乙醇发酵详细资料大全

微生物一般指体形在0.1毫米以下的小生物。个体微小的特性使微生物获得了高等生物无法具备的五大特征，即体积小面积大、吸收多转化快、生长旺繁殖快、适应强变异频、分布广种类多。

微生物发酵即是指利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。发酵工程的应用范围有：⑴医药工业，⑵食品工业，⑶能源工业，⑷化学工业，⑸农业：改造植物基因；生物固氮；工程杀虫菌生物农药；微生物饲料。⑹环境保护等方面。

酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。

生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。

微生物发酵的主要方式有固体发酵和液体发酵。工业上的大规模生产主要采用液体发酵。影响发酵的因素有发酵培养基，溶氧、PH、温度、泡沫。主要控制有：溶氧的影响及控制（控制搅拌的速度），温度的影响及控制（温控设置），pH值的影响及控制（流加氨水和尿素），消沫控制（消泡剂），中间补料控制。

我国已着手从农业秸秆等(大约年产10亿吨,可供开发利用的生物质资源)发酵生产乙醇,近年发展较快,已形成乙醇产业,其产量超过100万吨/年。安徽省生产乙醇突破了最大的瓶颈,降低了生产成本,他们以农业秸秆等为原料(五碳糖),应用纤维素水解酶“工程菌”菌株,乙醇产量得到很大提高。通过试验显示,每4吨秸秆(玉米、麦草)可生产1吨乙醇,同时可获饲料酶等副产品,预计2007年上半年可进行工业化中试,若运行正常的话,秸秆等发酵生产乙醇会带来巨大商机。在发酵生产乙醇中选育高效菌种是生物乙醇工业化生产的基础,有报道粗糙脉胞菌。

燃料乙醇，又叫生物乙醇，是指通过生物处理过程得到的乙醇。如今乙醇已有95%是生物乙醇，只有5%是由原油、天然气或煤炭生产的。目前，乙醇生产主要以淀粉类（粮食作物为主，如玉米、木薯等）和糖类（如甘蔗、甜菜等）作为发酵原料，采用微生物法发酵生产乙醇技术已成熟，但是高昂的原料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，因此寻找新的原料势在必行。

纤维素（cellulose）是地球上最丰富的可再生资源，据测算年总产量高达1500×108t，其中蕴储着巨大的生物质能。我国每年作物秸秆（如稻草、麦秆等）的产量可达7×108t左右（相当于5×108t标煤）。纤维素是一种多糖物质，每个纤维素大分子是由n个葡萄糖残基（葡萄糖酐），彼此以1-4甙键（氧桥）联结而形成的。如图16.1所示。

图16.1 纤维素结构示意

纤维素在常温下不发生水解，高温下水解也很缓慢。只有在催化剂的作用下，纤维素的水解反应才显著进行，常用的催化剂是无机酸或纤维素酶。纤维素酶在生物乙醇转化过程中起着非常重要的作用，可将纤维素、半纤维素水解成葡萄糖，为转化为乙醇提供丰富的底物；自然界中的酵母和少数细菌能够在厌氧条件下发酵葡萄糖生成乙醇。其中，纤维素酶水解方程式如下（牟晓红，2009）：

木霉生物学

利用纤维素酶将天然纤维素降解成葡萄糖的过程中，必须依靠纤维素酶的3种组分协同作用完成，即纤维素大分子首先在内切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.4，也称Cx酶、CMC酶、EG）和外切型-β-葡聚糖酶（EC3.2.1.91，也称Cl酶、纤维二糖水解酶或CBH）的作用下降解成纤维二糖，再进一步在纤维二糖酶（EC3.2.1.21，也称β-葡萄糖苷酶或CB）作用下生成葡萄糖。

目前，国内外以植物纤维素为原料生产燃料乙醇的各种工艺中，主要有四种糖化发酵工艺，分别是分段糖化与发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和联合生物加工工艺（CBP）。SSCF工艺可以在同一发酵罐中同时进行纤维素酶水解和C5糖和C6糖的发酵，该工艺不仅有利于缓解葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用，节省设备投资，还有利于发酵液中乙醇的积累，提高发酵液中最终的乙醇浓度，降低乙醇回收单元中乙醇蒸馏的能耗，大幅度降低生产成本。利用纤维素生产生物乙醇的同步糖化共发酵过程图如图16.2（Carlos Sáez，2000）。

许多微生物都会产生纤维素酶，但最适合于水解纤维素的酶来自于木霉。T.reesei是世界上研究和应用最广泛的纤维素酶工业微生物，它的优点在于它的酶系纤维素酶活性高并且能生产大量的胞外蛋白，它的酶系中60%以上的蛋白是外切酶（CBH），对于结晶性纤维素有很强的降解能力。

