1生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化技術(shù)————

燃料乙醇主講：由耀輝生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第1頁。2乙醇簡介乙醇俗稱酒精，是一種傳統(tǒng)的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于有機(jī)化工、日用化工、食品飲料、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。隨著人類對能源需求的增加，乙醇作為汽車替代燃料越來越受到重視，全球生物燃料乙醇的發(fā)展已經(jīng)超過任何一種替代燃料。生物燃料乙醇主要由玉米、小麥、薯類等植物淀粉或糖蜜通過微生物發(fā)酵而來。近年來，用農(nóng)林廢棄物等植物纖維進(jìn)行乙醇生產(chǎn)的研究成為全球生物質(zhì)能研究的熱點。燃料乙醇作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料具有獨特的優(yōu)勢。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第2頁。3乙醇生產(chǎn)原理18世紀(jì)末，首次報道了乙醇的生產(chǎn)方法。但乙醇真正的工業(yè)化生產(chǎn)始于19世紀(jì)末，至今已有百余年歷史。乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)方法有兩種，即化學(xué)合成法和生物發(fā)酵法?；瘜W(xué)合成是以乙烯加水合成乙醇，該方法產(chǎn)生的雜質(zhì)較多，且乙烯是石油的工業(yè)副產(chǎn)品，在石油日益短缺的情況下，該方法應(yīng)用受到限制。生物發(fā)酵法是以淀粉質(zhì)原料、糖蜜原料或纖維素等原料，通過微生物代謝產(chǎn)生乙醇，該方法生產(chǎn)出的乙醇雜質(zhì)含量較低，廣泛應(yīng)用于飲料、食品、香精、調(diào)味品、化妝品和醫(yī)藥等工業(yè)。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第3頁。4生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的基本過程可總結(jié)為：我國乙醇年產(chǎn)量為300多萬噸，近年有逐漸增加的趨勢，僅次于巴西、美國，列世界第三位。其中，發(fā)酵法占絕對優(yōu)勢，80%左右的乙醇用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)，約10%的乙醇用廢糖蜜生產(chǎn)，以亞硫酸鹽紙漿廢液等纖維原料生產(chǎn)的乙醇占2%左右，化學(xué)合成法生產(chǎn)的乙醇僅占3.5%左右。隨著生物技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)實需求，以纖維素為原料的大規(guī)模乙醇發(fā)酵生產(chǎn)已經(jīng)提上議事日程，目前國內(nèi)已達(dá)到中試生產(chǎn)階段。提取糖乙醇醪液原料微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第4頁。5乙醇發(fā)酵微生物學(xué)乙醇發(fā)酵過程中最關(guān)鍵的因素是產(chǎn)乙醇的微生物，生產(chǎn)中能夠發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物主要有酵母菌和細(xì)菌。目前工業(yè)上生產(chǎn)乙醇應(yīng)用的菌株主要是釀酒酵母，這是因為它發(fā)酵條件要求粗放，發(fā)酵過程pH低，對無菌要求低，以及其乙醇產(chǎn)物濃度高（實驗室可達(dá)23%，v/v）。這些特點是細(xì)菌所不具備的。細(xì)菌由于其生長條件溫和，pH高于5.0，易染菌，而且除運動發(fā)酵單胞菌外，還存在安全方面的疑慮，其菌體能否作為飼料尚存疑問，細(xì)菌還易感染噬菌體，一旦感染了噬菌體將帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。所以迄今為止，生產(chǎn)中大規(guī)模使用的仍是酵母。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第5頁。6酵母的一般性質(zhì)酵母是典型的真核生物，一般具有以下五個特點：

個體一般以單細(xì)胞狀態(tài)存在；多數(shù)為出芽繁殖，也有裂殖；能發(fā)酵糖類；細(xì)胞壁常含有甘露聚糖；喜在含糖量較高、酸度較大的水生環(huán)境中生長。

酵母的形狀和大小隨菌株的不同而異。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第6頁。7酵母的菌落酵母一般都是單細(xì)胞微生物，且細(xì)胞都是粗短的形狀，在細(xì)胞間充滿著毛細(xì)管水，故它們在固體培養(yǎng)基表面形成的菌落，一般具有濕潤、較光滑、有一定的透明度、容易挑起、菌落質(zhì)地均勻以及正反面和邊緣、中央部位顏色都很均一等特點，且菌落較大、較厚、外觀較稠和較不透明。酵母菌落的顏色比較單調(diào)，多數(shù)都呈乳白色或礦燭色，少數(shù)為紅色，個別為黑色。另外，凡不產(chǎn)生假菌絲的酵母，其菌落更為隆起，邊緣十分圓整，而會產(chǎn)大量假菌絲的酵母，則菌落較平坦，表面和邊緣較粗糙，酵母的菌落一般會散發(fā)一股悅?cè)说木葡阄?。生物燃料生物乙?課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第7頁。8酵母的生長條件（1）溫度。酵母生存和繁殖的溫度范圍很寬，但是，其正常的生活和繁殖溫度是29—30℃。在很高或很低的溫度下，酵母的生命活動消弱或停止。酵母發(fā)育的最高溫度是38℃，最低為-5℃；在50℃時酵母死亡。（2）pH。酵母的生長pH范圍較廣，為3—8，但最適生長pH為3.8—5.0。當(dāng)pH降到4.0以下時，酵母仍能繼續(xù)繁殖，而此時乳酸菌已停止生長，酵母的這種耐酸性能被用來壓制和消除污染基質(zhì)中細(xì)菌的生長，即將該培養(yǎng)料加酸調(diào)至pH3.8—4.0，并保持一段時間，在此期間酵母生長占絕對優(yōu)勢，細(xì)菌污染即可消除。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第8頁。9（3）溶氧。釀酒酵母是兼性厭氧菌，在有氧無氧條件下均能生長，但有氧情況下生長的更好。在有氧時靠呼吸產(chǎn)能，無氧時借發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能。所以乙醇酵母在菌種生長起始通風(fēng)培養(yǎng)，使種子快速生長，等長至對數(shù)期快結(jié)束時停止通風(fēng)，進(jìn)行厭氧培養(yǎng)，從而使細(xì)胞進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)乙醇。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第9頁。10酵母的營養(yǎng)條件（1）碳源。釀酒酵母可利用的碳源包括各種有機(jī)化合物中的碳，如葡萄糖、甘露醇、半乳糖和D-型果糖，但不能直接發(fā)酵木糖等五碳糖，然而，如果木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖以后，就可被釀酒酵母利用生成乙醇。在缺乏六碳糖時，也能利用甘油、甘露醇、乙醇或其他醇類，有些有機(jī)酸（乳酸、乙酸、蘋果酸、檸檬酸）也可作為后備碳源。

