Lanzatech-微生物发酵

1 LanzaTech 成立于 2005 年初 致力于开发能将钢铁行业废 气转换为成本最低的燃料乙醇的专有技术 并将其商业化 LanzaTech 已经将其工艺开发计划的范围拓展至包括其他工业废气 和气化产生的合成气 如今该公司拥有一个强大的国际技术团队以 及不断快速发展的专利组合 并且在将其工艺从试点转向商业规模 方面正取得快速进展 新西兰 LanzaTech 公司于 2010 年 8 月 24 日宣布 通过采用该 公司的气体发酵方法从废气生产出 2 3 丁二醇 2 3 BD 2 3 BD 是 用于制取聚合物 塑料和烃类燃料的关键构筑模快 LanzaTech 公 司 CEO Dr Jennifer Holmgren 表示 该公司是第一次验证这一平台 化学品可通过气体发酵来生产 2 3 BD 可从工业排放的废气源来生 产 LanzaTech 的微生物气体发酵工艺可潜在减少通过石油和重 要食品资源生产化学品 传统的聚合物和塑料生产方法要求一般通 过石油裂化或者食糖发酵来制作化学基础材料 但是 LanzaTech 的工艺使用非食物 低价值气体原料 包括钢铁厂 炼油厂和煤炭 厂等产生的工业废气 垃圾产生的合成气以及重整天然气 该工艺 可以通过出售高价值产品提供巨大的经济回报 同时限制工业温室 气体排放 这种以生物制造为特征的先进生产方式是国际上物质加工方式 的重要发展方向 是从源头上解决资源短缺与环境污染问题的新型 工业发展模式 对缓解目前的资源 能源及环境危机 推进节能减 排 提高制造业的可持续发展能力具有重要作用 2 微生物发酵利用 CO 作为能源和碳源代谢生成燃料和化学 品二十年前已有研究 能够利用 CO 代谢的细菌于 1903 年发现找到 其中产乙酸菌 Acetogenic bacteria 研究较多 它可以通过乙酰辅酶 A 把以 CO 或 CO2 H2 代谢合成乙醇 乙酸 和其他产物 原理 首先 CO 在水汽转移生物反应中通过 CO 脱氢酶被氧 化为 CO2 最后合成的能量被作为铁氧化还原蛋白捕获 Additional reducing equivalents 还原当量 can also be created from hydrogen via a hydrogenase 氢化酶 然后 CO2 与甲基结合 通过具有双功 能酶的 CO 脱氢酶或乙酰辅酶 A 合成酶与另一个 CO 分子结合生成 乙酰辅酶 A 微生物发酵利用 CO CO2 和 H2 产生有机酸和醇主要 通过乙酰辅酶 A 途径完成的 也就是 Wood Ljungdahl 途径 以纪念 Harland G Wood 和 Lars G Ljungdahl 两位科学家在阐明该途径上所 做的贡献 该途径包含两个分支 甲基分支和羰基分支 由这两个分支得到 的甲基和羰基在酶的催化下与辅酶 结合 生成重要的中间产物乙 酰辅酶 再由乙酰辅酶 进一步转化为有机酸和醇 乙酰辅 酶 可直接转化为乙酸和乙醇 丁酸和丁醇则产生自丁酰辅酶 从合成气 CO CO2 和 H2 到有机酸和醇 反应过程中 CO 脱 氢酶是一个非常关键的酶 它是一个双功能酶 既能催化 CO 氧化 成 CO2 的可逆反应 又能催化甲基 CO 和辅酶 A 生成乙酰辅酶 微生物发酵过程中虽然 CO 作为微生物生长和生成代谢产物 的唯一碳源和能量 但是同样也需要其他营养元素 比较有名的硫 磺 铁 镍和锌盐等 对于涉及 CO 固化和乙醇或乙酸综合体的金 属酶是必不可少的 其他如铜 钨 钼 锰被认为是对细菌有益的 金属离子 仅需痕量就可 对于有些产乙酸菌因缺少某些维生素 B 也被发现为营养缺陷型 最佳试验条件可以成功改善乙醇产量 特 别是一定的磷酸盐 钴和一定量的维生素 B 最佳镍浓度都可以增 加乙醇生产 减少副产品乙酸生成 众所周知 PH 值也是影响微生 物发酵代谢产物的因素之一 3 合成气发酵是一个多相的反应过程 包括气体底物 培 养液和微生物细胞等气 液 固三相 由于 CO 和 2 在水中的 溶解度低 因此在发酵反应中应获得较高的体积传质速率 KLa 不 同的发酵反应器可以通过传质能力提供可靠的参数来提高 KLa 对 传质节能的高要求促进了生物反应器系统的创新 比如 微泡生成 器 固定化中空纤维膜等 和提高传质效率一样 要实现工艺工程的经济化 1 气体预 处理最小化 保证气体可以溶解以供微生物消耗 而且是在大型反 应池中 而不仅仅是在示范厂的小型反应池中 2 废水回用 3 减 少代谢产物分离提取成本 开发有效的 