图16.2 纤维素原料生产乙醇示意

1998年，南京林业大学在黑龙江建成了完整的植物纤维生产燃料乙醇中试生产线，该生产线日处理农林植物纤维5t（日产乙醇0.8t）。风干植物纤维经蒸汽爆破预处理，纤维素酶制备所用菌株是T.reesei和酵母菌NL05，纤维素酶的制备在20m3的生物反应器中进行，T.reesei以汽喷料为碳源，在一定的搅拌速度和通风量下合成纤维素酶，完成一个产酶周期后酶液用于剩余汽喷料的水解。植物纤维的酶水解在2台32m3的反应器中进行，每天取汽喷料的10%用于纤维素酶的制备，产生的纤维素酶酶解剩余90%的汽喷料。酶解温度（50±1）℃、酶解初始 pH 值4.80。戊糖己糖同步乙醇发酵菌株是毕赤酵母NL02，酶水解液的乙醇发酵在一台5m3的发酵罐中进行。植物纤维汽喷料在纤维素酶的作用下降解成单糖后，经过压滤和洗涤得到一定浓度的水解糖液，水解糖液中的戊糖和己糖被酵母在限制性供氧条件下同步发酵成乙醇。

美国能源部与诺维信合作，投资3000万美元进行纤维素水解酶的开发，研究将玉米秸酶解成糖，再发酵制乙醇；还与DOE合作建设年处理玉米秸200t、生产燃料乙醇6900gal的中试装置，其生产技术分以下几步：先将玉米秸粉碎，用1.1%硫酸预处理；然后加木霉纤维素酶糖化36 h，使纤维素90%转化成葡萄糖；将糖浆冷却至41℃，连续发酵得到浓度为7.5%的乙醇；经蒸馏分子筛吸附脱水，生成99.5%乙醇，废渣经干燥用作燃料。

另外，Stevenson等（2002）报道了利用木霉直接发酵纤维素生产乙醇的方法，这更扩展了木霉发酵生产乙醇的途径。他们从牛粪中分离到一株木霉菌A10，该菌株在厌氧条件下可以将纤维素或者糖类物质直接转化为乙醇，在纤维素含量为50g/L的MM培养基中厌氧培养，乙醇产量为0.4mg/L，通过优化培养条件，采取分阶段预培养和深层厌氧培养后乙醇产量可达2g/L，以葡萄糖作为碳源乙醇产量最高可达5g/L，但以木糖作为碳源，乙醇产量最低。

