国内外燃料乙醇的生产与研究进展

安农业科学, Joumal of Anhui Agri.Sci.2008,36(20):8768-8700责任编辑张彩丽责任校对况玲玲国内外燃料乙醇的生产与研究进展周爱萍(平顶山教育学院生物系,河南平顶山467∞0摘要介绍了世界燃料乙醇的生产状况,并着重介绍了燃料乙醇的研究进展关键词燃料乙醇;生产;研究中图分类号TQ223.122文献标识码A文章编号0517-6611(008)20-08768-03Research Progress and production of Domestic and Overseas Fuel EthanolZHOU Ai-ping Department of Biology, Pingdingshan Institute of Education, Pingdingshan, Henan 467000)Abstract The production status of fuel ethanol in the world was introdueed. And the research progress of fuel ethanol was emphatically pres-entedKey words Fuel ethanol; Production; Research目前液体燃料主要来源于石油资源,从已探明的石油PACT)为此制定了优惠政策储量看,世界石油的开采期乐观地讲有100年左右而悲观巴西是世界上唯一不供应车用纯汽油的国家,2006年其地讲,只有30~50年左右。世界上大多国家包括我国在洒精产量达到170亿L是第二大燃料乙醇生产国。巴西使内能源问题都相当严重。同时,以石油为原料的液体燃料用甘蔗生产酒精,其生产成本低于谷物酒精,并通过实行蔗燃烧后排放的废气引起的环境污染也是人类面临的一大问糖-洒精-热电联产,综合利用能源。在巴西的加油站里题。因此,人类必须寻找可替代性的能源,同时叮替代性的含水酒精的售价已经降为汽油的60%-70%,在全球率能源又需具备可梅生高效低耗资安全等特点23。在这先实现了酒精相对于汽油的经济竞争力。一形势下,人们开始关注生物能源如燃料乙醇、生物柴油生1.2我国的燃料乙醇生产世界4大酒精生产园除巴西和物质气化及液化燃料生物制氢等。美国之外,就是我国和俄罗斯"。我国主要利用玉米生产虽然乙醇的能量仅是汽油的67%,但是汽油醇(添加乙燃料乙醇,也有利用薯类和甘蔗生产的报道。我国原发酵酒醇的汽油)的能量等同甚至高于汽油,而且,乙醇叮替代汽精生产能力达450万-500万t约有1100家生产企业,其中油中的铅和甲基权丁基醚(MTBE)作为辛烷值增强剂和汽油80%以上是年产量在万吨以下的小企业。根据园家“十五”增氧剂“。乙醇的生产方法包括化学合成法和微生物发规划,2003年改造和建成了年产能力为102万t的4个大型酵法。前者用石油裂解产生的乙烯与水合成乙醇所以这种燃料乙醇生产项目:吉林燃料乙醇有限责任公司30万v年方法也受石油资源的限制。而利用微生物发酵糖类生产乙河南天冠集团30万t年、安徽丰原生物化学股份有限公司醇是古老传统可利用再生资源的生产方法,燃料乙醇都由32万/年黑龙江华润洒精有限公司10万v年发酵法生产,其生产与应用每年呈大幅递增态势,具体情况1.3欧洲与其他国家的燃料乙醇生产欧洲的燃料乙醇如图1所示7生产较之北美要晚,而且发展速度也比较慢,2003年欧洲的燃料乙醇产量仅37.5万t。日本虽然是世界上最大汽油消费国之一,但没有额外的25农产品用于生产燃料乙醇政府积极鼓励开发利用农林生产废物资源发酵生产酒精。东南亚国家也在积极开发利用甘蔗生产燃料乙醇的研究200320042062国内外燃料乙醇的研究现状前燃料乙醇研究可分为3大类:菌种筛选及育种研究、发酵工艺研究、特殊需要的基因工程菌构建及发酵研究。图12002-2006年世界酒精生产状况Fig 1 Production status of alcohol from 2002 to 20062.1菌种筛选及育种研究为了实现发酵工业生产的低1世界燃料乙醇生产状况成本、高转化率和高产率,菌种是整个生产流程的核心。因11美国与巴西的燃料Z醇生产美国已是第一大燃料此,菌种的选育也必须以降低生产耗资与高产出为原则。燃乙醇生产国,2007年8月美国乙醇产量达到68.13亿加仑料乙醇发酵就需要菌种具备耐高酒精度、耐高底物浓度、耐(277.0亿L)。美国燃料乙醇生产主要依靠玉米。通过转基高温、高转化率及具备絮凝性能等特点。酵母菌对乙醇的耐因技术并扩大种植面积,美国玉米产量近年增长迅速,目前有30%的玉米用于燃料乙醇的生产。