当Argonne生化工程师Seth Snyder在芝加哥郊区驾驶玉米田时，他看到潜力减少美国对外国石油的依赖，同时受益于农村经济。Snyder和他的同事在阿尔冈的能源系统（ES）部门是与Agribusiness Giant Archer Daniels Midland Co.（Adm），Decatur，Ill的合作伙伴。在合作的研发协议中，开发一种将玉米糖变成有价值的化学品的技术。 用于制造塑料、药品和其他消费品的大部分化学原料来自加工原油的炼油厂。随着石油供应吃紧，越来越多的人开始推动发展生物炼油厂，将农作物、草类和树木中的生物质原料转化为电力、运输燃料和精炼化学品。这项运动得到了美国能源效率和可再生能源办公室下属的美国能源部生物质项目的支持，该办公室与ADM一起资助了阿贡的研究。 为了在经济上取得成功，生物炼油厂生产的化学品必须与石油同行一样便宜或更便宜。美国能源部生物质项目最近的一份报告列出了12种由糖的生物或化学转化产生的化学物质，它们可以在生物炼制中获利。该计划是将这些化学物质与燃料乙醇一起生产。 这些化学品中的大多数是有机酸和多元醇，其是用于制造消费品的一系列二级化学品的构建块。例如，3-羟基丙酸用于制备用于尿布中使用的隐形眼镜和超吸收性聚合物的丙烯酸酯衍生物。此外，天冬氨酸是药物和甜味剂制造中的中间体。 Snyder和他的argonne的同事正在使用Adm来优化使用Argonne的专利分类生物反应器技术从糖中的有机酸的生产。最终，该技术可以应用于各种有机酸和多元醇。 工程学是大规模生产的自然过程葡萄糖酸是由葡萄糖的生化氧化产生的，葡萄糖是一种糖。阿贡ES分部的化学工程师林玉波(音)说，这种由发酵液中的酶促进的反应，已经为人所知100多年了。他说，挑战是工程方面的——如何以足够低的成本和足够清洁的方式处理有机酸，以便在经济上与石化产品竞争。ADM和Argonne对葡萄糖酸非常熟悉，所以理所当然地将其作为第一个有机酸靶标。 Snyder表示，由ES科学家的多学科团队开发的分娩生物反应器可以克服对葡萄糖酸生产的技术和经济障碍。 在分离生物反应器内，酶将葡萄糖转化为葡萄糖酸，葡萄糖酸立即从葡萄糖溶液中分离出来。这种分离消除了大规模发酵中的一个主要问题:酶与产物酸的不相容性。 在简单的糖发酵过程中，葡萄糖酸积累起来，增加了肉汤的酸度，使酶失去作用。这种酸可以通过化学方法中和，就像人们用抗酸药片中和胃酸一样，但额外的处理会提高处理成本并产生废物。 电热化使产品分离成为可能分离生物反应器是一种被称为电去离子化(EDI)的除盐技术的分支。EDI通常用于生化实验室、化学和半导体工厂生产超纯水。EDI电池含有离子交换树脂，类似于在一些商业水软化装置中发现的树脂。 ES研究人员开发和专利了一种改进的EDI树脂晶圆堆栈，赢得了2002年研发100奖。堆栈研究研究 - 高效除去高果糖玉米糖浆中加入盐的研究 - 由DOE的工业技术计划提供。 在EDI技术不断发展的同时，其他ES研究人员也在寻找将酶以化学方式附着在表面的方法。斯奈德说，分离生物反应器的重大突破出现在2001年，当时两项技术的进步被合并为一个组件。研究人员将葡萄糖氧化酶附着在EDI树脂上，树脂成为两个同时进行的过程的平台:葡萄糖的酶促转化为葡萄糖酸，葡萄糖酸从葡萄糖溶液中电离和分离。
在过去的一年中，林和化学工程师迈克尔亨利已经LED研究，在制造和使用树脂晶片方面进行了大量的改进。Argonne在开发期间提交了五项额外专利。 分离式生物反应器的特点是一个由离子交换树脂制成的柔韧、可压缩的晶片，其厚度大致相当于光盘。酶附着在树脂表面。硅片是多孔的，所以水很容易流过它，它被紧紧夹在EDI电池的两层特殊薄膜之间。这种膜允许离子和水通过EDI细胞的一个单独的空间，但是中性分子，如糖，就像球撞击砖墙一样，从膜上弹回来。 当葡萄糖溶液流经EDI细胞时，酶将其转化为葡萄糖酸。葡萄糖酸然后在树脂晶片上电离，电场将离子拉过膜进入一个单独的隔间，在那里它们重新组合成葡萄糖酸 这项技术的最终结果是，一个葡萄糖溶液流入EDI单元，一个葡萄糖酸溶液流出。这种电池需要电力，但斯奈德说，电力成本“非常非常低”。这完全符合我们的总体生物处理成本目标。” 想得更大，想$$$在阿尔贡的测试规模的系统中，这一过程以每天一加仑的速度进行，单位使用树脂晶片，占地面积约为十分之一平方米。泵送速度取决于树脂晶圆的大小和配套的EDI设备。一个商业规模的树脂晶圆将覆盖一平方米的面积;数百个单元将被堆叠在一起，以达到工业规模的产量。 ADM是世界上最大的生物化学品生产商之一，了解大规模生产的经济学。经济学 - 不是环境考虑 - 将决定任何基于生物的生产过程的商业成功。 不过，斯奈德说，生物基生产带来了巨大的环境效益，包括减少对进口石油的依赖和减少温室气体。他说，能源部生物质能项目经理道格拉斯·坎普夫(Douglas Kaempf)的重点是那些提供这些好处，但有真正商业成功机会的项目。 “这一领域有句话，”斯奈德说。“只有绿色才有价值。如果你不能以与竞争对手相同的成本或更低的成本生产产品，那么你说你的产品是绿色的，而他们的是化石燃料，那就没有关系了。” 在石化工业中，化学品的生产成本在原料和炼油之间平均分摊。在以生物为基础的化学生产中，原料成本，如玉米糖，占总成本的20%，加工和分离成本占剩余成本。斯奈德说:“我们希望通过降低加工成本，将这一比例降低到50%。”“我们认为这项技术将有助于实现这一点。” 目前，阿贡大学的研究人员正在测试和提高分离生物反应器将葡萄糖转化为葡萄糖酸的效率。“我们选择葡萄糖酸是因为阿贡大学的研究人员对葡萄糖果糖氧化还原酶感兴趣，”斯奈德说。ES的微生物学家爱德华·圣马丁(Edward St. Martin)发现了这种酶独特的生化特性，ES的分子生物学家米歇尔·阿罗拉(Michelle Arora)开发了大量生产这种酶的技术。 “如果我们通过这种酶证明这项技术，并ADM商业化，其他应用程序将很好地同时出现，但在担心第三或第四名之前，您需要第一次商业成功，”斯奈德说。 如果葡萄糖酸体系在商业上取得成功，并且阿贡技术可以推广到其他有机酸和多元醇的生产，那么许多消费品都可以由生物基化学品制成。即使是液晶显示器，比如你正在阅读这篇报道的那个，最终也可能包含在阿贡技术帮助下的生物精炼厂生产的生物基材料。亚博网站下载 |