生物转化淀粉产燃料乙醇的研究进展

长江大学学报(自科版)农学卷2007年3月第4卷第1期Journal of Yangtze University( Nat Sci Edit) Agri Sci V Mar 2007, Vol 4 No. 1生物转化淀粉产燃料乙醇的研究进展张桥(贵州大学贵州省生化工程中心贵州贾阳55002江大学动物科学学院,湖北荆州434025)周礼红,康冀川(實州大学州省生化工程中心贵州贵阳550025)摘要]淀粉是可再生的有机资源。利用微生物将淀粉转化为燃料乙醇,已成为现今发酵工程的研究热点之。综述了淀粉发酵工艺流程中原料预处理、淀粉水解和发酵3个主要阶段的研究概况及存在的问题[关键词]淀粉;生物转化;燃料乙醇;工艺流程[中图分类号]Q815[文献标识码]A[文章编号]1673-1409(2007)01-S088-04近年来的能源危机和环境恶化引起世界各国高度重视,寻找替代石油的燃料已成为全球日益紧迫的课题口。燃料乙醇因清洁便捷和可再生,是最有发展前景的液体燃料,被纳入许多国家的发展战略规划,将其部分或全部代替汽油作汽车燃料己成为世界范围的一种趋势得到各国政府的支持和鼓励。通过适当预处理,任何类型的生物质都可以作为酒精发酵的底物。美国能源部在1993年和1997年的2次规划中都将生物能源( Bioenergy)作为重点发展方向,并预测2010年生物能源将占整个能源市场的50%。20世纪70年代始,巴西经过30年的努力,乙醇燃料已得到广泛应用,直至2002年,巴西乙醇替代汽油的比率接近50%。欧盟在2000年11月提出了清洁能源“绿皮书”,又于2002年4月启动了“欧洲聪明能源计划”,计划2010年生物能源至少达到12%以上3。我国也在“十五”规划中将开发生物能源摆在了重要位置,并通过试点已初步实现汽油中添加10%燃料乙醇的目标燃料乙醇是一种“生长出来的绿色能源”可以用含淀粉(玉米、小麦、和薯类等)、纤维素(秸秆、林木等)或糖质(甘蔗、糖蜜等)等原料经发酵蒸馏而制成。我国淀粉资源丰富,年产玉米至少1.2亿t,小麦1.0亿t左右,薯类0.35亿t,它们都是可再生的有机资源,将其生物转化( Biotransformation)为燃料乙醇,可以缓解日益增长的能源问题。国内外已有大量关于淀粉产酒精的研究报告,并初步建立了相关的产业链。目前,美国以淀粉质原料为基质生产的最终酒精浓度可达到95g/dL,而我国大部分的酒精厂则在60~80g/dL之间15。然而传统酒精发酵工艺存在原料转化率不高、产生的酒糟和废水对环境造成一定程度的污染,并给酒精生产企业带来较大的酒糟后处理压力等问题。这给科研工作者今后如何充分利用生物质能( Biomass energy)提出了新的课题和研究方向。目前已有一些成果得以应用,如双酶法糖化门等,但有些成果的应用却受料液带渣所扰,如各种固定化发酵技术、差压精馏技术等[。笔者从生物学的角度,以其工艺流程为线综述了淀粉生产燃料乙醇的研究进展。淀粉原料的预处理玉米、小麦和薯类是富含淀粉的经济农作物,这些原料中除富含淀粉外,还含有蛋白质、纤维和果胶类物质。Wu等对不同基质进行研究后指出,不同组分的含量对酒精转化效率存在明显的影响,尤其是当直链淀粉含量高于35%时,酒精的转化效率非常高,而蛋白质和纤维含量的变化对酒精转化效率的影响小。可见直链淀粉含量高的原料品种是酒精发酵工业中所需要的,以玉米淀粉作原料生产酒精是目前美国和欧洲等国广泛使用的方法对淀粉原料进行预处理是为了提高淀粉的酶水解糖化交H中国煤化工法(机械研磨、超CNMHG[收稿日期]2006-09-11[第一作者篱介]张析(1971-),男,斕北用州市人,硕士研究生,长江大学动物科学学院师,从事微生物分子系统学研究[通讯作者]康翼川l, E-mail jchuank@ yahoo..co.uk.