利用生物质资源生产丁醇的研究进展
上海华谊丙烯酸有限公司 张猛 张春雷
丁醇是重要的化工原料，大量用于生产邻苯二甲酸二丁酯、丙烯酸丁酯或甲基丙烯酸丁酯等。国内主要生产企
业有大庆石化、吉林石化、北京东方化工四厂等，近两年产能没有明显增加，市场供应缺口比较大。传统的丁醇生
产方法主要是以石化品丙烯为原料的丙烯羰基合成法。近年来随着石油资源的日益枯竭，丙烯原料价格大幅上扬，
以生物质为原料生产丁醇的发酵法工艺受到了全球的广泛关注。
一、概述
丙酮丁醇梭菌可以利用糖或淀粉作为原料发酵生产丁醇、丙酮和乙醇，产物通常比例为6:2:1，工业上称之为
总溶剂。该过程在厌氧条件下进行，产生CO2和H2等副产物，发酵过程中还有丁酸、乙酸等有机酸生成。由于代谢
过程复杂、副产物多，生产效率低于其他一些工业发酵过程（如乙醇、乳酸等）。图1为丁醇/丙酮发酵的生物代谢
途径示意图。
根据细菌的代谢途径，从葡萄糖到总溶剂的理论质量生产率为35%，目前实际最高水平在30%左右，由于细菌自
身生长及代谢的限制，再提升的空间不大，粮食消耗量难以降低。目前约4t粮食生产1t总溶剂，生产过程中粮食
单耗高于生物乳酸（2～3t）和生物乙醇（3t），且单位体积产率（20g/L左右）也远低于乳酸和乙醇的水平（均超
过100g/L），因此分离纯化和废水处理的成本也较高。而且丁醇对于丁醇生产菌有较大的毒性，生产菌株对丁醇的
耐受力有限，因此难以直接提高其单位体积产率。目前主要采取以下两种方式来进行改进：一是通过菌株的筛选来
选取丁醇耐受能力强的工程菌株；二是通过耦合发酵将丁醇产物不断移出反应体系以提高平衡浓度。
从近些年来对丁醇发酵的研究情况来看，主要方向有以下几种：①提高丁醇单位体积产量，主要是通过提高细
菌耐受力和采用萃取手段将丁醇移出反应器；②提高丁醇在产物中的比例；③简化工艺流程，提高反应器利用效率；
④利用低成本的原料如糖蜜、秸秆等。
二、国内外研究进展
国内一些研究单位对总溶剂的发酵生产开展了大量研究工作。北京化工大学的发酵产量达到约20g/L，且已经
用于实际生产。也有的研究者称开发出不产生乙醇，只生产丁醇/丙酮的菌株，丁醇产量可占总溶剂的70%。浙江大
学杨立荣等用油醇作萃取剂，对游离细胞间歇萃取发酵过程进行了研究，最终有机相中积累的丁醇浓度达到
40.86g/L，并对发酵过程建立了动力学模型。县永平进行丁醇丙酮梭菌固定化细胞发酵的研究，体积产率与游离细
胞培养相当，并且细胞可使用1000h，工艺大大简化。张益桑等筛选了高丁醇比丙酮丁醇梭菌菌株，产物中丁醇比
例达到70%，并在一些企业进行了生产，大大提高了经济效益。马光庭等开发了成本更低的丁醇发酵原料，他们采
用工业废料糖蜜为原料，对丁醇发酵进行了研究，总溶剂单位体积产量可达18g/L。王燕飞等以木薯为原料进行了
总溶剂的发酵，采用酸碱浸泡的方法大大降低了木薯原料的毒性，充分利用了广西地区的原料优势。毛贵震等开发
了同步培养技术，提高了高温细菌培养的效率，该高温细菌可将石蜡油转化为乙醇、异丙醇和丁醇，浓度分别为
3.95%、4.15%和8.7%，石蜡油转化率可达97.9%。孙志浩采用了多孔陶磁环吸附固定化细胞进行发酵，产量与悬浮
游离培养相当，可反复使用10次，省去接种步骤，大大简化了生产工艺。
美国及日本的一些科研单位对发酵法生产丁醇进行了长期的研究。Qureshi等人以小麦秸秆水解产物为原料，
采用Beijerinckii P260 和P262梭菌进行了批式发酵，比传统产量高了16%，产率达到0.36g/(L·h)，体积产率
达到17.7g/L；Qureshi等还通过添加乳糖来提高丁醇收率，并采用批式发酵以降低丁醇对细胞的毒性。Ezeji和
Qureshi合作进行了C.beijerinckii BA101的连续生物反应器发酵研究，在发酵时间228h、稀释率0.03h-1的条件
下，最终总溶剂浓度达到14.28g/L。日本九州大学Shintoa等人建立了丙酮丁醇发酵的动力学模型，发现丁酸盐对
该发酵过程有促进作用。Shintoa和Tashiro等合作进行了循环反应器的研究，把反应器中的细胞浓度从20g/L提
高到100g/L，大大提高了反应器的利用效率。
三、产业化情况
我国曾经有多套生物发酵丁醇装置，但随着粮食的涨价和石化法的竞争，这些装置大多停产，目前仅有华北制
药等几家企业坚持生产，产品主要用作制药行业的溶剂或原料，部分出口。而国外的一些发酵装置早在20世纪60
年代就已经关闭。
近些年国内外对于生物丁醇产业的关注开始升温。国内天冠集团和中科院开展了丁醇发酵方面的合作，拟利用
天冠在生物发酵方面的优势来发展生物丁醇；中科院微生物研究所与华北制药合作建设3000t/a的生物丁醇试验生
产装置；北京化工大学开发了生物丁醇新工艺并在华北制药进行了中试试验。在国外，杜邦和BP公司签订了合作开
发丁醇燃料的协议，拟在英国建立一座3万t/a的生物丁醇生产装置，并与国内企业华北制药达成了生物丁醇供应
协议。
四、发展前景
从国内外研究进展及产业发展情况来看，生物法生产丁醇的研究主要集中在以下几个方面。
1．生产技术方面，高产、高耐受力的丁醇生产工程菌株的构建和萃取发酵工艺的开发，有利于提高丁醇生产效
率和降低能耗。
2．原料来源和利用方面，积极开发利用新的原料来源，如废糖蜜、植物秸秆、木薯等，有利于解决我国生物产
业原料成本过高和粮食供应不足的问题，并通过配合其他副产物的综合利用，进一步降低成本。
我国作为传统生物丁醇发酵的生产大国，有大量的生物发酵丁醇装置，在规模和工艺上居世界领先地位，因此
利用现有的资源加快我国生物丁醇的开发，前景十分广阔。