新型能源生物丁醇

1、丁醇的簡(jiǎn)介及用途丁醇的簡(jiǎn)介及用途1丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀丁醇研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀2丁醇代謝途徑改造丁醇代謝途徑改造3展望展望4正丁醇正丁醇正丁醇（正丁醇（n-butanol），），為無(wú)色液體，有特殊氣為無(wú)色液體，有特殊氣味，分子式為味，分子式為C4H9OH，具有一定的危險(xiǎn)性。具有一定的危險(xiǎn)性。熱值熱值Btu/gallon 汽油汽油 丁醇丁醇 乙醇乙醇 甲醇甲醇 114,000110,00084,00064,000熱值比乙醇熱值比乙醇高高，抗爆性好，抗爆性好親水性親水性弱弱，腐蝕性，腐蝕性小小，便，便于管道輸送于管道輸送 能與汽油能與汽油任意比任意比混合混合在塑料工業(yè)和食品行業(yè)中在塑料工業(yè)和食品行業(yè)中應(yīng)用

2、極廣應(yīng)用極廣汽油汽油 丁醇丁醇 乙醇乙醇 甲醇甲醇 辛烷值辛烷值Octane96949291項(xiàng)目項(xiàng)目乙醇乙醇1-1-丁醇丁醇汽油汽油密度密度/(g/cm)/(g/cm)0.7940.7940.8140.8140.7200.7200.7750.775熱量熱量/(MJ/L)/(MJ/L)21.121.121.721.7 26.926.927.027.032.232.232.932.9(O(O),%),%34.734.721.621.62.72.7酯化、取代、消去、氧化、還原酯化、取代、消去、氧化、還原丁醛、丁酸丁醛、丁酸丙烯酸丁酯丙烯酸丁酯(溶劑溶劑)鄰苯二甲酸二丁酯鄰苯二甲酸二丁酯脂肪族二元酸二

3、丁酯脂肪族二元酸二丁酯(增塑劑增塑劑)丁二烯丁二烯醋酸丁酯醋酸丁酯(溶劑溶劑) 丁胺丁胺 丁醇丁醇聚丁二烯橡膠聚丁二烯橡膠丁苯橡膠丁苯橡膠2012年我國(guó)消費(fèi)量年我國(guó)消費(fèi)量約為約為277萬(wàn)噸萬(wàn)噸/年年 沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)2013年年6月月23日宣布：沙特丁醇公司日宣布：沙特丁醇公司(SaBuCo)將建設(shè)世界上將建設(shè)世界上最大的正丁醇廠；建設(shè)產(chǎn)能包括正丁醇最大的正丁醇廠；建設(shè)產(chǎn)能包括正丁醇 33萬(wàn)噸萬(wàn)噸/年和異丁醇年和異丁醇1.1萬(wàn)噸萬(wàn)噸/年的裝置，計(jì)劃于年的裝置，計(jì)劃于2015年投年投產(chǎn)。產(chǎn)。 2005年美國(guó)能源部進(jìn)行了一項(xiàng)以丁醇作為汽車唯一燃料的試驗(yàn)，穿越10個(gè)州，

4、歷時(shí)1個(gè)月，行程16 000多公里。在10個(gè)州的測(cè)定結(jié)果表明，1 L丁醇完全可以替代1 L汽油。 ABE發(fā)酵發(fā)酵(丙酮丙酮:丁醇丁醇:乙醇乙醇=3:6:1)：曾是全球：曾是全球第二大第二大發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工業(yè)我國(guó)始于我國(guó)始于1956年，年，80年代初年代初50余家，余家，1996年最后一年最后一家家(華北制藥華北制藥)停產(chǎn)。停產(chǎn)。 主要生產(chǎn)菌株主要生產(chǎn)菌株丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等丙酮丁醇梭菌、拜氏梭菌等5個(gè)種個(gè)種遺傳操作系統(tǒng)已經(jīng)基本建立遺傳操作系統(tǒng)已經(jīng)基本建立 菌種方面：菌種方面：拓寬底物譜，提高對(duì)廉價(jià)底物的利用能力，拓寬底物譜，提高對(duì)廉價(jià)底物的利用能力，提高丙酮丁醇轉(zhuǎn)化率，提高溶劑耐受能力提高丙

5、酮丁醇轉(zhuǎn)化率，提高溶劑耐受能力2 pyruvateglucose2 acetyl-CoAAcetyl-PpflB2ATP,2NADHacetateATPptaacetaldehydeNADHNADHethanolthlacetoacetyl-CoAacetoacetateacetoneadcctfABNADH3-hydroxybutyryl-CoAhbdcrtcrotonyl-CoAbcdNADHbutytyl-CoAbutyryl-PbutyrateptbbukATPbutyraldehydebutanolNADHNADHadhE/adhE2adhE/adhE2adhE/adhE2adhE/

