生物燃料——生物乙醇

1、生物质生物转化技术生物质生物转化技术 燃料乙醇燃料乙醇 主讲：由耀辉主讲：由耀辉 1 乙醇简介乙醇简介 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，全球重视，全球生物燃料乙醇生物燃料乙醇的发展已经超过任何一种替代燃料。的发展已经超过任何一种替代燃料。 生物燃料乙醇主要生物燃料乙醇主要由玉米、小麦、薯类等植物淀粉或糖蜜通

2、由玉米、小麦、薯类等植物淀粉或糖蜜通 过微生物发酵而来过微生物发酵而来。近年来，用农林废弃物等植物纤维进行。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。为内燃机代用燃料具有独特的优势。 2 乙醇生产乙醇生产原理原理 18世纪末，首次报道了乙醇的生产方法世纪末，首次报道了乙醇的生产方法。但。但乙醇真正的工业乙醇真正的工业 化生产始于化生产始于19世纪末世纪末，至今已有百余年历史。乙醇的工业化，至今已有百余年历史。乙醇的工业化 生产方法有两种，即生产方法有两种，即化学合

3、成法和生物发酵法化学合成法和生物发酵法。 化学化学合成是以乙烯加水合成乙醇合成是以乙烯加水合成乙醇，该方法产生的杂质较多，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 方法应用受到限制方法应用受到限制。 生物生物发酵法是以淀粉质原料、糖蜜原料或纤维素等原料，通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，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、化妆品和医药等工广泛应用于饮料、食品、香精、调味品、化妆品和医

4、药等工 业业。 3 生物发酵法生产乙醇的基本过程可总结为生物发酵法生产乙醇的基本过程可总结为： 我国我国乙醇年产量为乙醇年产量为300多万吨，近年有逐渐增加的趋势，仅多万吨，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，次于巴西、美国，列世界第三位。其中，发酵法占绝对优势发酵法占绝对优势， 80%左右的乙醇用淀粉质原料生产，约左右的乙醇用淀粉质原料生产，约10%的乙醇用废糖蜜的乙醇用废糖蜜 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，左右， 化学合成法生产的乙醇仅占化学合成法生产的乙醇仅占3.5%左右左右。随着生物技术的

5、发展。随着生物技术的发展 及现实需求，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 上议事日程上议事日程，目前国内已达到中试生产阶段。，目前国内已达到中试生产阶段。 提取提取 糖糖 乙醇醪液乙醇醪液原料原料 微生物发酵微生物发酵转化转化 乙醇乙醇 4 乙醇发酵乙醇发酵微生物学微生物学 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生产乙醇的微生物主要有酵母菌和细菌酵母菌和细菌。 目前目前工业上生产乙醇应用的菌株主要是工业上生产乙醇应用的菌株主要是酿酒酵母

6、酿酒酵母，这是因为，这是因为它发它发 酵条件要求粗放，发酵过程酵条件要求粗放，发酵过程pH低，对无菌要求低，以及其乙醇产低，对无菌要求低，以及其乙醇产 物浓度高（实验室可达物浓度高（实验室可达23%，v/v）。这些特点是细菌所不具备的。这些特点是细菌所不具备的。 细菌细菌由于其生长条件温和，由于其生长条件温和，pH高于高于5.0，易染菌，而且除，易染菌，而且除运动发运动发 酵单胞菌酵单胞菌外，还存在安全方面的疑虑，其菌体能否作为饲料尚存外，还存在安全方面的疑虑，其菌体能否作为饲料尚存 疑问，疑问，细菌还易感染噬菌体细菌还易感染噬菌体，一旦感染了噬菌体将带来重大经济，一旦感染了噬菌体将带来重大经

7、济 损失。所以迄今为止，生产中大规模使用的仍是酵母。损失。所以迄今为止，生产中大规模使用的仍是酵母。 5 酵母的一般酵母的一般性质性质 酵母是酵母是典型的真核生物典型的真核生物，一般具有以下五个特点：，一般具有以下五个特点： 个体一般以单细胞状态存在；个体一般以单细胞状态存在； 多数为出芽繁殖，也有裂殖；多数为出芽繁殖，也有裂殖； 能发酵糖类；能发酵糖类； 细胞壁常含有甘露聚糖；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。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。酵母的形状和大小随菌株的不同而异。 6 酵母的酵母的菌落菌落 酵母一般都是

8、单细胞微生物，且细胞都是粗短的形状，在细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，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，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，个别为比较单调，多数都呈乳白

9、色或矿烛色，少数为红色，个别为 黑色。黑色。另外，凡不产生假菌丝的酵母，其菌落更为隆起，边另外，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，其温度。酵母生存和繁殖的温度范围很宽，但是，其正正 常的生活和繁殖温度是常的生活和繁殖温度是2930。在很高或很低的温度下，。在很高或很低的温度下， 酵母的生命活动

