发酵原理论文 ——发酵方法制备生物燃料乙醇

发酵原理论文 ——发酵方法制备生物燃料乙醇 —— 发酵方法制备生物燃料乙醇 姓 名: 学 号: 班 级: 指导老师: 2011年4月 发酵方法制备生物燃料乙醇 1. 研究背景 随着经济的发展，各行各业对能源的需求日益上升，而化石能源又逐渐枯 竭，统计，世界上已探明的石油储量大约在50年内耗完，因此，新能源的研制和开发已成为科研生产的战略重点。微生物发酵法制备生物燃料具有可以循环利 用，清洁。变废为宝等优势，如今已经成为学术界研究的重点，并取得很大的突破。 由于燃料乙醇的生产原料为玉米、薯干、糖蜜及植物秸秆等可再生的生物资源，所以使用乙醇或乙醇汽油作为汽油的替代品，不仅可以节省石油这种不可再生资源，还可降低污染排放百分之二十以上。因此，关于燃料乙醇的开发和研究在国内外都受到了重视，各国政府都出台相应以实现能源的再生利用。我国乙醇发酵生产有悠久历史，有发展之势。1995年乙醇总产量330万吨，到2000年将突破450万吨。目前，我国生物燃料乙醇生产技术已经成熟，黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省及湖北、河北、山东、江苏部分地区已基本实现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油。我国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。然而在21世纪生物科学的当代我们不仅追求量的增长，还要在生物的技术基础上提高效率，创造最大的价值。 2、研究过程中涉及的发酵原理知识 传统的燃料乙醇生产主要以玉米、小麦或甘蔗、甜高粱等为原料。以甜高粱为例，甜高粱渣经磷酸水解，水解液中和浓缩后接入管囊酵母(Pachysolen tannophtlus)发酵生产乙醇(水解残渣加入纤维素酶和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)同步糖化发酵得到乙醇。 然而，上述所说的原料，由于其高昂成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮或与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，在我国利用甘蔗等糖料作物生产燃料乙醇也将受到士地资源和原料成本的限制而无法人规模推广。因此寻找新的原料势在必行(所以现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素原料它不仅包括秸秆等农业废弃物，还包括城市固体废弃物、办公废纸、杂草、锯末等以及市政废水中的固体部分。 利用秸秆生产乙醇，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义(1)缓解能源危机，近年来，随着经济持续快速发展，能源需求不断增加，我国正面临着严峻的能源安全形势，能源需求将持续增长。因此开发利用生物质能源是我国缓解能源危机重要战略举措。(2)减轻环境污染，燃料酒精能减轻对化石燃料的依赖，减轻化石燃料燃烧对环境产生的不利影响，由木质纤维素生产燃料酒精 形成了基本上封闭的碳循环，没有二氧化碳净排放，有利于减轻温室效应。 木质纤维素资源丰富，其主要化学成分为:纤维素、半纤维素和木质素等。其中半纤维素和纤维素经水解、发酵可以转化为生物乙醇。常见的木质纤维素类物质有:硬木，软木，秸秆，甘蔗渣和树皮等。 木质素主要是通过氧化还原酶催化形成苯氧自由基，通过自由基反应完成木质素生化聚合或降解的。木质素不能被水解为单糖，并且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。木质素中氧含量较低，能量密度(27MJ,kg)比纤维素(1 7 MJ,kg)高，因此水解结束后剩下的木质素残渣常被作为燃料。木质纤维素原料生产燃料乙醇的过程主要包括预处理、糖化、发酵等。 下图是秸秆物质木质纤维素在水解过程中的示意图: 影响木质纤维素物料酶解率的主要因素有纤维素的结晶度、可及表面积、木质素的保护、以及半纤维素的覆盖等(综上所述，随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入，天然高分子所具有的可再生、可降解性等性质日益受到重视，虽然目前已经取得了一些成绩，但是对于纤维素原料的水解及发酵转化 乙醇的工业化仍然存在许多挑战性的问题，随着研究的深入，许多关键性问题将得到解决。 目前，酵母的酒精发酵机理研究的己经很清楚，通常是酵母菌发酵己糖，主要是葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖，通过EMP途径脱羧成丙酮酸，丙酮酸脱羧成为乙醛，在乙醇脱氢酶的作用下被NADH还原成乙醇和二氧化碳，生产酒精。 