6、adhE2glucoselactateacetyl-CoACO2H2ethanolAcetic acidacetoacetyl-CoAacetonebutytyl-CoAbutyratebutanol pyruvateEMPldhadhEadhEadcbuk主產(chǎn)物途主產(chǎn)物途徑徑副產(chǎn)物途副產(chǎn)物途徑徑XXRaw materialptbctfABhbdcrtbcdpflBCO2 ?；D(zhuǎn)移酶和乙酰乙酸脫羧酶，酰基轉(zhuǎn)移酶和乙酰乙酸脫羧酶，分別由分別由ctfAB 基因基因和和adc 基因基因編碼。編碼。其中敲除其中敲除ctfA 基因的菌株喪失了丙基因的菌株喪失了丙酮生成能力，但同時(shí)丁醇和乙醇的酮生成能力，

7、但同時(shí)丁醇和乙醇的生成能力亦有明顯下降生成能力亦有明顯下降; 將酸產(chǎn)生途徑中的將酸產(chǎn)生途徑中的pta 基因基因和和buk 基因基因進(jìn)行雙敲除，阻斷丙酮生物合成進(jìn)行雙敲除，阻斷丙酮生物合成途徑。這是迄今為止通過(guò)代謝工程手途徑。這是迄今為止通過(guò)代謝工程手段獲得的丁醇產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率最高（分段獲得的丁醇產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率最高（分別為別為18. 9 g /L和和31. 2%）的丙酮丁醇）的丙酮丁醇梭菌突變體。梭菌突變體。 敲除指導(dǎo)合成乙醇脫氫酶的敲除指導(dǎo)合成乙醇脫氫酶的AdhE基因基因，可有效阻斷副產(chǎn)物，可有效阻斷副產(chǎn)物乙醇的產(chǎn)生。乙醇的產(chǎn)生。 pta 基因基因和和ack 基因基因是生產(chǎn)乙酸的是生產(chǎn)乙酸的2 個(gè)

8、必須基因。實(shí)驗(yàn)表明：個(gè)必須基因。實(shí)驗(yàn)表明：pta 基因突基因突變體的丁醇生產(chǎn)能力沒(méi)有明顯變化；變體的丁醇生產(chǎn)能力沒(méi)有明顯變化；而用而用II 型內(nèi)含子型內(nèi)含子的方法插入失活了的的方法插入失活了的pta 基因，基因，pta 基因突變體的丁醇生產(chǎn)基因突變體的丁醇生產(chǎn)能力卻提高了能力卻提高了46%。ack 基因突變體基因突變體的丁醇產(chǎn)量提高了的丁醇產(chǎn)量提高了16%。 丙酮丁醇梭菌是一丙酮丁醇梭菌是一種嚴(yán)格厭氧發(fā)酵的菌株，種嚴(yán)格厭氧發(fā)酵的菌株，控制菌株氧氣耐受性的控制菌株氧氣耐受性的基因主要是基因主要是perR 基因基因。研究人員發(fā)現(xiàn)敲除研究人員發(fā)現(xiàn)敲除perR 基因可以在很大程度上基因可以在很大程度上

9、提高丙酮丁醇梭菌的氧提高丙酮丁醇梭菌的氧氣耐受性，并且提高了氣耐受性，并且提高了菌株對(duì)氧氣的消耗速率。菌株對(duì)氧氣的消耗速率。提高菌種提高菌種耐受性耐受性葡萄糖葡萄糖乙酰輔酶乙酰輔酶A乙酰乙酰乙酰乙酰輔酶輔酶A丁酰丁酰輔酶輔酶A丙酮酸丙酮酸丁醇丁醇玉米淀粉玉米淀粉丁醇和丙酮的產(chǎn)量丁醇和丙酮的產(chǎn)量大幅下降大幅下降丁醇產(chǎn)量會(huì)有所丁醇產(chǎn)量會(huì)有所提高，但也會(huì)加提高，但也會(huì)加快孢子形成快孢子形成 在丙酮丁醇梭菌的發(fā)酵過(guò)程中，部分菌體會(huì)在丙酮丁醇梭菌的發(fā)酵過(guò)程中，部分菌體會(huì)形成孢子，菌濃下降，對(duì)溶劑生產(chǎn)不利。形成孢子，菌濃下降，對(duì)溶劑生產(chǎn)不利。SpoOA 基因有控制孢子形成和調(diào)控溶劑基因表達(dá)的作用?；蛴锌?/p>