发酵温度过高，如果超过32℃，酵母的发酵作用受限，酒中残糖增加，也为乳酸菌、醋酸菌的繁殖创造了条件，造成酒的挥发酸过高，

(1)在发酵前期，要创造条件，让酵母菌继续繁殖到一定数量。

(2)使糖化醪中的淀粉和糊精继续被分解，生成可发酵的糖分。

(3)发酵过程的中期和后期，要创造厌气条件，使酵母在无氧条件下将糖分发酵生成酒精。

(4)发酵过程中产生的CO2应设法排除，并注意加强对随CO2逸出时被带走酒精的捕集回收。

医药等领域,而且可以部分或全部替代汽油,具有安全、清

洁、可再生等优点。传统的酒精生产主要以糖蜜、薯类、谷物

为原料发酵而成。近年来,随着人口增长和经济的发展以及

可利用耕地面积的减少使得酒精生产成本日趋增高,利用

丰富、廉价的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。我

国是一个农业大国,各种纤维素原料资源非常丰富,仅玉米

秸秆年产量大约2亿吨。目前,玉米秸秆除了少部分被利用

外,大部分以堆积、焚烧等形式直接倾入环境,极大地污染

了环境,也是一种资源浪费。如果将玉米秸秆经过预处理后

水解,其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖,经发酵可转

化为酒精,转热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面

临的食物短缺,环境污染、资源危机等一系列问题,而且还

能实现人类的可持续发展,因而近年来玉米秸秆成为生物

能源领域的研究热点。

1玉米秸秆简介

玉米秸秆主要由植物细胞壁组成,基本成分为纤维素、

半纤维素和木质素等。木质素将纤维素和半纤维素层层包

围。纤维素是一种直链多糖,多个分子平行排列成丝状不溶

性微小纤维,半纤维素主要由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖、

甘露糖组成,木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成

的高分子芳香族化合物。其中,木质素是一种燃料,半纤维

素可水解为五碳糖,而纤维素水解为六碳糖比较困难。

2玉米秸秆预处理

由于玉米秸秆结构复杂,不仅纤维素、半纤维素被木质

素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,同时纤维素

具有高度有序晶体结构。因此必须经过预处理,使得纤维

素、半纤维素、木质素分离开,切断它们的氢键,破坏晶体结

构,降低聚合度。常见预处理方法有物理法、化学法、物理化

学法和微生物法等。

2.1挤压膨化法

该方法属于物理处理法,是将原料粉碎后调节至一定

水分,加入挤压机内,物料在螺杆的旋转推动下向前运动,

同时被剪切、挤压。并且在摩擦热的作用下温度可接近

140℃然后从挤压机中喷出,物料的压力突然降低、体积迅

速膨胀,纤维素晶体结构被破坏,从而为纤维素的酶解处理

创造条件。这种预处理方法生产过程连续,不需要消耗蒸

汽,而且具有灭菌效果。

2.2湿氧化法

湿氧化法属于化学处理法,是指在加温加压条件下,水

和氧气共同参加的反应。湿氧化法对玉米秸秆处理效果很

好,纤维素遇碱,只引起纤维素膨胀,形成了碱化纤维素,但

能保持原来骨架,加入Na2CO3后起缓和作用,能防止纤维

素被破坏,使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素

分离。这样得到的纤维素纯度较高,且副产物很少。匈牙利

Eniko等人采用湿氧化法在195℃,15min,1 200千帕O2,

Na2CO32g/L条件下,对60g/L玉米秸秆进行预处理。其中

60%半纤维素、30%木质素被溶解,90%纤维素呈固态分离出

来,纤维素酶解转化率(ECC)达85%左右。

2.3酸处理法

酸处理法也是一种化学处理法,这种方法可追溯到

1980年,而在德国可能更早。该法是采用硫酸、硝酸、盐酸、

磷酸等对纤维素原料进行预处理,其中以硫酸研究和应用

的最多。处理后,半纤维素首先水解得到无碳糖,纤维素的

结晶结构被破坏,原料疏松,可发酵性强。但水解前必须将

pH值调整到中性,还应该注意反应器的耐酸性。

2.4蒸汽爆破法

蒸汽爆破法属于物理处理化学法,是用蒸汽将原料加

热至180～200℃,维持5～30min,也可加热到245℃,维持

0.5～2.0min。高温高压造成木质素的软化,然后迅速使原料

减压,造成纤维素晶体和纤维束的爆裂,使木质素和纤维素

分离。该法成本较高,在我国可采用北京林业大学赖文衡教

授研究的间歇蒸汽汽爆器对玉米秸秆进行爆破处理,经这

种爆破器爆破的玉米秸秆,纤维素水解转化率(ECC)可达

70%以上。

2.5生物方法

生物处理方法具有节约化工原料、能源和减轻环境污

染等方面的优点。有许多微生物能产生木质素分解酶,如白

腐菌,其分解木质素的能力较强,但活性较低,而且微生物

处理周期长、菌体会破坏部分纤维素和半纤维素,降低纤维

素的水解率,因此难以得到利用。瑞典等北欧国家则利用无

纤维素酶的担子菌突变株对纤维素材料进行脱木质素处

理,取得了一定的效果。

玉米秸秆发酵生产燃料酒精研究现状及前景

武秀琴1,2马灿玲3

(1天津科技大学,中国天津3002222河南工程学院环境工程系3郑州师范高等专科学校生物系)

摘要玉米秸秆是一种丰富的再生资源,主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。经过预处理、水解、发酵可生产酒精。预处理方法主要

