生物燃料——生物乙醇

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2015/11/16,#,生物质生物转化技术,燃料乙醇,主讲：由耀辉,1,乙醇简介,乙醇俗称酒精，是一种传统的基础有机化工原料，广泛应用于有机化工、日用化工、食品饮料、医药卫生等领域。随着人类对能源需求的增加，乙醇作为汽车替代燃料越来越受到重视，全球,生物燃料乙醇,的发展已经超过任何一种替代燃料。生物燃料乙醇主要,由玉米、小麦、薯类等植物淀粉或糖蜜通过微生物发酵而来,。近年来，用农林废弃物等植物纤维进行乙醇生产的研究成为全球生物质能研究的热点。燃料乙醇作为内燃机代用燃料具有独特的优势。,2,乙醇生产,原理,18,世纪末，首次报道了乙醇的生产方法,。但,乙醇真正的工业化生产始于,19,世纪末,，至今已有百余年历史。乙醇的工业化生产方法有两种，即,化学合成法和生物发酵法,。,化学,合成是以乙烯加水合成乙醇,，该方法产生的杂质较多，且乙烯是石油的工业副产品，在石油日益短缺的情况下，该方法应用受到限制,。,生物,发酵法是以淀粉质原料、糖蜜原料或纤维素等原料，通过微生物代谢产生乙醇,，该方法生产出的乙醇杂质含量较低，广泛应用于饮料、食品、香精、调味品、化妆品和医药等工业,。,3,生物发酵法生产乙醇的基本过程可总结为,：,我国,乙醇年产量为,300,多万吨，近年有逐渐增加的趋势，仅次于巴西、美国，列世界第三位。其中，,发酵法占绝对优势,，,80%,左右的乙醇用淀粉质原料生产，约,10%,的乙醇用废糖蜜生产，以亚硫酸盐纸浆废液等纤维原料生产的乙醇占,2%,左右，化学合成法生产的乙醇仅占,3.5%,左右,。随着生物技术的发展及现实需求，,以纤维素为原料的大规模乙醇发酵生产已经提上议事日程,，目前国内已达到中试生产阶段。,提取,糖,乙醇醪液,原料,微生物发酵,转化,乙醇,4,乙醇发酵,微生物学,乙醇发酵过程中最关键的因素是产乙醇的微生物，生产中能够发酵生产乙醇的微生物主要有,酵母菌和细菌,。,目前,工业上生产乙醇应用的菌株主要是,酿酒酵母,，这是因为,它发酵条件要求粗放，发酵过程,pH,低，对无菌要求低，以及其乙醇产物浓度高（实验室可达,23%,，,v/v,）,。这些特点是细菌所不具备的。,细菌,由于其生长条件温和，,pH,高于,5.0,，易染菌，而且除,运动发酵单胞菌,外，还存在安全方面的疑虑，其菌体能否作为饲料尚存疑问，,细菌还易感染噬菌体,，一旦感染了噬菌体将带来重大经济损失。所以迄今为止，生产中大规模使用的仍是酵母。,5,酵母的一般,性质,酵母是,典型的真核生物,，一般具有以下五个特点：,个体一般以单细胞状态存在；,多数为出芽繁殖，也有裂殖；,能发酵糖类；,细胞壁常含有甘露聚糖；,喜在含糖量较高、酸度较大的水生环境中生长。,酵母的形状和大小随菌株的不同而异。,6,酵母的,菌落,酵母一般都是单细胞微生物，且细胞都是粗短的形状，在细胞间充满着毛细管水，故它们在固体培养基表面形成的菌落，,一般具有湿润、较光滑、有一定的透明度、容易挑起、菌落质地均匀以及正反面和边缘、中央部位颜色都很均一等特点，,且菌落较大、较厚、外观较稠和较不透明。酵母菌落的颜色比较单调，多数都呈乳白色或矿烛色，少数为红色，个别为黑色。,另外，凡不产生假菌丝的酵母，其菌落更为隆起，边缘十分圆整，而会产大量假菌丝的酵母，则菌落较平坦，表面和边缘较粗糙，酵母的菌落一般会散发一股悦人的酒香味,。,7,酵母的生长条件,（,1,）温度。酵母生存和繁殖的温度范围很宽，但是，其,正常的生活和繁殖温度是,2930,。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动消弱或停止。,酵母发育的最高温度是,38,，最低为,-5,；在,50,时酵母死亡,。,（,2,）,pH,。酵母的生长,pH,范围较广，为,38,，但,最适生长,pH,为,3.85.0,。当,pH,降到,4.0,以下时，酵母仍能继续繁殖，,而此时乳酸菌已停止生长,，酵母的这种耐酸性能被用来压制和消除污染基质中细菌的生长，即将该培养料加酸调至,pH3.84.0,，并保持一段时间，在此期间酵母生长占绝对优势，细菌污染即可消除,。