Развитие технологий производства бутанола I поколения

6.1. Environmental Energy

Ферментация АБЭ с помощью бактерий Clostridium acetobutylicum – один из первых процессов, примененных для промышленной ферментации бутанола. На основе использования упомянутых анаэробных микроорганизмов впервые в мире была создана такая отрасль, как микробиологическое производство. Однако до получения штамма под названием Clostridium beijerinkii и создания новой технологии компанией Environmental Energy, ферментация была сложным и трудноуправляемым процессом.

При типичной ферментации АБЭ вначале бактерии Clostridium acetobutylicum производят масляную, пропионовую, молочную и уксусную кислоты (стадия производства кислоты), затем водородный показатель культуры снижается и таким образом инициируется метаболический сдвиг к стадии производства растворителя, в результате чего получается бутанол, ацетон, изопропанол и этанол.

Сдвиг инициируется повышением концентрации масляной кислоты более 2 г/л и снижением водородного показателя менее 5. При использовании обычной АБЭ ферментации выход бутанола из глюкозы низок: примерно 15% и редко превышает 25% (1,3 галлона на бушель). Производство бутанола ограничивается тем, что при концентрации в 1,0–2,0% бутанол существенно блокирует рост клетки и может вызвать прекращение ферментации. Поэтому концентрация бутанола при обычном АБЭ процессе обычно не превышает 1,3%. Все попытки, предпринятые за последние 20 с лишним лет, позволили в лучшем случае получить бутанол с концентрацией менее 2,0%, при производительности 4,46 г/л/ч и выходе бутанола менее чем 25% от веса глюкозы.

В начале 21 века Hans Blaschek, профессор пищевой микробиологии Университета штата Иллинойс, получил новый штамм бактерии Clostridium. В 2004 году Clostridium beijerinkii был выбран Министерством энергетики США для генного картирования. Работа проводилась в Объединенном институте геномов в Калифорнии. В апреле 2006 года на конференции в Университете штата Иллинойс, посвященной биоэнергии, профессор Hans Blaschek выступил с сообщением о существенном прогрессе в своей разработке технологии производства бутанола.

Используя запатентованный им генетически измененный микроорганизм Clostridium beijerinkii, он успешно преобразовал кукурузу в бутанол. Для инициации процесса ферментации профессор использовал полученную им карту генома микроорганизма. В дальнейшем, используя результаты анализа генома, он планирует вывести второе, еще более эффективное поколение микроорганизма Clostridium beijerinkii.

Кроме того, профессор Hans Blaschek разработал основы технологии получения бутанола путем извлечения из газа. При этом бутанол будет недорогим и без загрязнений, возможных при использовании технологий, основанных на применении мембран.

В планах ученого – масштабировать ферментационный процесс получения бутанола с помощью существующего штамма Clostridium beijerinkii, подобрать эффективное зерновое сырье и тип зерновых волокон для производства бутанола, а также создать второе поколение микроорганизмов.

Чуть позже, объединив в процессе два очередных, новых штамма бактерий и предъявив ряд инженерных решений, компания Environmental Energy заявила о создании полноценной технологии получения биобутанола. Компании был выдан патент США №5 753 474 «Непрерывный двухступенчатый анаэробный ферментационный процесс получения бутанола и других органических растворителей с использованием двух различных штаммов бактерий». Патент описывает технологию, которая позволяет надеяться на полу-чение эффективного и экономически рентабельного бутанола. Использование компанией сдвоенных био-реакторов с иммобилизованными клетками непрерывного действия увеличивает выход бутанола до 2,5 галлона на бушель зерна плюс дополнительных 0,6 фунта водорода в качестве побочного продукта.

Первоначально разработка была осуществлена на средства федерального гранта, выделенного Министерством энергетики США в рамках программы развития малого бизнеса, и в сотрудничестве с доктором S.T. Yang из университета штата Огайо, который предоставил компании для этих целей запатентованный им биореактор.

Оптимизация процесса АБЭ ферментации и получение бутанола посредством масляной кислоты, преобразованной из углеводов, позволило существенно увеличить выход, объемную производительность и концентрацию бутанола. Использование компанией Environmental Energy иммобилизированных культур Clostridium tyrobutyricum и Clostridium acetobutylicum позволяет получить оптимальную производительность бутанола 4,64 г/л/ч и выход 42% от веса глюкозы, или 2,5 галлонов на бушель зерна (35 фунтов крахмала/лактозы/ сахара).

По сравнению с обычным АБЭ процессом, технология компании Environmental Energy устраняет производство нежелательных продуктов, включая уксусную, молочную, пропионовую кислоты, ацетон, изо-пропанол и этанол, таким образом, сохраняя углерод и производя только углекислый газ, водород, масляную кислоту и бутанол. Этот процесс удваивает выход бутанола с 1,3 галлонов до 2,5 галлонов на бушель зерна.

Кроме того, новая технология связана с производством побочного водорода, который также является альтернативным топливом. Принимая во внимание попутное производство водорода, новая технология позволяет получить из бушеля зерна на 42% больше энергии, чем производится в ходе обычного получения этанола – 25% этой разницы дает бутанол и 18% – водород. Важно понимать, что даже в отсутствие технической базы для применения водорода в качестве альтернативного источника энергии – он является ценным химическим продуктом, востребованным во многих подотраслях химической промышленности.

Компанией Environmental Energy на территории США создана экспериментальная установка по про-изводству биобутанола, на которой, по заявлениям специалистов компании, биобутанол можно произво-дить из всего, что растет на земном шаре. Сначала компания Environmental Energy намерена наладить про-изводство биобутанола для рынка растворителей, а в дальнейшем продавать его как альтернативное топ-ливо.