10、消弱或停止。酵母的生命活动消弱或停止。酵母发育的最高温度是酵母发育的最高温度是38， 最低为最低为-5；在；在50时酵母死亡时酵母死亡。 （2）pH。酵母的生长。酵母的生长pH范围较广，为范围较广，为38，但，但最适生长最适生长pH 为为3.85.0。当。当pH降到降到4.0以下时，酵母仍能继续繁殖，以下时，酵母仍能继续繁殖，而此而此 时乳酸菌已停止生长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，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除污染基质中细菌的生长，即将该培养料加酸调至pH3.8 4.0，并保持一段时间，在此期间酵母生长占绝对优势，细菌

11、，并保持一段时间，在此期间酵母生长占绝对优势，细菌 污染即可消除污染即可消除。 8 （3） 溶氧。溶氧。酿酒酵母是兼性厌氧菌酿酒酵母是兼性厌氧菌，在有氧无氧条件下均，在有氧无氧条件下均 能生长，但有氧情况下生长的更好。能生长，但有氧情况下生长的更好。在有氧时靠呼吸产能，在有氧时靠呼吸产能， 无氧时借发酵或无氧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。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。通风，进行厌氧培养，从而使细胞进行发酵产乙醇。 9

12、 酵母的营养条件酵母的营养条件 （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，如葡葡 萄糖、甘露醇、半乳糖和萄糖、甘露醇、半乳糖和D-型果糖，但不能直接发酵木糖等五碳糖型果糖，但不能直接发酵木糖等五碳糖，然，然 而，如果而，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。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（乳酸、乙酸、苹果酸、柠檬

13、酸）也可作为后备碳源。 酵母在发酵麦芽酵母在发酵麦芽 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 酵麦芽糖酵麦芽糖。 三羧酸循环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

14、为唯一碳源。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：）氮源。酿酒酵母能利用的氮有两种形式：氨类和有机氮氨类和有机氮。酵。酵 母能有效地利用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、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）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，这会引起来，这会引起pH改变。氨基酸既可以是酵母的氮源改变。氨基酸既可以是酵母的

15、氮源，同时又能成同时又能成 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。为碳源。 为了为了消化有机氮，许多酵母需要维生素（生物素、泛酸、硫胺素消化有机氮，许多酵母需要维生素（生物素、泛酸、硫胺素 等）。等）。酵母不能同化蛋白质、甜菜碱、嘌呤和乙胺型胺类等有机酵母不能同化蛋白质、甜菜碱、嘌呤和乙胺型胺类等有机 氮。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。复杂性的增加，其利用率降低。 12 乙醇生产对酵母要求乙醇生产对酵母要

16、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，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，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，不易变异抵抗杂菌能力强，对培养基适应性强，不易变异。对于糖蜜对于糖蜜 发发酵用酵母，除了以上特性外，酵用酵母，除了以上特性外，还要具备以下性能，即要耐还要具备以下性能，即要耐 渗透压能力强，耐酸耐温能力强，对金属特别是渗透压能力强，耐酸耐温

17、能力强，对金属特别是Cu2+的耐受的耐受 性强，并且产生泡沫要少。性强，并且产生泡沫要少。 13 乙醇产生途径乙醇产生途径 在微生物体内，在微生物体内，葡萄糖转化的途径主要是酵解途径葡萄糖转化的途径主要是酵解途径。酵解途。酵解途 径是径是将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随生成能量形式将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随生成能量形式ATP的过程的过程。 在在好氧有机体中，酵解生成的丙酮酸进入线粒体，经三羧酸好氧有机体中，酵解生成的丙酮酸进入线粒体，经三羧酸 循环被彻底氧化成循环被彻底氧化成CO2和和H2O。 在在厌氧有机体中厌氧有机体中，则把酵解产生的，则把酵解产生的丙酮酸脱羧生成乙醛，乙丙酮酸脱羧生成乙醛，乙

18、醛得到由酵解生成的醛得到由酵解生成的NADH中的氢，就转化成乙醇中的氢，就转化成乙醇。这个过这个过 程就叫乙醇发酵。程就叫乙醇发酵。这个过程中涉及的酶被统称为酒化酶。在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。此也可看出乙醇发酵是在厌氧条件下进行的。 14 由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。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，过程为，丙酮酸在丙酮酸在Mg2+存在情况下，经脱羧酶的催化，脱羧存在情况下，经脱羧酶的催化，脱羧 生成乙醛。乙醛在乙醇脱氢酶及生成乙醛。乙醛在乙醇脱氢酶及NADH的催化下，还原成乙的催化下，还原成乙 醇。醇。 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛乙醇乙醇 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶 焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素, Mg2+ CO2 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 NADH NAD 15 由葡萄糖发酵生成乙醇的总反