固定化酵母在燃料乙醇发酵中的应用有哪些

1.酵母发酵产生酒精原理是酒精的发酵过程中，酵母菌进行的是属于厌气性发酵，进行着无氧呼吸，发生了复杂的生化反应。

2.从发酵工艺来讲，既有发酵醪中的淀粉、糊精被糖化酶作用，水解生成糖类物质的反应，又有发酵醪中的蛋白质在蛋白酶的作用下，水解生成小分子的蛋白胨、肽和各种氨基酸的反应。

3.这些水解产物，一部分被酵母细胞吸收合成菌体，另一部分则发酵生成了酒精和二氧化碳，还要产生副产物杂醇油、甘油等。

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。

干酵母（Dried yeast)：它是通过淀粉酶将淀粉变成醣类，再由醣类分解产生大量二氧化碳气体，从而达到使面团蓬松的目的。

发酵粉：主要成份是碳酸氢钠（小苏打），它受热便分解产生二氧化碳气体。有的发酵粉是用碳酸氢钠和磷酸二氢钠混合物为主要成份，作用是一样的。

材料：面粉、鲜酵母或老面、碳酸氢钠（小苏打）或碳酸钠（大苏打）、水

工具：面盆、面板、铁锅、竹蒸屉、纱布、抹布

用小豌盛冷水融化鲜酵母块，老面要实现用冷水泡一小时，再用手捏化。酵

母和老面的用量看说明书或凭经验。

【1、和面】

面盆放入面粉，面粉堆积成火山形状，中间挖成坑，用碗倒入水和融化的酵

母（或老面），不断用筷子搅拌，直到筷子搅拌不动；

事先洗净手，用手开始和面。面可以适当湿一些，一般用手抓住面，翻身折

叠之后用拳头再压下去；

揉面直到面越来越均匀，可以用大面团将面盆四周和手上的面都粘掉。揉面

过程可以适当加水或面，以调整软硬，发面要适当软一些，用手指可以轻易按出

坑来；

揉面应该做到揉完之后手上不沾面粉和面；

【2、发面（醒面）】

最后把面收成一个大团，褶皱在下，光面在上，仍放在面盆中。上面盖上两

层干净湿润的纱布，放温暖处 6-12 小时；这个过程中不要再动面团。

【3、揉面】

检查发面团，用手指抠开表面，可以看到面团里面长满了酵母生长所产生的

二氧化碳气泡。用鼻子闻可以闻到与鲜酵母相似的香气和略微的酸味；

架上面板，抓一把面粉铺在板子上，从面盆中取出面团，面团底部可能会粘，

可以抠下来或用面团反复粘下来；

在面板上洒上适量的小苏打或苏打（量只能凭经验了），开始揉面！两手抓

住面团，右手把面团抓起后用手掌或拇指根部下压，如此反复，左右交替；

【4、成形】

★ 提示，如果是冬天，现在可以架铁锅烧水了！

到面团富有弹性的时候，用双手把面团在面板上擀出手臂粗细的杆状，再用

干面粉轻轻撒在面杆上，用手轻轻抚顺；

用刀每隔三个手指头的距离切一刀，做成馒头胎；也可以用手揪出等大小的

面团，再揉成光面向上，褶子在下的圆形馒头胎；

【5、蒸！】

洗净的纱布铺在笼屉上，把馒头胎均匀放在纱布上，馒头之间要留两个手指

的距离，以免熟了之后互相粘连；

所有的馒头入屉后，把笼屉一个摞一个地整齐地码放在铁锅上。最后盖上盖

子。蒸馒头应该用冷水，冬天可以用温水；

中火烧水，水开后20分钟，馒头就熟了。用抹布垫手打开盖子，注意不要用

脸正面凑上去，以免烫伤；

发现碱大发黄时，锅里加进少量醋，再蒸10分钟左右，可以稍稍补救；馒头

发现碱大发黄时，锅里加进少量醋，再蒸10分钟左右，可以稍稍补救；馒头

蒸熟后，把笼屉上盖揭开，再蒸3-5分钟，笼屉布就不粘馒头了。

用过的笼屉和屉布要及时清洗晾晒。

1.纯碱:

性状:

白色颗粒状的无水物，易溶于水，常温时暴露在空气中能吸收CO2和水，并放出热量，逐渐转成NaHCO3且结块。

用途:

重要的基本化工原料之一。在化工、冶金、国防、纺织、印染、食品、玻璃、搪瓷、医药、造纸等领域都有广泛应用。

2.食用小苏打

性状：

白色粉末或细微结晶，无臭、味咸、易溶于水，微溶于乙醇，水溶液呈微碱性。受热易分解。在潮湿空气中缓慢分解。

用途:

食品工业的发酵剂,洗涤剂的配合剂,二氧化碳发生剂,医药原料,用于羊毛的洗涤剂、皮革、选矿冶炼、灭火剂及金属的热处理，纤维、橡胶工业等。

家庭时经常用它当发酵粉做馒头。但蒸熟的馒头往往不太暄软，这因为小苏打遇热放出的二氧化碳气不多，馒头中产生的小气孔少，面起发的不好。

另方面小苏打本身是碱性物质，如用量稍多，馒头就会产生碱味，色泽发黄，维生素被破坏，效果很不理想。如果在小苏打中加入一定量的醋酸（食和醋）就可弥补以上的不足。不仅可产生大量的二氧化碳气体，而且也不会有很大的碱味。

