当阿贡的生化工程师赛斯•斯奈德开车经过芝加哥郊区的一块玉米地时，他看到了降低美国对外国石油依赖、同时使农村经济受益的潜力。斯奈德和他在阿贡能源系统(ES)部门的同事是伊利诺伊州迪凯特(Decatur)的农业综合企业巨头Archer Daniels Midland Co.的合作伙伴。该协议旨在开发一种将玉米糖转化为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。 这些化学物质大部分是有机酸和多元醇，它们是制造消费品的许多二次化学物质的基石。例如，3-羟基丙酸被用来制造用于隐形眼镜的丙烯酸酯衍生物和用于尿布的高吸水性聚合物。此外，天冬氨酸是制药和甜味剂生产的中间体。 斯奈德和他在阿贡的同事们正在与ADM合作，利用阿贡的专利分离生物反应器技术，优化从糖中提取一种叫做葡萄糖酸的有机酸的生产。最终，这项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。 斯奈德说，由ES科学家组成的多学科团队开发的分离生物反应器可以克服生产葡萄糖酸的技术和经济障碍。 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。 电去离子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研究人员开发了一种改进的EDI树脂晶片堆栈，并获得了专利，获得了2002年R&D 100奖。这项研究是由美国能源部的工业技术计划提供的，它能有效地去除高果糖玉米糖浆在生产过程中添加的盐。 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。
在过去的一年里，Lin和化学工程师Michael Henry领导了研究，在树脂晶圆的制造和使用方面做出了实质性的改进。在开发过程中，Argonne还申请了另外五项专利。 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基化学品生产商之一，懂得大规模生产的经济效益。经济而不是环境因素将决定任何生物生产工艺的商业成功。 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。 斯奈德说:“如果我们用这种酶来证明这项技术，ADM将其商业化，其他的应用就会很好地出现，但在你担心第三或第四次之前，你需要第一次商业成功。” 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。欧洲杯足球竞彩 |