Integration of chemical catalysis with extractive fermentation to produce fuels
- 作者
- Pazhamalai Anbarasan, Zachary C. Baer, Sanil Sreekumar, Elad Gross, Joseph B. Binder, Harvey W. Blanch, Douglas S. Clark, F. Dean Toste
- 杂志
- Nature（2012）
- DOI
- 10.1038/nature11594
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
ABE发酵产物（丙酮、丁醇、乙醇）碳链短，难以直接用作汽油、航空煤油和柴油，且传统生物法生产高碳燃料收率低。
研究策略
将溶剂发酵（ABE发酵）与过渡金属催化烷基化反应整合，利用丙酮的α-碳亲核性与醇的α-碳亲电性进行C-C偶联，并通过甘油三丁酸酯原位萃取实现发酵与催化过程的衔接。
核心内容
该研究将丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵与过渡金属催化的烷基化反应直接整合，以克服生物法生产高碳液体燃料收率低的瓶颈。研究采用Clostridium acetobutylicum进行溶剂发酵，利用甘油三丁酸酯原位萃取同步回收丙酮和丁醇，该萃取剂对发酵菌无毒且能去除抑制剂，对丙酮和丁醇的分配系数分别达1.1和2.6；随后以Pd/C为催化剂、K3PO4为固体碱，在145℃下将萃取所得溶剂中的丙酮与醇类进行C-C偶联。通过调节碱量可调控产物分布：1.28当量碱时总酮产物摩尔收率达86%，而0.32当量碱时主要生成C5-C7汽油组分。在2升发酵中，60小时从105g葡萄糖产出40.8g溶剂，ABE总重量收率达理论最大值的90%；蒸馏后溶剂反应活性与纯化学品相当，丙酮转化率93-97%。该策略实现了糖类到汽油、航空煤油和柴油调合组分的高效转化，总体碳收率接近理论最大值，为生物质液体燃料生产提供了经济可行的技术路径。
创新点
首次实现ABE发酵与钯催化烷基化的直接整合；利用甘油三丁酸酯作为高选择性萃取剂同时回收丙酮和丁醇，且对发酵菌无毒并可去除抑制剂；通过调节碱量实现产物分布可调，分别得到汽油或航空煤油/柴油前体；总体碳收率接近理论最大值。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum ATCC824 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 产丙酮、丁醇和乙醇，摩尔比2.3:3.7:1 |
| — | 丙酮烷基化反应 | — | — | 催化 | Pd/C催化剂，K3PO4为碱，将丙酮与醇偶联生成C5-C11酮 |
| — | ABE产物萃取 | — | — | 转运 | 甘油三丁酸酯作为水不溶性萃取剂，Kd丙酮=1.1，丁醇=2.6 |
关键发现
- 以Pd/C为催化剂、K3PO4为固体碱，在145℃和1.28当量碱条件下，以丙酮为限制试剂的总酮产物摩尔收率达86%
- 降低碱至0.32当量时，主要生成戊-2-酮（11%）和庚-2-酮（38%）等C5-C7汽油组分
- 催化剂在补料和流动条件下可保持活性，无溶剂时转化数超过3000
- 甘油三丁酸酯对丙酮和丁醇的分配系数分别为Kd=1.1和2.6，乙醇为0.2
- 2升发酵（60小时）从105g葡萄糖和1.6g乙酸酯中共产出40.8g溶剂（含16.4g丁醇、3.7g丙酮、0.8g乙醇），ABE总重量收率达理论最大值的90%
- 蒸馏后的溶剂反应活性与纯化学品相当，丙酮转化率93-97%
- 假定完全回收，C7-C15产物约20g，占葡萄糖碳的38%，若计入C4-C6产物则碳收率升至约58%。
研究结论
通过原位萃取发酵与化学催化整合，可高效地将糖类转化为接近理论收率的汽油、航空煤油和柴油调合组分，为生物质制取液体燃料提供了经济可行的新途径。