除玉米乙醇外,为促进的内在YH中国煤化工下同水平的乙醇耐受CNMH关组成及功能发醉纤维素乙醇的发展,2005年颁布的美国能源政策法案(E营养卜充方式等因素密切相关。乙醇毒性的简要机制是:临界乙醇浓度导致质膜磷脂作者简介嗣爱萍(1%4-),女,河南汝州人,讲师,从事生物工程方面裂解,如果菌株质膜或发酵时具备相当营养而且环境条件适收稿日期20080508宜酵母就使乙醇毒性有所降低并抵抗,特别是在温度变化3620期周爱萍国内外然料乙醇的生产与研究进展8769时尤为明显。随着温度的升高酵母质膜的磷脂量很快降的基因。在所有这些已发现的絮凝基因中,FO1是迄今低,以维持质膜的流动性并保护胞间活性。为止研究得最为详尽的一个絮凝基因“。FO1为显2.L.1耐酒精酵母的选育。当发酵醪中酒精浓度低于30位于染色体1,ORF4.6kb,编码一个富含Ser/Thr的1537个g/L时酒精对酵母的抑制作用可忽略不计;高于40g/L时,氨基酸的蛋白质测。 Flop结合在细胞壁上,其N末端第酵母出芽受到明显影响随着酒精浓度的继续增加,它对酵196-240氨基酸区暴露于培养基中。这一区域的功能类似母的生长和发育能力的抑制作用急剧增加;当髙于120g/L于外源凝集素的作用,使得 Flop可选择性地与其他细胞细时,一般酵母不再生长和发酵。耐酒精酵母的筛选方法胞壁上的甘露糖结合12。酵母细胞在发酵结束时发生如下:从自然界直接分离筛选耐高温菌种用含高浓度酒精絮凝尤为重要是一种高效、环境友好简单而不需耗费的分的培养基连续培养筛选,用物理或化学诱变剂诱变筛选2-离细胞方式。因此,絮凝性能是酿酒酵母的优良性状之DOG(2脱氧D葡萄糖)抗性突变株并分离。酵母菌耐酒精。反之如果絮凝基因过早表达,絮凝细胞聚集体就会能力是受多基因系统调节的因而通过基因T程的方法提高包裹发酵过程中产生的CO2,导致细胞凝聚物浮在醪液中其耐酒精能力是非常困难的。目前比较理想的方法是原生在液面形成菌膜层发酵不彻底。 Severino zara等研究质体融合技术。了 Saccharomyces cerevisiae中的 sardinian菌株,其FLO1l基2.1.2耐高温酵母的选育。一般情况下,产乙醇酿洒酵母因编码一种疏水的细胞壁糖蛋白,在发酵过程中产生絮凝的最适生长温度28℃,发酵温度30℃左右,不超过34形成液面菌膜层。为了避免这种现象发生, Verstrepen等℃l":M。刘建军等筛选并用传统的诱变育种方法获得1株将HSP30启动子取代无絮凝性能的野生酿酒酵母菌株FLOl高产酒精酵母菌株,在总糖浓度3.2%32℃条件下发酵70的启动子,FO1基因表达并在发酵末期产生较强的絮凝性h,酒精度达到172%(V/V),耐酒精度20%以上;后又以该状。菌株和絮凝性强的葡萄汁酵母原生质融合育种,获得株酵2.2.2.2酵母絮凝的环境因素影响。酵母絮凝是一个极复母菌株,32℃发酵60-68h,可产酒精度17.5%~18.5%杂的现象,不仅受遗传因子的控制,而且受环境、生理等多方(/V),耐酒精度20%(V/V)以上3。中国科学院武汉面因素的影响。①钙离子的影响。过去人们认为酵母病毒研究所诱变和筛选的耐高温酵母能够耐受40-50℃细胞之间的絮凝是通过“钙桥”,即钙离子和细胞壁上的负电高温致死温度80~100℃5min,耐酒精度13%,耐NaCl荷结合而产生凝集作用,这一理论已基本被否定。钙离子的10%;25~32m3中试主发酵38-42℃,48h,发酵能力优于促凝作用是作为一种辅助因子稳定凝集素的活力构象对照,出酒率提高1%-2%叫。②pH值的影响。pH值为1.5~9.0时絮凝都可以发生,但2.2分子生物学研究最适pH值为35-5.8,即偏酸基质利于絮凝。③温度的22.1转入淀粉酶系基因。因为酵母不含淀粉酶系基因,影响。温度对酵母絮凝的影响还未形成定论,许多研究结果不能直接利用淀粉,利用玉米小麦、薯类大米等淀粉质相差较大。一般认为,15~32℃时,温度变化对絮凝的影响原料生产燃料乙醇时,首先需要加入a淀粉酶和糖化酶把淀不明显低于5℃、高于60℃条件下,絮凝迅速下降M粉分解为葡萄糖酵母才能吸收碳源进行正常的生理代谢活④碳或氮源的影响。普遍认为,啤酒酵母的絮凝是由营养物动。由此,许多研究者把其他菌种的a淀粉酶和糖化酶基因质饥饿胁迫条件诱导表达的。碳、氮饥饿时启动絮凝表转入酿酒酵母,使其可以直接利用淀粉发酵,省却生产中的达,而向培养基中加入这些营养物质则会延迟絮凝产生。这液化和糖化过程降低生产成本。 