有物理法、化学法、物理化学法及生物处理法水解主要有酸水解法和酶水解法发酵主要有直接发酵法、间接发酵法、同步糖化发酵法等。

介绍了玉米秸秆生产乙醇的关键技术进展情况。

关键词秸秆酒精预处理研究进展

中图分类号TS262.2文献标识码A文章编号1007-5739(2008)13-0240-02

收稿日期2008-05-07

240现代农业科技》2008年第13期

3水解工艺

玉米秸秆进行预处理后,纤维素水解只有在催化剂存

在的情况下才能显著进行。常用催化剂是无机酸和酶,由此

分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺,酸水解工艺又分为

稀酸水解和浓酸水解。水解主要是破坏纤维素、半纤维素的

氢键,使之转化为发酵的单糖。

3.1浓酸水解

用70%的硫酸50℃下在反应器中反应2～6h,半纤维素

首先被降解,溶解在水里的物质经过几次浓缩沥干后得到

糖,半纤维素水解后的固体残渣经过脱水后,在30%～40%的

硫酸中浸泡1～4h。溶液再经脱水和干燥后,在70%的硫酸下

反应1～4h,回收的糖和酸溶液经过离子交换,分离出的酸在

高效蒸发器中重新浓缩,剩余的固体残渣则再循环利用到

下一次的水解中。浓酸水解过程的主要优点是糖的回收率

高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。但浓

硫酸腐蚀性强,而且从经济方面考虑必须回收浓硫酸,增加

了工艺的复杂程度。

3.2稀酸水解

为了解决浓酸水解法存在的问题,一般采用稀硫酸

(0.2%～0.5%),在较温和条件下进行。此时水解一般分2个

阶段:第1阶段为低温操作,从半纤维素获得最大糖产量

第2阶段采用高温操作使纤维素水解为六碳糖,糖的转化

率一般为50%左右。但稀酸水解容易产生大量副产物。

3.3酶水解

酶水解是利用产纤维素酶的微生物或者纤维素酶制

品,直接将半纤维素、纤维素水解成可发酵糖。与酸水解相

比,它可在常压下进行,反应条件温和、效率高、能耗低、选

择性强、环保效果好,显示出良好的应用价值和前景。水解

后可形成单一产物,产率较高(>95%)。匈牙利Eniko等人采

用NovoYm188等水解经湿氧化处理的玉米秸秆,酶解纤维

素转化率(ECC)高达85%。

该法的关键在于纤维素酶的获得和利用,同时要考虑

纤维素酶的成本。丹麦诺维信公司曾经宣布其纤维素酶生

产成本已比当初降低了12倍,现在该公司又取得了重大进

展,纤维素酶生产成本已比最初降低了20倍,生产lL燃料

级乙醇所需纤维素酶的成本已低于6.6美分。这极大地推进

了燃料乙醇的商业化进程。

4发酵工艺

由于农作物秸秆的相当部分由半纤维素构成,其水解

产物为以木糖为主的五碳糖,还有相当量的阿拉伯糖生成

(可占五碳糖的10%～20%),故五碳糖的发酵效率是决定过

程经济性的重要因素。木糖的存在对纤维素酶水解起抑制

作用,将木糖及时转化为酒精对玉米秸秆的高效率酒精发

酵是非常重要的。目前人们研究最多且最有工业应用前景

的木糖发酵产乙醇的微生物有3种酵母菌种,即管囊酵母、

树干毕赤酵母和体哈塔假丝酵母,主要的发酵方法有以下

几种。

4.1直接发酵法

直接发酵法是基于纤维分解细菌直接发酵纤维素生产

乙醇,不需要经过酸水解或酶水解前处理过程。一般利用混

合菌直接发酵,例如热纤梭菌(Clostridium thermoceUum)能

分解纤维素,但乙醇产率较低(50%),热硫化氢梭菌(Col-

stridium thermohydz)不能利用纤维素,但乙醇产率相当高,

如果进行混合发酵,产率可达70%。吕福英介绍了热纤梭菌

的生理生化特性及发酵生产的研究进展,并对热纤梭菌发

酵生产乙醇的因素以及乙醇等发酵产物对热纤梭菌的抑制

作用作了概述。但热纤梭菌产生乙醇也存在以下问题:发酵

不完全、发酵速度慢、终产物乙醇和有机酸对细胞有相当大

的毒性,需要进一步改进。

4.2间接发酵法

间接发酵是目前研究最多的一种方法。使用纤维素酶

水解纤维素,收集酶解后的糖液作为酵母发酵的碳源,先用

纤维素酶水解纤维素,酶解后的糖液作为发酵碳源。但是受

末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制作用影响乙

醇产量。因此可采取的方法有:减压发酵法和阿尔法—拉伐

公司的Bi-otile法,还可以通过筛选在高糖浓度下存活并能

利用高糖的微生物突变菌株来克服基质抑制。

4.3同步糖化发酵法(SSF法)

这种方法的原理和间接发酵法相同,是为了克服反馈

抑制作用,由Gauss等提出的在同一反应器中糖化和发酵同

步进行。这样纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程

在同一装置内连续进行。水解产物葡萄糖由于菌体的不断

发酵而被利用,消除了葡萄糖因基质浓度对纤维素酶的反

馈抑制作用。在工艺上采用一步发酵法,简化了设备,节约

了总生产时间,提高了生产效率。当然也存在一些抑制因

素,如木糖的抑制作用,糖化和发酵温度不协调。张继泉在

这方面进行了大量的实验研究,并取得了一定的进展。

4.4固定化细胞发酵

固定化细胞发酵能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可

连续使用,使最终发酵液酒精浓度得以提高。常用的固定化

载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。固定化细胞的新动

向是混合固定细胞发酵,如酵母与纤维二糖酶一起固定化。

将纤维二糖基质转化成乙醇,被看作是玉米秸秆生产乙醇

的重要方法。

5结论与展望

今后,玉米秸秆生产酒精的研究方向将主要集中在以

下几个方面。

5.1预处理方法

单纯的物理法和化学法不足以破坏纤维素晶体结构以

及去除半纤维素和木质素,应综合运用物理法与化学法,一

步完成预处理和水解2个阶段,有效提高纤维素的水解率。

5.2糖化工艺

发酵过程的酒精产率受许多因素影响,其中主要是水

解效率和单糖产量。比较而言,酶水解较酸水解有较大的优

越性,将成为今后糖化工艺的主要发展方向。

(下转第243页)