酵母在發(fā)酵麥芽糖和蔗糖為乙醇前，這兩種雙糖要事先被酵母的相應(yīng)的酶水解成單糖。當(dāng)培養(yǎng)條件從厭氧轉(zhuǎn)換到有氧時，酵母發(fā)酵葡萄糖的能力減弱，但發(fā)酵蔗糖的能力提高1.5倍。酵母只有在培養(yǎng)基中沒有葡萄糖和果糖時，才發(fā)酵麥芽糖。三羧酸循環(huán)的任何中間產(chǎn)物（丙酮酸、檸檬酸、琥珀酸、富馬酸、蘋果酸）都能被酵母利用并作為唯一碳源。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第10頁。11生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第11頁。12（2）氮源。釀酒酵母能利用的氮有兩種形式：氨類和有機(jī)氮。酵母能有效地利用硫酸銨和磷酸銨、尿素和有機(jī)酸銨鹽（乙酸銨、乳酸銨、蘋果酸銨和琥珀酸銨）。在培養(yǎng)基中有可發(fā)酵性糖類存在時，這些銨鹽只作為酵母的氮源，但是氨基用完后，酸游離出來，這會引起pH改變。氨基酸既可以是酵母的氮源，同時又能成為它的碳源。當(dāng)氨基被利用后，剩下的酮酸就可被酵母同化，作為碳源。為了消化有機(jī)氮，許多酵母需要維生素（生物素、泛酸、硫胺素等）。酵母不能同化蛋白質(zhì)、甜菜堿、嘌呤和乙胺型胺類等有機(jī)氮。肽是氨基酸鏈，介于氨基酸和蛋白質(zhì)間，隨著肽鏈的增長及復(fù)雜性的增加，其利用率降低。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第12頁。13乙醇生產(chǎn)對酵母要求

酵母的種類很多，能發(fā)酵產(chǎn)乙醇的菌株也很多，但是能應(yīng)用于生產(chǎn)的酵母菌株必須基本符合以下要求，即能快速并完全將糖分轉(zhuǎn)化為乙醇，有高的比生長速度，有高的耐乙醇能力，抵抗雜菌能力強(qiáng)，對培養(yǎng)基適應(yīng)性強(qiáng)，不易變異。對于糖蜜發(fā)酵用酵母，除了以上特性外，還要具備以下性能，即要耐滲透壓能力強(qiáng)，耐酸耐溫能力強(qiáng)，對金屬特別是Cu2+的耐受性強(qiáng)，并且產(chǎn)生泡沫要少。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第13頁。14乙醇產(chǎn)生途徑在微生物體內(nèi)，葡萄糖轉(zhuǎn)化的途徑主要是酵解途徑。酵解途徑是將葡萄糖降解成丙酮酸并伴隨生成能量形式ATP的過程。在好氧有機(jī)體中，酵解生成的丙酮酸進(jìn)入線粒體，經(jīng)三羧酸循環(huán)被徹底氧化成CO2和H2O。在厭氧有機(jī)體中，則把酵解產(chǎn)生的丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛得到由酵解生成的NADH中的氫，就轉(zhuǎn)化成乙醇。這個過程就叫乙醇發(fā)酵。這個過程中涉及的酶被統(tǒng)稱為酒化酶。在此也可看出乙醇發(fā)酵是在厭氧條件下進(jìn)行的。生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第14頁。15由葡萄糖到乙醇的過程主要分成兩個階段，即糖酵解階段和丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醇的階段。在糖酵解階段葡萄糖經(jīng)過轉(zhuǎn)化形成丙酮酸。酵母菌在無氧條件下，丙酮酸繼續(xù)降解，生成乙醇，其反應(yīng)過程為，丙酮酸在Mg2+存在情況下，經(jīng)脫羧酶的催化，脫羧生成乙醛。乙醛在乙醇脫氫酶及NADH的催化下，還原成乙醇。丙酮酸乙醛乙醇丙酮酸脫羧酶焦磷酸硫胺素,Mg2+CO2乙醇脫氫酶NADHNAD生物燃料生物乙醇(課堂PPT)全文共16頁，當(dāng)前為第15頁。16

由葡萄糖發(fā)酵生成乙醇的總反應(yīng)式為C6H12O6+2ADP+2H3PO42C2H5OH+2CO2+