Tunahan Cakir等把Bail-就有可能通过改变碳、氮浓度来控制絮凝的形成时间。Lus subtilis的a淀粉酶基因和 Aspergillus awamori的糖化酶基⑤乙醇浓度的影响。乙醇对酵母絮凝的影响因菌株而异,有因克隆到 Saccharomyces cerevisiae中并成功表达,直接发酵淀的研究结果表明乙醇诱导或加强絮凝,而有的研究则恰恰相粉产生乙醇。这类研究文献较多,但乙醇产率较低,未见反,表明乙醇抑制絮凝。乙醇对絮凝的影响机制还不清楚。工业化生产的报道。⑥Ca2的影响。原来以为,酵母的絮凝是邻近细胞细胞壁上222构建絮凝基因工程菌。酵母絮凝是由絮凝基因编码的阴离子和Ca2结合,通过此“钙桥”而达到凝集作用的。的絮凝蛋白(Flp,凝集素)与邻近细胞细胞壁甘露糖结合,这一理论已基本被否定。现在认为酵母的絮凝通过稳定凝形成的多细胞案集现象口1,是可逆的无性的和需要钙离集素即Fop的活力构象而达到促凝作用。除了遗传因子的过程。素和环境因素的影响外,酵母的絮凝还受絮凝蛋白活性和细2.2.2.1酵母絮凝的遗传因子研究。 Saccharomyce胞间相互作用的物理因子影ae的絮凝基因家族中,目前已发现的基因至少有14个,2.2.3利用纤维素或半纤维素发酵生产乙醇。农业和森林FDOl、FLO5、FO、FLO10、FO1l研究较多,FLO1、FLO5、废弃物是可用于燃料乙醇生产的主要木质纤维素类原料。FLO9、FLO10临近端粒(距端粒约10~40kb),而FOl既但微田红米物发酵产生乙醇,必须把不临近端粒也不临近着丝粒3。FLO5、FLO9与FLO1极为纤维中国煤化工主物可以利用的单糖相似,而这一家族中的另2个基因FO2和F04与FLOl是或者CNMHG纤维素或半纤维素类等位基因2。当某个基因家族中一个基因表达时这一家物质及其水解产物的基因重组菌。目前,以纤维素和半纤维族中的其他基因保持沉默,这是不同微生物中的一个普遍规素为原料生产燃料乙醇的成本过高,无法实现工业化生则2。在∑1287b菌株中,FLO是这一家族中唯一表达8770安微农业科学2008年2.3发酵工艺学研究23.1高浓度(VHC)发酵。高浓度发酵是指每升发酵液中[13]章克昌吴佩踪酒精工业手册M北京轻工业出版社198:140[14] JEFFRIES T W, SHI N Q. Genetie engineering for improved xylose fer可溶性固形物为300g或更高。目前已成功实现小麦、mentation by yeasts[ J]. Adv Biochem Eng Biotechnol, 1999, 65:117燕麦大麦黑麦和黑小麦等的高浓度发醉提高了乙醉产(15]刘建军,鲁燕,赵祥颖等高产酒精酵母菌种的选育[门酿酒量降低了生产成本。影响乙醇高浓度的因素主要是温03,3(1):S7-59度和营养元素含量在此过程中,添加麦角固醇和Twen80[161刘车,赵样颖要将燕等高产酒精絮凝酵母sY430菌株的选育提高乙醇产率列。Wang等用高浓度发酵等技术使酒精度7 BIDARD F BONY M. BLONDIN B,el, The Saccharomyces cermisiae从95%-100%(VV)提高到1%-151%(V/V)。FLOl focculation gene encodes a cell surface protein[ J]. Yeast, 19952.3.2补料发酵。虽然高浓度酒精发酵是科研人员和生产[181 BONY M, THINES SEMPOUX D BARRE P,el. Localisation and cell企业一直追求的月标但过高的糖浓度会导致发酵醪高渗透surface anchoring of the Saccharomyces cereuisiae flocculation proteitolp]. J Bacteriol,19,74929-496压和低水活性抑制菌体细胞的生长和代谢最终使得乙醇19] STRAFORD M. Yeast flocculation: Calcium specificity[].Yea,99,产率降低。所以采取较低初始底物浓度和补料发酵工艺可5:487-49%6[20]郑怀礼生物絮凝剂与絮疑技术[M].北京:化学工以解除高浓度底物对菌体细胞的抑制作用,并且更有利于代[21] ADRIAN HALME, STACIE BUMGARNER, CORA STYLES,tl谢产物的积累ic and epigenetic regulation of the F10 gene family generates cellvar in yeas[ J]. Cell, 2004, 116: 405-415.2.3.3细胞固定化。