,8,（,3,）溶氧。,酿酒酵母是兼性厌氧菌,，在有氧无氧条件下均能生长，但有氧情况下生长的更好。,在有氧时靠呼吸产能，无氧时借发酵或无氧呼吸产能,。所以乙醇酵母在菌种生长起始通风培养，使种子快速生长，等长至对数期快结束时停止通风，进行厌氧培养，从而使细胞进行发酵产乙醇。,9,酵母的营养条件,（,1,）碳源。酿酒酵母可利用的碳源包括各种有机化合物中的碳，如,葡萄糖、甘露醇、半乳糖和,D-,型果糖，但不能直接发酵木糖等五碳糖,，然而，如果,木糖转化为木酮糖以后，就可被酿酒酵母利用生成乙醇,。在缺乏六碳糖时，也能利用甘油、甘露醇、乙醇或其他醇类，有些有机酸（乳酸、乙酸、苹果酸、柠檬酸）也可作为后备碳源,。,酵母在发酵麦芽糖和蔗糖为乙醇前，这两种双糖要事先被酵母的相应的酶水解成单糖,。当培养条件从厌氧转换到有氧时，酵母发酵葡萄糖的能力减弱，但发酵蔗糖的能力提高,1.5,倍。酵母只有在培养基中没有葡萄糖和果糖时，才发酵麦芽糖,。,三羧酸循环,的任何中间产物（丙酮酸、柠檬酸、琥珀酸、富马酸、苹果酸）都能被酵母利用并作为唯一碳源。,10,11,（,2,）氮源。酿酒酵母能利用的氮有两种形式：,氨类和有机氮,。酵母能有效地利用,硫酸铵和磷酸铵、尿素和有机酸铵盐（乙酸铵、乳酸铵、苹果酸铵和琥珀酸铵）,。在培养基中有可发酵性糖类存在时，这些铵盐只作为酵母的氮源，但是氨基用完后，酸游离出来，这会引起,pH,改变。氨基酸既可以是酵母的氮源,，,同时又能成为它的碳源。当氨基被利用后，剩下的酮酸就可被酵母同化，作为碳源。,为了,消化有机氮，许多酵母需要维生素（生物素、泛酸、硫胺素等）。,酵母不能同化蛋白质、甜菜碱、嘌呤和乙胺型胺类等有机氮。,肽是氨基酸链，介于氨基酸和蛋白质间，随着肽链的增长及复杂性的增加，其利用率降低。,12,乙醇生产对酵母要求,酵母的种类很多，能发酵产乙醇的菌株也很多，但是能应用于生产的酵母菌株必须基本符合以下要求，,即能快速并完全将糖分转化为乙醇，有高的比生长速度，有高的耐乙醇能力，抵抗杂菌能力强，对培养基适应性强，不易变异,。,对于糖蜜,发,酵用酵母，除了以上特性外，,还要具备以下性能，即要耐渗透压能力强，耐酸耐温能力强，对金属特别是,Cu,2+,的耐受性强，并且产生泡沫要少。,13,乙醇产生途径,在微生物体内，,葡萄糖转化的途径主要是酵解途径,。酵解途径是,将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随生成能量形式,ATP,的过程,。,在,好氧有机体中，酵解生成的丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成,CO,2,和,H,2,O,。,在,厌氧有机体中,，则把酵解产生的,丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛得到由酵解生成的,NADH,中的氢，就转化成乙醇,。,这个过程就叫乙醇发酵。,这个过程中涉及的酶被统称为酒化酶。在此也可看出乙醇发酵是在厌氧条件下进行的。,14,由,葡萄糖到乙醇的过程主要分成两个阶段，即糖酵解阶段和丙酮酸转化为乙醇的阶段。在糖酵解阶段葡萄糖经过转化形成丙酮酸。,酵母菌在无氧条件下，丙酮酸继续降解，生成乙醇，其反应过程为，,丙酮酸在,Mg,2+,存在情况下，经脱羧酶的催化，脱羧生成乙醛。乙醛在乙醇脱氢酶及,NADH,的催化下，还原成乙醇。,丙酮酸,乙醛,乙醇,丙酮酸脱羧酶,焦磷酸硫胺素,Mg,2+,CO,2,乙醇脱氢酶,NADH,NAD,15,由葡萄糖发酵生成乙醇的总反应式为,C,6,H,12,O,6,+,2ADP,+,2H,3,PO,4,2C,2,H,5,OH,+,2CO,2,+,2ATP,则,1mol,葡萄糖生成,2mol,乙醇，理论转化率为,（,2*46.05/180.1,）*,100%=51.1%,但在实际生产实践中有,约,5%,的葡萄糖用于合成酵母细胞和副产物,，实际上乙醇生成量约为理论值的,95%,，即乙醇对糖的转化率约为,48.5%,。,16,