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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,2015/11/16,#,生物質生物轉化技術,燃料乙醇,主講：由耀輝,1,乙醇簡介,乙醇俗稱酒精，是一種傳統(tǒng)的基礎有機化工原料，廣泛應用于有機化工、日用化工、食品飲料、醫(yī)藥衛(wèi)生等領域。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行乙醇生產(chǎn)的研究成為全球生物質能研究的熱點。燃料乙醇作為內燃機代用燃料具有獨特的優(yōu)勢。,2,乙醇生產(chǎn),原理,18
2、,世紀末，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,化學合成法和生物發(fā)酵法,。,化學,合成是以乙烯加水合成乙醇,，該方法產(chǎn)生的雜質較多，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，該方法應用受到限制,。,生物,發(fā)酵法是以淀粉質原料、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)出的乙醇雜質含量較低，廣泛應用于飲料、食品、香精、調味品、化妝品和醫(yī)藥等工業(yè),。,3,生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的基本過程可總結為,：,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。
3、其中，,發(fā)酵法占絕對優(yōu)勢,，,80%,左右的乙醇用淀粉質原料生產(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，化學合成法生產(chǎn)的乙醇僅占,3.5%,左右,。隨著生物技術的發(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,，目前國內已達到中試生產(chǎn)階段。,提取,糖,乙醇醪液,原料,微生物發(fā)酵,轉化,乙醇,4,乙醇發(fā)酵,微生物學,乙醇發(fā)酵過程中最關鍵的因素是產(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,酵母菌和細菌,。,目前,工業(yè)上生產(chǎn)乙醇應用的菌株主要是,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，
4、以及其乙醇產(chǎn)物濃度高（實驗室可達,23%,，,v/v,）,。這些特點是細菌所不具備的。,細菌,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，,細菌還易感染噬菌體,，一旦感染了噬菌體將帶來重大經(jīng)濟損失。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,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。,6,酵母的,菌落,酵母一般
5、都是單細胞微生物，且細胞都是粗短的形狀，在細胞間充滿著毛細管水，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，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)一股悅人的酒香味,。,7,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,2930,。在很高或很低
6、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,38,，但,最適生長,pH,為,3.85.0,。當,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中細菌的生長，即將該培養(yǎng)料加酸調至,pH3.84.0,，并保持一段時間，在此期間酵母生長占絕對優(yōu)勢，細菌污染即可消除,。,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,。
7、所以乙醇酵母在菌種生長起始通風培養(yǎng)，使種子快速生長，等長至對數(shù)期快結束時停止通風，進行厭氧培養(yǎng)，從而使細胞進行發(fā)酵產(chǎn)乙醇。,9,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的酶水解成單糖,。當培養(yǎng)條件從厭氧轉換到有氧時，酵母發(fā)酵葡萄糖的能力減弱，但發(fā)酵
8、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。,10,11,（,2,）氮源。釀酒酵母能利用的氮有兩種形式：,氨類和有機氮,。酵母能有效地利用,硫酸銨和磷酸銨、尿素和有機酸銨鹽（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,消化有機氮，許多酵母需要維生
9、素（生物素、泛酸、硫胺素等）。,酵母不能同化蛋白質、甜菜堿、嘌呤和乙胺型胺類等有機氮。,肽是氨基酸鏈，介于氨基酸和蛋白質間，隨著肽鏈的增長及復雜性的增加，其利用率降低。,12,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，對培養(yǎng)基適應性強，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，耐酸耐溫能力強，對金屬特別是,Cu,2+,的耐受性強，并且產(chǎn)生泡沫要少。,13,乙醇產(chǎn)生途徑,在微生物體內，,葡萄糖
10、轉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,好氧有機體中，酵解生成的丙酮酸進入線粒體，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行的。,14,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化為乙醇的階段。在糖酵解階段葡萄糖經(jīng)過轉化形成丙酮酸。,酵母菌在無氧條件下，丙酮酸繼續(xù)降解，生成乙醇，其反應過程為
11、，,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，理論轉化率為,（,2*46.05/180.1,）*,100%=51.1%,但在實際生產(chǎn)實踐中有,約,5%,的葡萄糖用于合成酵母細胞和副產(chǎn)物,，實際上乙醇生成量約為理論值的,95%,，即乙醇對糖的轉化率約為,48.5%,。,16,
生物燃料——生物乙醇