大田农艺

241现代农业科技》2008年第13期

区,在生产中培育优质高产栽培典型,将优良品种、生产技

术传授给农民,提高生产水平,从而自觉地实行生产操作规

程。为此,课题组要求各县(市)区狠抓园区建设工作,3年总

计建设20个千亩以上园区,均收到了良好的效果。在新品

种引进种植展示园和绿色有机杂粮规范化种植展示园方

面,通过实地技术操作和展示效果验证,产生了较强的辐

射带动作用。

2.7为确保实现标准化生产,在栽培管理上大力推选“九

改”集成技术

实现了从基地到餐桌全过程质量控制,涌现出许多谷

物优质高产典型。如2005年北票市北四家子乡南四家子村

集中连片种植朝新谷5号33hm2,平均产量7 740kg/hm2,最

高产量达到9 780kg/hm2。

2.8兴建龙头企业,培育绿色有机杂粮市场,延长产业链,

提高产品附加值

“辽西绿色有机杂粮生产基地建设与食品开发”项目实

施3年,累计建设杂粮生产基地5.33万公顷以上,其中绿色

有机杂粮生产基地2.16万公顷,从而形成了规模效应,为农

产品加工业提供了可靠的优质原料保障。目前全市共有各

类杂粮加工企业743个,年生产加工销售能力100万吨,其

中绿色有机杂粮6万吨,实现销售收入4.5亿元。同时,杂粮

基地规模化也带动了当地的杂粮市场建设。东北最大的杂

粮集散地建平朱碌科,建起25 000m2的杂粮交易批发市场,

绿色有机杂粮收购、加工、销售“十里长街”已初具规模,产

品主要销往国内大中城市并出口日本、韩国、德国、新西兰

等国家。

3项目成效

3.1规模大、有特色

建设绿色有机杂粮生产基地与食品开发,认证标识累

计规模为2.16万公顷,占全省认证总面积的60%,具有先进

农业区域经济与外向型经济的特色。经国内同行专家验收

一致认为:该项目产业化规模和技术水平在我国同类地区

具有领先地位。

3.2为旱作农业开辟了一条新路

针对辽西干旱地区的自然地理条件的特点,科学地开

发利用有限的耕地,实施绿色、有机杂粮标准认证,提高了

农产品的质量,创造了农业干旱地区增产增收的新途径。

3.3创出一条“科研+公司+农户+生产基地”四位一体的新

模式

形成产、加、销良性循环,拉动绿色有机杂粮加工业的

发展,实施农业名牌战略,提高了绿色有机杂粮食品的市场

占有率。3年累计出口创汇1.37亿元,促进了外向型经济的

迅猛发展。

3.4提高了农产品的附加值

3年中,绿色A级杂粮平均产值为1.92万元/hm2,平均

效益为1.60万元/hm2有机食品产值2.79万元/hm2,效益为

2.41万元/hm2。绿色、有机杂粮平均效益为2.03万元/hm2,比

项目区外杂粮对照平均效益增收1.03万元/hm2。

3.5改善了农业生态环境

绿色、有机农业就是生态农业。通过该项目的实施,在

认证的区域范围内,从根本上改变了农业的耕作方式,保护

了生态体系及周围环境生物的多样性,有效地减少和治理

了环境污染,不仅提供了安全的食品,而且促进了人与自然

的和谐。

通过3年绿色有机杂粮生产基地建设项目的实施,极

大地推进了科技产业化进程,推动了外向型经济的快速发

展,促进了第二、第三产业的繁荣,加速了杂粮新品种的更

新换代。由于推广粮草兼用型朝新谷5号新品种粮草比为

1∶1.3,不仅促进了农业的二元结构向三元结构的转移,而且

还带动了辽西畜牧业的发展。实践证明:干旱地区建设绿色

有机杂粮生产基地,在科技产业化中发挥了重要的作用,具

有广阔的前景。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(上接第241页)

5.3发酵菌株

菌种是发酵工业的灵魂,在玉米秆原料生产酒精过程

中,运用现代的育种技术培育出高效的直接发酵菌株,在适

应特殊基质条件、简化生产工艺等方面将会有所突破。若能

筛选到抗高浓度糖的基因突变菌株则可以克服纤维素原料

水解过程的抑制效应,提高发酵效率。

5.4发酵工艺

可以采用一定的技术手段,将发酵过程产生的乙醇不

断抽出,使发酵罐中的乙醇浓度≤10%,减轻乙醇对菌株生

长及乙醇生成的抑制作用,降低生产成本。

以玉米秸秆等纤维素生产酒精技术是世界各国研究的

热点,与其他生物能源、替代能技术相比,无论是在经济合

理性、技术可行性方面,还是在资源可持续性和环境协调性

方面都具有明显的优势,而且还可解决我国的石油资源短

缺和环境污染问题,有利于保证国家能源安全和社会协调

发展。

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大田农艺

243

发酵法 ：就是人们熟知的酿酒，几千年以前人类已学会酿酒。发酵法可采用各种含糖、淀粉或纤维素的农产品、林产品、工业副产、农业副产及野生植物为原料，整个生产过程分为原料蒸煮、糖化剂制备、糖化(水解)、酵母制备、发酵及蒸馏等工序。每吨乙醇需消耗3吨多粮食或5吨多白薯干。在一些农副产品丰富的国家，发酵法至今仍是生产乙醇的主要方法。

合成法：是以乙烯为原料生产乙醇。1825年俄国人发现乙烯和硫酸经酯化、水解可合成乙醇，1930年该法首次在美国实现工业化。随着石油化工的迅速发展，合成法生产的乙醇产量越来越大，但该法生产的乙醇中夹杂着异构高碳醇，对人有麻痹作用，不宜作食品、饮料、医药和香料等。所以，即使在石油化工发达的国家，发酵法乙醇仍占有一定比例。

乙醇是一种有机物，俗称酒精，结构简式CH?CH?OH、C?H?OH或，分子式C?H?O，是带有一个羟基的饱和一元醇，在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有酒香的气味，并略带刺激。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。