10、制孢子形成和調(diào)控溶劑基因表達(dá)的作用。SpoOA 基因基因 敲除敲除過(guò)表達(dá)過(guò)表達(dá)尋找平衡尋找平衡點(diǎn)，使丁點(diǎn)，使丁醇產(chǎn)量盡醇產(chǎn)量盡可能提高可能提高。 adhE /adhE2是控制丁醇合成的丁是控制丁醇合成的丁醇脫氫酶，醇脫氫酶，aad 基因基因是控制丁醇脫氫酶是控制丁醇脫氫酶合成的基因，合成的基因，過(guò)表達(dá)過(guò)表達(dá)aad 基因可以有效基因可以有效提高丁醇產(chǎn)量。提高丁醇產(chǎn)量。過(guò)表達(dá)過(guò)表達(dá)thl 基因可以促進(jìn)基因可以促進(jìn)乙酰乙酰-CoA 更多轉(zhuǎn)化為丁酰更多轉(zhuǎn)化為丁酰-CoA，也能，也能有效地提高丁醇得率。有效地提高丁醇得率。敲除競(jìng)爭(zhēng)基因敲除競(jìng)爭(zhēng)基因大腸桿菌大腸桿菌成成功功表表達(dá)達(dá)可產(chǎn)生可產(chǎn)生 來(lái)自齒垢密螺

11、旋體的( Treponema denticola) 的Ter基因催化糠醛輔酶A 到丁酰輔酶A 的Bcd /EtfAB 蛋白復(fù)合體增強(qiáng)丁醇增強(qiáng)丁醇代謝流代謝流同時(shí)表達(dá)了大腸桿菌自身的硫解酶基因phaA 和丙酮酸脫氫酶復(fù)合體aceEF-lpd操縱子。 將增強(qiáng)將增強(qiáng)NADHNADH和和乙酰輔酶乙酰輔酶A A的的供給作為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力引入大腸桿供給作為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力引入大腸桿菌，以增強(qiáng)丁醇代謝流菌，以增強(qiáng)丁醇代謝流。 在大腸桿菌中表達(dá)在大腸桿菌中表達(dá)甲酸脫氫酶甲酸脫氫酶，催化丙，催化丙酮酸甲酸裂解酶生成甲酸的同時(shí)，形成還原酮酸甲酸裂解酶生成甲酸的同時(shí)，形成還原力力NADH，并敲除菌體自身消耗還原力的途，并敲除

12、菌體自身消耗還原力的途徑：琥珀酸生成途徑、乳酸生成途徑和乙醇徑：琥珀酸生成途徑、乳酸生成途徑和乙醇生成途徑生成途徑( adhE、ldhA、frdBC) 。 代謝工程應(yīng)用于丁醇發(fā)酵的目標(biāo)就是要得到一種高耐受性、高濃度、長(zhǎng)周期和高丁醇產(chǎn)率和選擇性的菌株。盡管目前丙酮丁醇基因工程菌的生產(chǎn)能力還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，但隨著基因工程和代謝工程的不斷發(fā)展和成熟,基因工程菌將在生物法生產(chǎn)丙酮丁醇的工業(yè)化生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。相信在不久的將來(lái)，利用基因工程菌以可再生資源為原料生產(chǎn)丙酮、丁醇必將向傳統(tǒng)的化學(xué)法提出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，成為運(yùn)用生物技術(shù)生產(chǎn)重要化工原料的重要途徑之一。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 Yan-Ning Z

13、heng ,Liang-Zhi Li .etc Problems with the microbial production of butanol J. J Ind Microbiol Biotechnol,2009, 36:11271138.2宋錦玉宋錦玉. 新一代的生物燃料新一代的生物燃料丁醇的開(kāi)發(fā)動(dòng)向丁醇的開(kāi)發(fā)動(dòng)向J. 當(dāng)代當(dāng)代化工化工, 2011, 40(6): 631-6333閆永亮閆永亮, 劉宏娟劉宏娟, 張建安張建安. 代謝工程在生物丁醇生產(chǎn)中的應(yīng)代謝工程在生物丁醇生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展用及研究進(jìn)展J. 現(xiàn)代化工現(xiàn)代化工, 2012, 32(4): 25-294韓偉韓偉, 張全孫張全孫, 佟明友佟明友, 關(guān)浩關(guān)浩, 姚秀清姚秀清. 對(duì)新一代生物燃料丁對(duì)新一代生物燃料丁醇的概述醇的概述J. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013,