3泡打粉

泡打粉是为适应糕点

泡打粉广泛用于食品的快速发酵，特别适用于中高档蛋糕、曲奇等烘焙制品的制作。

4.酵母:

酵母是对人类贡献最大的微生物工业产业。自从人类酿酒、制醋、制酱的历史开始之初，就与酵母打交道，这可以追溯到几千年前的古巴比伦时代和中国的周朝以前。作为药用，早在几十年前美、英、日本都将酵母收载入国家药典，中医早在数百年前就已经用酵母来治疗消化道疾病。

酵母作为微生物菌体被人类工业化生产，也是全球之最，没有任何微生物品种可与之相比，全世界产量达上百万吨，分布在全球各国，国家不分大小和贫富，都有酵母厂或者用酵母生产的产品。因为人们每天赖以生存的面粉食品，必须经酵母发酵才能食用，人们喜爱的各种酒类饮料都必须经酵母菌发酵而成。

酵母对人类饮食生活的贡献巨巨大。现代生物技术的发展，扩大了酵母菌在人类社会中的作用范围。食品、化工、冶金、信息、能源、环保、制药、美肤等领域都有酵母菌的广泛应用。酵母作为工程菌生产高级生化产品和药品的产品已经层出不穷，利用酵母生产燃料酒精已经实现。利用酵母生产新一代健康调味品已经初具规模，从酵母细胞里提取的药物已达十多种。

活性干酵母是利用现代生物技术和先进设备将工业规模生产的酵母细胞干燥成干物质95%以上，水分5%以下的产品。抽真空包装，架上寿命为一年。其见水后瞬间即变成具有生理活性的细胞。所以又称之为即发活性干酵母。该产品被广泛用于食品工业和发酵工业。

面包活性干酵母作为面粉的膨松剂，用于面包、馒头、饼干的生产制作。

酒用活性干酵母用于白酒、酒精、醋的生产发酵，可以节约人力、物力，降低成本，提高粮食利用率（3-5%）。目前国内正在以酒用活性干酵母代替白酒厂和酒精厂酒母培养车间，大大节省了建厂投资。啤酒、葡萄酒等企业也需要专用的啤酒和葡萄酒酵母，提高酒的品质。

多种微生物（如酵母菌，根霉，曲霉，某些细菌）能通过称为乙醇发酵的过程，将糖转变成乙醇和CO2。乙醇发酵也分为同型乙醇发酵（homoalcholic fermentation）和异型乙醇发酵（heteroalcoholic fermentation）两类。

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、酵母是单细胞微生物。它属于高等微生物的真菌类。有细胞核、细胞膜、细胞壁、线粒体、相同的酶和代谢途经。酵母无害，容易生长，空气中、土壤中、水中、动物体内都存在酵母。有氧气或者无氧气都能生存。

2、酵母是兼性厌氧生物，未发现专性厌氧的酵母，在缺乏氧气时，发酵型的酵母通过将糖类转化成为二氧化碳和乙醇（俗称酒精）来获取能量。

3、多数酵母可以分离于富含糖类的环境中，比如一些水果（葡萄、苹果、桃等）或者植物分泌物（如仙人掌的汁），一些酵母在昆虫体内生活。

扩展资料：

生殖方式

1、芽殖：这是酵母菌进行无性繁殖的主要方式。成熟的酵母菌细胞，先长出一个小芽，芽细胞长到一定程度，脱离母细胞继续生长，而后形成新个体。有一端出芽、两端出芽、三端出芽和多端出芽。

2、裂殖：少数种类的酵母菌与细菌一样，借细胞横分裂而繁殖。

3、芽裂：母细胞总在一端出芽，并在芽基处形成隔膜，子细胞呈瓶状。这种方式很少。

4、子囊孢子：在营养状况不好时，一些可进行有性生殖的酵母会形成孢子（一般来说是四个），在条件适合时再萌发。一些酵母，如假丝酵母（或称念珠菌，Candida）不能进行有性繁殖。

参考资料：百度百科---酵母

（1）增氧性强，助燃效果好。燃料乙醇按10%的比例混配入汽油中，可使氧含量达到3.5%，助燃效果好，汽油燃烧充分，使汽车的有害尾气排放总量降低33%以上。并可使辛烷值提高2—3个单位，提高了油品的抗爆性。

（2）溶解性好，清洁油路。车用乙醇汽油中的燃料乙醇是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除汽车油箱及油路系统中沉淀和凝结的杂质，具有使油路疏通的作用。

（3）燃烧充分，减少积炭。由于车用乙醇汽油燃烧充分，可有效地预防和消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器等部位积炭的形成，延长发动机和主要部件的使用寿命。

（4）亲水性强，使用不当会分层。乙醇是亲水性液体，易与水互溶，如果油箱中沉积有水分或在车用乙醇汽油中混入水分，使油品水分超标，会出现燃料乙醇与调和组分油分层现象，影响发动机正常工作。因此，首次使用时，应对油箱进行一次检查。