成本较低的分离纯化技术 4 生物反应器传质的混合性和均质性也需要考虑 LanzaTech 为利用粮食资源生产乙醇的技术提供一种具有战略 意义的重要替代技术 并通过综合利用钢厂尾气降低碳排放 既响 应中国新能源政策 又符合节能减排的国家战略 4 总部在伊利诺斯州莱尔市 Lisle 的 Ineos Bio 英力 士生物 公司 和总部设在沃沦维尔 Warrenville 的 Coskata 克斯卡塔 和 LanzaTech 公司 都使用细菌制造燃料或化 学物质 而且都是从一氧化碳和氢的混合物来制造 Coskata 公司一个倍受瞩目的合成气制高级醇工艺是正由美国 Coskata 公司开发 Coskata 公司的主要支持者有两个 一个是通用 汽车公司 另一个是硅晶片大企业家 Vinod Khosia 在美国引起了 业界裉大的关注 Coskata 工艺并不是一个纯合成气制乙醇化学工艺 事实上它是 一个复合工艺 在前端采用气化工艺 在后端采用有机微生物将合 成气转化为乙醇 气化工艺允许使用不同的原料 Coskata 公司将该 工艺的目标定位于处理市政垃圾 农森废料 甚至蔗糖加工废料 公司希望能够以 50 美元 公吨的价格采购原料 生产出 100 加仑乙 醇 该公司宣称 其有机微生物对乙醇的针对选择性远远高于任何 化学催化系统 也不需要对合成气进行变换以达到期望的碳氢比 Coskata 公司还宣称 他们的有机微生物具有极强的耐硫等毒害物的 能力 因此 合成气只需稍稍清洗一下就行了 作为微生物工艺 一般都工作在较低的温度下 所以就节省了工艺加热所需的燃料费 用 反应产物出合成工序后 用一个膜分离装置将乙醇分离出 其 它的液体返回反应器 直到目前 该工艺仍然只停留在实验室阶段 然而 2009 年 10 月 在宾州 Madison 建立了一套中试装置 该装置每年可生产 40000 加仑 115t 乙醇 投资约 2500 万美元 Coskata 公司计划到 2012 年将其产能扩大至 15 30 万 t a 项目投资约 3 4 亿美元 目前 正在与各个合作方协商之中 Ineos 公司是世界上最大的化学公司之一 Ineos 去年 6 月专门 建立了一个 INEOS Bio 部以对生物质制乙醇工艺进行工业化研发 和 Coskata 公司一样 INEOS Bio 的工艺也是一个气化与生物合成 的复合装置 但与 Coskata 公司不一样的是 INEOSBio 工艺采用常 规的高温吹氧气化装置 生成的合成气经热交换器冷却后进人生物 反应器 用发酵工艺选择性地生产乙醇 回收的热量用于发电或该 工艺的其它工序 INEOS 公司期望其工业化装置能在 2011 年运行 项目地点在 伊利诺斯州的 Schneider 投资约 2 85 亿美元 每天处理 1 万 t 垃 圾 年产乙醇 51 5 万 t LanzaTech 兰扎技术 公司是极少数美国以外的开发乙醇工艺 的公司 该公司位于新西兰 其目标是将钢铁厂含 CO 的废气经发酵 工艺生产乙醇 该公司已经在奥克兰附近建立了一个中试工厂 它使用特定生物 它天生就可以用一氧化碳生产乙醇 该公司 对这种生物进行了改良 从而以 商业利率 生产燃料 这种微生 物也可以靠一氧化碳和氢的混合气体生存 这种混合气体称为合成 气 LanzaTech 公司最近也宣布 它也改造了一种微生物 可以生 产 2 3 丁二醇 butanediol 这是一种化学前体 可用于制备 甲基乙基酮 MEK methyl ethyl ketone 溶剂 这种溶剂可用于 写字板马克笔和生产塑料和纺织品 这同一种化学物质可以产生丁 烷 butanes 和丁二烯 butadiene 它们随后可以用来制造各 种塑料和碳氢燃料 5 新西兰 LanzaTech 公司于 2010 年 11 月 17 日宣布 与美国 西北太平洋国家实验室 PNNL 签约合作研发合同 将采用 LanzaTech 公司合成气衍生的 2 3 丁二醇 2 3 BDO 作为喷气燃料 的替代 该项目将得到美国能源部和 LanzaTech 公司给予投资的支 持 新西兰 LanzaTech 已经与全球最大的钢铁生产商之一韩国浦 项制铁公司 Posco 签署了谅解备忘录 涉及利用 LanzaTech 的气 体发酵技术来将浦项制铁公司的烟气转化为乙醇和其他增值产品 浦项制铁公司是韩国一家企业集团 涉足于钢铁 电力 能源 工程和建筑领域 2010 年粗钢产量为 3370 万吨 2010 年 6 月新西兰清洁技术公司 LanzaTech 与中国最具竞争力