感觉这样的提问没有什么意义

建议，可以自己查阅下资料

汉词“发酵”作为名词表示一个过程，作为动词表示一种行动。

(1)微生物生理学严格定义的“发酵”:

有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程统称为生物氧化。

微生物生理学把生物氧化区分为呼吸和发酵，呼吸又可进一步区分为有氧呼吸和无氧呼吸。因此，发酵是生物氧化的一种方式。

发酵是这样一种生物氧化方式：在没有外源最终电子受体的条件下，化能异养型微生物细胞对能源有机化合物的氧化与内源的（已经经过该细胞代谢的）有机化合物的还原相耦合，一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链上的电子传递和电子传递磷酸化，而是通过底物（激酶的底物）水平磷酸化来获得代谢能ATP；能源有机化合物释放的电子的一级电子载体NAD,以NADH的形式直接将电子交给内源的有机电子受体而再生成NAD，同时将后者还原成发酵产物（不完全氧化的产物）。

细胞中的NAD是有限的，如果作为一级电子载体的辅酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的电子载体就会愈来愈少，脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶NAD的再生是生物氧化（包括发酵）继续进行下去的必要条件。

(2)工业生产上定义的发酵——“工业发酵”

工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。工业发酵要依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。

近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

(3) 专业词汇“发酵（fermentation）”

“发酵”这个词汇在生活中往往是人联想到发面制作大饼、油条、馒头、包子，或者联想到食品酸败物品霉烂。

“发酵”作为专业词汇其含义不但覆盖发面制作大饼、油条、馒头、包子，更重要的是指用发酵的手段工业化生产酒及酒精饮料、食品及食品添加剂、饲料及饲料添加剂、药品、化工材料等等。

自絮凝颗粒酵母酒精发酵新技术

生物酒精是生物质资源与现代石油化学工业连接的关键节点，开发其生产的创新技术，特别是工程化技术，对国家实现石油资源替代的战略目标，具有十分重要的意义。同时可以拓宽农产品加工转化渠道，稳定农业种植结构，延长农产品加工产业链。我国现有酒精发酵行业普遍存在原料资源利用不合理、污染物治理成本高的突出问题，急需发展创新技术，提升这一传统产业的制造水平。

一、攻关任务及完成情况

本课题针对酒精发酵技术存在的诸多问题，在依托现代生物技术，选育酒精发酵性能优良且具有自絮凝能力酵母菌株的基础上，发展了一种全新的酒精发酵工艺技术--自絮凝颗粒酵母酒精发酵新技术，以期替代引进技术，为国家"十五"期间规划发展及试点建设的燃料酒精装置，提供技术支撑。本课题的任务是建立1套万吨级规模工业性试验装置，解决自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵新技术的工程放大问题。

（1）在原料前处理综合利用基础上，实现清液发酵，自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵的发酵罐单级容积规模放大到100m3，多级串联操作，建立万吨级规模工业性试验装置。

（2）在前序液化和糖化工段糖浓度25%（w/v）得以保证的条件下，发酵终点酒精浓度达到12.0%（v/v），超过吉林燃料酒精装置引进奥地利VOGELBUSCH公司技术11.5%（v/v）的指标。

（3）连续发酵的平均发酵时间达到25～30h，与吉林燃料酒精装置引进奥地利VOGELBUSCH公司技术的50～60h相比，缩短1倍，发酵罐的设备生产强度指标相应提高1倍。

（4）降低废糟液中污染物总量，达到源头减废，COD指标从现有酒精发酵工艺的（40000～60000）×10-6降低到（20000～30000）×10-6，污染物总量减少50%。

（5）在万吨级规模工业性试验装置运行的基础上，预测燃料酒精生产成本降低5%。

2004年9月，课题组在安徽丰原生化公司建立了万吨级规模的自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵扩大中试装置，2004年12月实现稳定运行，各项经济技术指标均达到设计要求，并超过国内外现有酒精发酵技术的水平。2005年1月23日通过教育部组织的成果鉴定。

二、技术特点

与国内外酒精发酵技术相比，该技术的主要创新点和先进性体现在：

（1）选育了1株具有自絮凝特征的酵母菌株，酵母细胞以自絮凝颗粒的形态在发酵罐中实现固定化，发酵罐中酵母细胞密度提高3～5倍，平均发酵时间由60～70h缩短至30h，发酵罐总容积规模和建设投资相应降低。

（2）在原料前处理综合利用的基础上，实现清液发酵，不仅提高了原料的综合利用程度，而且可以方便地回收副产酵母，进行深加工，酒精生产的综合经济效益显著提高。

（3）自絮凝酵母具有良好的沉降性能，酵母回收采用自沉降，与国外清液发酵采用离心机分离回收酵母的工艺技术路线相比，可以节省设备投资、运行能耗和维护费用。

（4）国内现有酒精生产工艺技术（带渣发酵），普遍采用DDGS技术处理废糟液，不仅设备投资大，运行能耗高，废糟液离心分离后上清液COD高达50000～60000mg/L以上，无法以较大比例在生产系统中循环使用。自絮凝颗粒酵母酒精发酵新工艺技术，废糟液COD总量平均为27500mg/L，降低了50%以上，废糟液能够以较大比例循环使用，有助于实现清洁生产。