酵母菌是一些单细胞真菌，并非系统演化分类的单元。酵母菌是人类文明史中被应用得最早的微生物。目前已知有1000多种酵母，根据酵母菌产生孢子(子囊孢子和担孢子)的能力，可将酵母分成三类：形成孢子的株系属于子囊菌和担子菌。不形成孢子但主要通过芽殖来繁殖的称为不完全真菌，或者叫“假酵母”。目前已知大部分酵母被分类到子囊菌门。酵母菌在自然界分布广泛，主要生长在偏酸性的潮湿的含糖环境中，例如，在水果、蔬菜、蜜饯的内部和表面以及在果园土壤中最为常见。 [编辑本段]【生理】</B>酵母营专性或兼性好氧生活，目前未知专性厌氧的酵母。在缺乏氧气时，发酵型的酵母通过将糖类转化成为二氧化碳和乙醇来获取能量。

C6H12O6(葡萄糖)→2C2H5OH(酒精)+2CO2↑

在酿酒过程中，乙醇被保留下来；在烤面包或蒸馒头的过程中，二氧化碳将面团发起，而酒精则挥发。

在有氧气的环境中，酵母菌将葡萄糖转化为水和二氧化碳，例如，我们吃的馒头、面包都是酵母菌在有氧气的环境下产生膨胀的。 [编辑本段]【化学元素组分】酵母的化学组成与培养基、培养条件和酵母本身所处的生理状态有关。

一般情况下：

酵母细胞的平均元素组成(%)如下：

碳-47 氢-6.5 氧-31 氮-7.5~10 磷-1.6~3.5

其他元素的含量很少（%）

钙-0.3~0.8 钾-1.5-2.5 镁--0.1~0.4 钠-0.06-0.2 硫-0.2

在酵母中发现的微量元素（mg/kg)

铁--90-350 铜：20-135 锌：100-160 钴：15-65 [编辑本段]【特征】分离

多数酵母可以分离于富含糖类的环境中，比如一些水果（葡萄、苹果、桃等）或者植物分泌物（如仙人掌的汁）。一些酵母在昆虫体内生活。酵母菌是单细胞真核微生物。酵母菌细胞的形态通常有球形、卵圆形、腊肠形、椭圆形、柠檬形或藕节形等。比细菌的单细胞个体要大得多，一般为1~5微米′5~20微米。酵母菌无鞭毛，不能游动。　酵母菌具有典型的真核细胞结构,有细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等，有的还具有微体。酵母菌的细胞形态酵母菌的细胞形态酵母菌细胞结构的显微照片酵母菌的菌落。

大多数酵母菌的菌落特征与细菌相似，但比细菌菌落大而厚，菌落表面光滑、湿润、粘稠，容易挑起，菌落质地均匀，正反面和边缘、中央部位的颜色都很均一，菌落多为乳白色，少数为红色，个别为黑色。　啤酒酵母的菌落红酵母的菌落各种酵母菌的菌落。 [编辑本段]【生殖】酵母可以通过出芽进行无性生殖，也可以通过形成子囊孢子进行有性生殖。无性生殖即在环境条件适合时，从母细胞上长出一个芽，逐渐长到成熟大小后与母体分离。在营养状况不好时，一些可进行有性生殖的酵母会形成孢子（一般是四个），在条件适合时再萌发。一些酵母，如假丝酵母（或称念珠菌，Candida）不能进行无性繁殖。

【酵母菌的生长条件】

营 养:

酵母菌同其它活的有机体一样需要相似的营养物质，象细菌一样它有一套胞内和胞外酶系统，用以将大分子物质分解成细胞新陈代谢易利用的小分子物质。

水 分:

像细菌一样，酵母菌必须有水才能存活，但酵母需要的水分比细菌少，某些酵母能在水分极少的环境中生长，如蜂蜜和果酱，这表明它们对渗透压有相当高的耐受性。

酸 度:

酵母菌能在pH 值为3-7.5 的范围内生长，最适pH 值为pH4.5-5.0。

温 度:

在低于水的冰点或者高于47℃的温度下, 酵母细胞一般不能生长，最适生长温度一般在20℃~30℃之间。

氧 气:

酵母菌在有氧和无氧的环境中都能生长，即酵母菌是兼性厌氧菌，在缺氧的情况下，酵母菌把糖分解成酒精和二氧化碳。在有氧的情况下，它把糖分解成二氧化碳和水，在有氧存在时，酵母菌生长较快。 [编辑本段]【用途】</B>最常提到的酵母酿酒酵母（也称面包酵母）(Saccharomyces cerevisiae)，自从几千年前人类就用其发酵面包和酒类，在酦酵面包和馒头的过程中面团中会放出二氧化碳。

因酵母属于简单的单细胞真核生物，易于培养，且生长迅速，被广泛用于现代生物学研究中。如酿酒酵母作为重要的模式生物，也是遗传学和分子生物学的重要研究材料。

酵母菌中含有环状DNA---质粒，可以用来作基因工程的载体。