3、存在的问题与解决的 因为传统的乙醇生产采用的菌种为酿酒酵母，由于乙醇对酵母细胞的毒性、酵母对底物利用的局限性以及大量副产物的生成等原因使得乙醇的产率不高，生产效率低下。因此，为了提高乙醇的产率、改善细胞对乙醇的耐受性、拓宽底物利用范围和最大程度降低副产物的生成，采用代谢工程技术对乙醇代谢网络进行有目的的改造已成为世界范围内研究热点。 由于乙醇为酵母代谢的初级代谢产物，细胞对于这些初级代谢途径具有极大的依赖性，如果采用改变原有的代谢流的代谢手段就会严重干扰细胞正常的生理生化过程，所以对于乙醇的生产主要采用的代谢工程手段有:代谢途径的扩展。 扩展代谢途径 代谢工程中可以通过引入外源基因扩展、延伸原来的代谢途径，产生新的末端代谢产物，提高产率，或者利用新的底物作为生物合成的原料。 在传统的酵母发酵生成酒精的流程中，酵母因缺乏水解淀粉的酶类不能直接利用淀粉，淀粉需先经过蒸煮、α一淀粉酶液化、再经过糖化酶糖化变成葡萄糖后才能利用，发酵工艺复杂，能源消耗较大，因此采用代谢工程技术——扩展代谢途径直接构建能利用淀粉的酵母工程菌可简化工序和设备，减少能源消耗，降低成本，有良好的应用前景。 0kumagai等从巴斯德毕赤氏酵母中分离了一个不受乙醇阻遏的醇氧化酶基因(A0X1)启动子表达淀粉酶基因使α一淀粉酶分泌量大大提高，高达25mg/L，这个工程菌可以有效地由淀粉直接发酵乙醇，以3,淀粉至少产生2,乙醇。 中山大学罗进贤教授领导的科研小组克隆了黑曲霉糖化酶基因和细菌及带麦α一淀粉酶并将这两种基因共同和分别转化酿酒酵母获得多株含双基因和单基因的酵母工程菌。在不同的酵母启动子、信号序列和终止位点的调控下，仅一淀粉酶和糖化酶基因在构建的工程菌中高效表达，表达的酶都分泌到胞外，在20,,25,淀粉培养基中培养24h，构建的酵母工程菌可将其中的淀粉水解98,以上，产酒率在8,一10,。 酵母发酵生产乙醇的途径主要是通过丙酮酸来生成乙醇，其中丙酮酸脱羧酶(PDc)催化丙酮酸形成二氧化碳和乙醛，后者在乙醇脱氢酶(ADH)的作用下转变为乙醇，由于丙酮酸在整个途径中是个关键的节点，与诸多合成途径均有密切联系，因此通过强化表达细胞内PDC和ADH的活性来扩增目标途径，是构建高产乙醇工程菌的主要战略，而生长迅速、遗传背景清楚、能利用广范围地碳源底物的大肠杆菌没有这两种酶。因此，为了提高乙醇的产量，Imgmm将运动发酵单胞菌的丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶基因构成人工操纵子，插入到puc载体上形成重组质粒并转化大肠杆菌中，该重组质粒以葡萄糖为原料在氨苄青霉素的存在下发酵产生34g,L乙醇;另外美国佛罗里达州立大学构建了一株染色体上整合有移动发酵单胞菌的。Pdc和adhB基因的品质优良的大肠杆K011，其在含有10,葡萄糖和8,木糖的发酵培养基上可分别获得54(4g,L和41(6g,L乙醇，这已经接近0(5g乙醇,g葡萄糖的理论产量，而且优化大肠杆菌K01l工程菌株的各项研究仍在进行，其中包括改善操纵子的遗传稳定性以及进一步拓展工程菌发酵底物，使得K011能够利用戊糖、甘露糖、阿拉伯糖和半乳糖等，大大降低了乙醇的生产成本。 3、未来发展前景的展望 生产和推广使用生物燃料乙醇是一项长期战略生物燃料乙醇作为石油的替代品和可再生能源，不仅对于解决阶段性和结构性粮食深加工转化，稳定粮价和农民收入，减少环境污染、保持生态平衡等诸多方面具有重要战略意义，而且还能创造新的就业机会。因此，生产和推广应用生物燃料乙醇对我国经济社会发展具有重要意义。近年来，随着国际原油价格的持续攀升和资源的日渐趋紧，石油供给压力空前增大，生物燃料乙醇的经济性和环保意义日渐显现，产业发展的内在动力不断增强，积极稳步全面推进和发展生物能源产业的条件和时机日趋成熟。推广使用生物燃料乙醇将成为替代能源选择与可持续发展的大势所趋，是我国的一项长期战略性举措。在21世纪这个生物科学的时代，资源能源日益匮乏的时代，我们应当学好现在的知识，利用所学知识为明天的美好作出我们自己的能力～ 参考文献: [1] 黄淑燕 石琰景 纪存朋 微生物方法选择性生产生物燃料的研究进展 上海化工 2009 [2] 张宏武 微生物利用甘油发酵生产乙醇的研究 2008 [3] 孙清 燃料乙醇的生产方法 可再生能源 2010 [4] 刘艳辉 薛向欣 李勇 微生物发酵法制备生物燃料的研究现状 生物产业技术 2009 [5] 班靖洋 张柄 谭无伟 以甜高梁渣为原料发酵生产乙醇 北京化工大学学报 2007 [6] 朱许慧 甘薯渣生料发酵生产乙醇的研究 天津大学硕士学位论文 2008 [7] 陈洪章 邱卫华 秸秆发酵燃料乙醇关键问题及其进展 化学进展 2007 [8] 任丽 发酵甜高粱秸秆高产酒精酵母菌株的筛选与优化 内蒙古农业大学硕士学位论文 2008 [9] 尤蓉 燃料乙醇的代谢工程研究进展 微生物学通报 2005 [10] 李志军 生物燃料乙醇发展现状、问题与政策建议 中国生物工程杂志 2008