三、推广应用情况及前景

目前，这一单元放大技术已经在丰原生化新建20万t/a燃料酒精装置中采用，于2005年12月开始试运行，悬浮床生物反应器的容积规模已经放大到1000m3。

（1）采用清液发酵技术，在液化后过滤分离原料残渣时，导致约5%的淀粉损耗，但增加同样数量的蛋白饲料，蛋白饲料价格高于玉米本身价格，对综合生产成本不产生不利影响。

（2）酒精生产的辅助材料消耗不发生任何改变。

（3）回收酒精产量3%的酵母，市场价格为3700元/t，扣除加工成本700元/t，可冲减酒精生产成本90元/t。

（4）不采用DDGS技术处理废糟液，70%的废糟液直接循环使用，而现有酒精生产技术，废糟液直接循环使用比例为30%，吨酒精生产减少废糟液蒸发量40%，约4t，节省能耗（折蒸汽）约4.5t，冲减酒精生产成本315元/t。

（5）酒精发酵时间缩短1倍，发酵罐总容积规模相应减小1倍，不采用DDGS技术处理废糟液，不采用高速离心机分离酵母，固定资产投资约节省8000万元。

采用该技术，可以使酒精生产成本冲减约480元/t。目前，利用该技术建设的玉米原料酒精生产企业酒精生产的全成本约为4500元/t，该项目采用新工艺新技术，可以使吨酒精生产成本降低10%以上。

同型乙醇发酵（homoalcholic fermentation）：

酿酒酵母能够通过EMP途径进行同型酒精发酵,即由EMP途径代谢产生的丙酮酸经过脱羧放出CO2,同时生成乙醛,乙醛接受糖酵解过程中释放的NADH+H+被还原成乙醇.这是一个低效的产能过程,大量能量仍然贮存于乙醇中,其总反应为：

葡萄糖 ＋ 2ADP + 2Pi ----- 2乙醇 + 2 CO2 + 2ATP

运动发酵单胞菌能通过ED途径进行同型乙醇发酵,但只产生1个ATP.

葡萄糖 ＋ ADP + Pi 2乙醇 + 2 CO2 +ATP

缺乏完整EMP途径的少数细菌（假单胞菌,根瘤菌,农杆菌,粪肠球菌）利用ED途径替代EMP途径产能.

异型乙醇发酵（heteroalcoholic fermentation）：

一些细菌能够通过HMP途径进行异型乳酸发酵产生乳酸、乙醇和CO2等,我们也可以称其为异型乙醇发酵,例如Leuconostoc mesenteroides（肠膜明串珠菌）进行的异型乙醇发酵总反应式为：

葡萄糖 ＋ ADP + Pi ----- 乳酸 + 乙醇 + CO2 + ATP

1、淀粉质和纤维质原料的水解 淀粉是多糖中最易分解的一种，由许多葡萄糖基团聚合而成。天然淀粉具有直链淀粉和支链淀粉两种结构，它们在性质和结构上有差异。 直链淀粉是-D葡萄糖通过幔1.4糖苷键连接而成的聚合物。一般认为，直链淀粉的聚合度在200~1000范围内，分子量32400~162000，近来发现聚合度更高的直链淀粉。天然直链淀粉分子卷曲成螺旋形，螺旋的每一圈含有6个葡萄糖残基。直链淀粉水溶解于70℃~80℃的温水，遇碘呈深蓝色。在大多数植物淀粉中，直链淀粉含量为20%~29%、25%和24%。 支链淀粉是幔璂葡萄糖通过幔1，4糖苷键及幔1，6糖苷键(在分支点上)连接而成的聚合物。其分子较直接淀粉的大，分子量可达107，分支点之间平均有5~8个葡萄糖苷键。支链淀粉各个分支卷曲成螺旋状，整个分子近似球形。支链淀粉不溶解于温水，遇碘呈蓝紫。

2、淀粉的糊化、液化 淀粉在水中经加热会吸收一部分水而发生溶胀。如果继续加热至一定温度(一般在60℃~80℃)，淀粉粒即发生破裂，造成黏度迅速增大，体积也随之迅速变大，这种现象称为淀粉的糊化。 不同种类淀粉糊化温度有所不同，苷薯、马铃薯、玉米和小麦淀粉的糊化温度分别为70℃~76℃、59℃~67℃、64℃~72℃和65℃~68℃。发生糊化现象称为淀粉的溶解，或称为液化。马铃薯、小麦和玉米支链淀粉完全液化的温度为132℃、70℃~80℃、136℃~141℃和146℃~151℃。