据报道,向培养基中直接加入乙醇的[2 SIEIRO C. REBOREDO N M, VILLA T G. oning of a new FLo gene酿酒酵母细胞的毒性和细胞死亡率,低于其自身细胞产生乙from the focculating Saccharomyces cereuisiae IM1 8b strain[ J].FEMSMicrobiol lett,1997,146:109-115醇的毒性和细胞死亡率。这就说明发酵醪中还有其他代谢[23]cuoB, STYLFS CA,FNGQ,el. A Saccharomyces gene family in副产物,并对菌体产生抑制作用。与连续发酵相比,使用volved in invasive growth, cell cell adhesion, and mating[J]. Proe Natl细胞固定化技术发酵生产乙醇可以减少代谢副产物的抑制[24]刘小琳鹏,卢大军,等絮选择载体的构建及B萄南糖苻基因本。但是还没有见到运用固定化技术进行燃料乙醇工业化(352时中的表太门生物L程:352(1):6m0作用提高发酵产率,并且可以重复利用细胞降低生产成RD M, ASSINDER,S. Yeast flocculation: Flol and New Flo phe-and receptor structure[J]. Yeast, 1991, 7: 5$9-574生产的报道。[26] TELNISSEN A, HOL.UB E, VAN DER HUCHT, J, et al. Sequence o the小结g frame of the FLOl gene from Saccharomyces cerevisiae[J]Yeas,1993.9:42-427,燃料乙醇等生物质能源的研究和生产,已是21世纪人[27] KOBAYASHI O, HAYASHI N, KUROK R,eal. Region of F类面临的重常解决的重大问题。其中传统的菌种选育分子(28] VERSTREPEN K J DFRDELINCKX G, VERACHTERT H育种、发酵工艺以及乙醇提取T艺都同等重要,而且已取得nlorvulatin: what brewers should know[J]. Appl Microbiol Biotechnol了丰硕成果。虽然酒精发酵是最古老的发酵技术之一,但结( 29] STRAFORD M. Yeast flocculate: A new perspecti. Adv microbiol合其他方面的研究成果,这一传统项目还有许多可以提高和Physiol, 1992, 33: 2-71.发展的空间;虽然酿酒酵母是研究真核细胞的模式菌株,但30 SEVERINO ZARA, ALAN T BAKALINSKY, GIACOMO ZARA,FLOl Based Model for Air Liquid Interfacial Biofilm Formation by Sac-分子生物学方面的大量基础研究工作还需要科研人员继续harommyces cerevisiae[J]. Applied and Environmental Microbiology进行,以便为进一步应用研究做准备。[31] VERSTREPEN K J, DERDELINCKX G, DEL.VAUX F R, et al. Late fer-参考文献of FLOI in Saccharomyces cermisiae[J].J Am[1]谭天伟,王芳邓利能源生物技术[J]生物加工过程,200,1(1):32Brew Chem,x00159(2):69632]张博,陈蔚,铁翠娟,等.酵母菌絮凝的分型及其生理生化特性的研[2] CHUN, L H, OVEREND R P. Biomass and renewable fuels[ J]. Fuel bio-究[J]微生物学报,19,39(6):527-532pwes,2001,n7:l87-195.[3]姚汝华,路福平啤酒酵母育种及其应用[J.广州食品工业科技[3] TUNAHANYALCIN ARGA K, METE ALTINTAS M, et al. 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