生物燃料——生物乙醇

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),2015/11/16,#,生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化技術(shù),燃料乙醇,主講：由耀輝,1,乙醇簡(jiǎn)介,乙醇俗稱(chēng)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(lèi)對(duì)能源需求的增加，乙醇作為汽車(chē)替代燃料越來(lái)越受到重視，全球,生物燃料乙醇,的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)任何一種替代燃料生物燃料乙醇主要,由玉米、小麥、薯類(lèi)等植物淀粉或糖蜜通過(guò)微生物發(fā)酵而來(lái),近年來(lái)，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(diǎn)燃料乙醇作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)2,乙醇生產(chǎn),原理,18,世紀(jì)末，首次報(bào)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,化學(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(guò)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),。

3,生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的基本過(guò)程可總結(jié)為,：,我國(guó),乙醇年產(chǎn)量為,300,多萬(wàn)噸，近年有逐漸增加的趨勢(shì)，僅次于巴西、美國(guó)，列世界第三位其中，,發(fā)酵法占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),，,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(shí)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(guó)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,4,乙醇發(fā)酵,微生物學(xué),乙醇發(fā)酵過(guò)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?yàn)?它發(fā)酵條件要求粗放，發(fā)酵過(guò)程,pH,低，對(duì)無(wú)菌要求低，以及其乙醇產(chǎn)物濃度高（實(shí)驗(yàn)室可達(dá),23%,，,v/v,）,這些特點(diǎn)是細(xì)菌所不具備的細(xì)菌,由于其生長(zhǎng)條件溫和，,pH,高于,5.0,，易染菌，而且除,運(yùn)動(dòng)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(wèn)，,細(xì)菌還易感染噬菌體,，一旦感染了噬菌體將帶來(lái)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5,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(gè)特點(diǎn)：,個(gè)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(lèi)；,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(zhǎng)酵母的形狀和大小隨菌株的不同而異6,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(mǎn)著毛細(xì)管水，故它們?cè)诠腆w培養(yǎng)基表面形成的菌落，,一般具有濕潤(rùn)、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(diǎn)，,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(gè)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(huì)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(huì)散發(fā)一股悅?cè)说木葡阄?7,酵母的生長(zhǎng)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,2930,在很高或很低的溫度下，酵母的生命活動(dòng)消弱或停止酵母發(fā)育的最高溫度是,38,，最低為,-5,；在,50,時(shí)酵母死亡,2,）,pH,。

酵母的生長(zhǎng),pH,范圍較廣，為,38,，但,最適生長(zhǎng),pH,為,3.85.0,當(dāng),pH,降到,4.0,以下時(shí)，酵母仍能繼續(xù)繁殖，,而此時(shí)乳酸菌已停止生長(zhǎng),，酵母的這種耐酸性能被用來(lái)壓制和消除污染基質(zhì)中細(xì)菌的生長(zhǎng)，即將該培養(yǎng)料加酸調(diào)至,pH3.84.0,，并保持一段時(shí)間，在此期間酵母生長(zhǎng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，細(xì)菌污染即可消除,8,（,3,）溶氧釀酒酵母是兼性厭氧菌,，在有氧無(wú)氧條件下均能生長(zhǎng)，但有氧情況下生長(zhǎng)的更好在有氧時(shí)靠呼吸產(chǎn)能，無(wú)氧時(shí)借發(fā)酵或無(wú)氧呼吸產(chǎn)能,所以乙醇酵母在菌種生長(zhǎng)起始通風(fēng)培養(yǎng)，使種子快速生長(zhǎng)，等長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期快結(jié)束時(shí)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9,酵母的營(yíng)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(shí)，也能利用甘油、甘露醇、乙醇或其他醇類(lèi)，有些有機(jī)酸（乳酸、乙酸、蘋(píng)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(shí)，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(méi)有葡萄糖和果糖時(shí)，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(píng)果酸）都能被酵母利用并作為唯一碳源10,11,（,2,）氮源釀酒酵母能利用的氮有兩種形式：,氨類(lèi)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(píng)果酸銨和琥珀酸銨）,在培養(yǎng)基中有可發(fā)酵性糖類(lèi)存在時(shí)，這些銨鹽只作為酵母的氮源，但是氨基用完后，酸游離出來(lái)，這會(huì)引起,pH,改變氨基酸既可以是酵母的氮源,，,同時(shí)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(lèi)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(zhǎng)及復(fù)雜性的增加，其利用率降低12,乙醇生產(chǎn)對(duì)酵母要求,酵母的種類(lèi)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(zhǎng)速度，有高的耐乙醇能力，抵抗雜菌能力強(qiáng)，對(duì)培養(yǎng)基適應(yīng)性強(qiáng)，不易變異,對(duì)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(duì)金屬特別是,Cu,2+,的耐受性強(qiáng)，并且產(chǎn)生泡沫要少。

13,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(guò)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,CO,2,和,H,2,O,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(gè)過(guò)程就叫乙醇發(fā)酵這個(gè)過(guò)程中涉及的酶被統(tǒng)稱(chēng)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14,由,葡萄糖到乙醇的過(guò)程主要分成兩個(gè)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(guò)轉(zhuǎn)化形成丙酮酸酵母菌在無(wú)氧條件下，丙酮酸繼續(xù)降解，生成乙醇，其反應(yīng)過(guò)程為，,丙酮酸在,Mg,2+,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,Mg,2+,CO,2,乙醇脫氫酶,NADH,NAD,15,由葡萄糖發(fā)酵生成乙醇的總反應(yīng)式為,C,6,H,12,O,6,+,2ADP,+,2H,3,PO,4,2C,2,H,5,OH,+,2CO,2,+,2ATP,則,1mol,葡萄糖生成,2mol,乙醇，理論轉(zhuǎn)化率為,（,2*46.05/180.1,）*,100%=51.1%,但在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中有,約,5%,的葡萄糖用于合成酵母細(xì)胞和副產(chǎn)物,，實(shí)際上乙醇生成量約為理論值的,95%,，即乙醇對(duì)糖的轉(zhuǎn)化率約為,48.5%,。