress in separation technologies integrated w ith fermentation for bio?butanol recovery

ZHU Dawei1，2，WEIPing1，WU Hao1，SUN Mengru2，JIANGMin1

（1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211800，China；2.The Third Affiliated Hospital of Soochow University，Changzhou 213003，China）

Recent years，adsorption，gas stripping，liquid?liquid extraction，and pervaporation technologies had integrated with fermentation for butanol，ofwhich，pervaporation，as a promisingmembrane separation technology，had advantages of in?situ recovery of bio?butanol.In the integrated process，the inhibition of butanol on themicroorganism activity could be reduced by pervaporation，and butanolwas concentrated on permeates.The pervaporation technology for bio?butanol production was reviewed in detail membrane materials，integrated processes，the recent applications，and challenges were also disscussed.Finally the future trend in the field was prospected combined with achievements of our research team.

bio?butanol；fermentation；in situ recovery；pervaporation

TQ920.6

A

1672-3678（2013）06-0090-07

10.3969／j.issn.1672-3678.2013.06.019

2013-06-17

國家自然科學(xué)基金青年基金（21106067）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目（11KJA530001）；材料化學(xué)工程國家重點實驗室基金

朱大偉（1982—），女，江蘇連云港人，博士研究生，研究方向：生物化工；韋 萍（聯(lián)系人），教授，E?mail：weiping＠njut.edu.cn