3、淀粉水解 淀粉水解又称糖化，通过添加酶制剂或糖化曲来完成。糖化曲中含有的并起作用的淀粉酶类包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶(脱支酶)。α-淀粉酶能从分子内部切开α-1.4糖苷键，但不能水解α-1.6糖苷键及靠近α-1.6糖苷键的几个α-1.4糖苷键。当α-淀粉酶作用于淀粉糊时，能使其黏度迅速下降，故又称液化酶。直链淀粉经该酶水解的最终产物为葡萄糖和麦芽糖，支链淀粉水解产物除葡萄糖、麦芽糖外，还有具有α-1.6键的极限糊精和含有4个或更多葡萄糖残基的带键的低聚糖。 β-葡萄糖淀粉酶能从淀粉的非还原末端逐个切下麦芽糖单位，但不能水解α-1.6糖苷键，也不能越过α-1.6糖苷键水解α-1.4糖苷键，所以该酶水解支链淀粉时留下分子量较大的极限糊精。 葡萄糖淀粉酶能从淀粉的非还原末 端逐个切下葡萄糖，它既能水解α-1.6糖苷键，又能水解α-1.4糖苷键。由于形成的产物几乎都是葡萄糖，因此该酶又称为糖化酶。异淀粉酶专一水解α-1.6糖苷键，因此能切开支链淀粉的分支。另外，在糖化曲中除含有淀粉酶类外，还含有一些蛋白酶等，后者在糖化过程中能将蛋白质水解成胨、多肽和氨基酸等。 总之，淀粉在以上几类酶的共同作用下被彻底水解成葡萄糖和麦芽糖。麦芽糖可在麦芽糖酶的作用下进一步生成葡萄糖。

4、纤维质原料的水解 纤维素是由葡萄糖通过β-1.4糖苷键连接而成的聚合物，是一种结构上无分枝、分子量很大、性质稳定的多糖。其分子量可达几十万，甚至几百万。纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，稻麦秸秆、木材、玉米芯的纤维素含量分别为40%~50%、40%~50%、53%。在植物细胞壁中，纤维素总是和半纤维素、木质素等伴生在一起。 半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称。构成半纤维素的成分有D-葡萄糖、D-甘露糖和D-半乳糖等己糖，及D-木糖、L-阿拉伯糖等戊糖以及糖醛酸等。常见的半纤维素分子有:D-木聚糖、L-阿拉伯聚糖-D-木聚糖、L-阿拉伯聚糖D-半乳聚糖、L-阿拉伯聚糖-D-葡萄糖醛酸-D-木聚糖、D-半乳聚糖-D-葡聚糖-D-甘露聚糖等。这些多聚糖的聚合度(DP)为60~200，直链或分枝。半纤维素与纤维素不同，它很容易水解，但由于它们总是交杂在一起，只有当纤维素也被水解时，才可能全部被水解。 根据采用的方法不同可将纤维素的水解法分成三种，即稀酸水解法、浓酸水解法和酶水解法。纤维素酸水解所用的酸为硫酸、盐酸和氢氟酸等强酸。 水解反应式为:(C6H10O5)n十nH20→nC6H12O6 无机强酸催化纤维素分解的机理是:酸在水中解离产生H+，H+与水构成不稳定的水合离子H3O+，当H3O+与纤维素链上的β-1.4糖苷键接触时，H3O+将1个氢离子交给该糖苷键上的氧，使它变成不稳定的四价氧。当氧键断裂时，与水反应生成两个羟基，并重新放出H+。H+可再次参与催化水解反应。溶液中H+浓度越高，水解速度越快。 酶水解采用的酶是纤维素酶，它是一种复合酶类，故又称纤维素酶复合物。已知纤维素酶复合物由C1和Cx组成。 天然纤维素的分解过程是:纤维素先被Cl酶降解为较低分子化合物，同时具有水合性，其次由所谓Cx的几种酶作用形成纤维二糖。纤维二糖再由纤维二糖酶(-葡萄糖苷酶)水解成葡萄糖。由于纤维素的性能稳定,无论用酸水解还是用酶水解，都存在水解速度慢,糖得率低的问题，这是影响纤维素科学利用的难题之一。

5、酵母菌的乙醇发酵 酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，其生化过程主要由两个阶段组成。第一阶段己糖通过糖酵解途径(EMP途径)分解成丙酮酸。第二阶段丙酮酸由脱羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛进一步被还原成乙醇，整个过程由下图所示。 葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为: C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量 发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的其他副产物，包括甘油、有机酸(主要是琥珀酸)、杂醇油(高级醇)、醛类、酯类等，理论上1mol葡萄糖可产生2mol乙醇即180g葡萄糖产生92g乙醇，的率为51.5%，

(1)用甲基磺酸乙酯对酿酒酵母双倍体菌株进行随机诱变,使待处理菌液中所述甲基磺酸乙酯的体积终浓度为2%-4%,所述酿酒酵母双倍体菌株的浓度为2×106～6×106个细胞/ml

(2)通过高效产孢,孢子纯化和充分融合的3-5轮有性重组,使文库中菌株间发生基因组重排,构建酿酒酵母乙醇高产菌株.本发明的方法所构建的重组菌株乙醇产量较对照菌株提高了8.88%,残糖降低了64.37%,发酵周期缩短了10小时,乙醇及高渗透压抗性是对照菌株的5.10倍,为燃料乙醇工业生产提供了优良的菌株.