第4卷第1期张桥等:生物转化淀粉产燃料乙醇的研究进展微粉碎等)。预处理是否适当,对水解糖化效果和淀粉转化率会产生直接或间接的影响。俄罗斯酒精工业开发设计的一种机械涡流均质机似乎对降低体系的粘度和保证均质性,提高转化率起到了一定的作用。 Liimatainen等「研究指出,马铃薯带皮和不带皮的加工处理对酒精产量和质量有影响。 Shauck等2比较了玉米的干法脱胚脱皮和湿法研磨粉浆的处理工艺,认为湿法研磨粉浆胚芽分离完全、淀粉损失少、淀粉出酒率高可达到53.9%~54.2%但缺点是设备投入较大,需要建一个不干燥的淀粉车原料还可以通过化学、物理化学等方法处理。但无论采用何种方法,都要达到提高酶的水解率,减少碳水化合物的损失,降低对水解及发酵过程起抑制作用的副产物的过度产生,以及工艺流程的性价比要高等几个方面的优化结果。淀粉水解乙醇发酵微生物如酿酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)和运动发酵单孢菌( Zymomonas mobilis),缺乏淀粉水解酶不能直接转化淀粉为乙醇,必须在发酵之前将淀粉水解为乙醇发酵微生物可以利用的糖类。目前对酶法水解和微生物水解研究较多2.1双酶法直接水解淀粉原料生产酒精一般要经过液化( Liquefaction)和糖化( Saccharification)过程,传统液化方式主要通过高温蒸煮来完成,这种方式不仅能耗高,而且液化效果也欠佳,在一定程度上影响了原料的转化率。近年来,随着酶制剂行业的发展,加酶液化技术已广泛应用于淀粉水解口,并已取得了很好的效果。双酶法糖化是淀粉发酵生产酒精的重要前期处理步骤,即中温蒸煮时加入a淀粉酶糖化时加入糖化酶,蒸煮目的是使颗粒状态的淀粉变为糊化状态的淀粉,而糖化的目的则是要把糊化状态的淀粉转化为酵母能够发酵的糖类。但双酶法糖化醪制备十分费时,同时由于糖化酶的逆合作用和糖化酶制剂中所含葡萄糖苷转移酶的作用,不可避免地会产生异麦芽糖和潘糖等非发酵性糖1,从而影响到淀粉的利用率,而且还要考虑体系温度、pH作用时间、酶用量和原料成分等因素对水解率的影响当前利用淀粉质原料发酵生产酒精,其高成本主要有2个原因:一是酵母菌不能直接利用淀粉,需要使用酶;再者就是淀粉质原料需要蒸煮。虽然采用低温蒸煮或非蒸煮发酵使能耗降低50%16,但添加大量酶以获得可发酵的糖是必须的。因而面对高运作成本的问题,对于如何通过糖化工艺的改善有效降低酒精的生产成本显得尤为重要。2.2微生物水解采用商业糖化酶水解淀粉原料生产酒精时成本较高,而将糖化菌与酒精生产菌混合培养于合适的条件下,同步糖化发酵淀粉生产酒精,不仅可以省去糖化工序,更重要的是能解除淀粉水解产物对糖化的反馈抑制作用1。能产生葡萄糖淀粉酶的微生物21主要有根霉( Rhizopus sp.)、黑曲霉( Aspergillus niger)、泡盛曲霉( Aspergillus awamori)、扣囊拟内孢霉( Endomyco psis fibuligera)、枯草芽孢杆菌( Bacil-lus subtilis)等,但目前主要用的菌种是A. niger和Rh,sp.产生的糖化酶。Rh,sp.是最常见的霉菌,繁殖生长快,条件要求不苛刻,在代谢过程中可产生丰富的葡萄糖淀粉酶,具有较强的生淀粉水解能力。曲霉在代谢过程中能产生多种活性酶如葡萄糖淀粉酶、a淀粉酶蛋白酶等,现在工业上生产糖化酶的菌种主要是A. niger的变异菌种1,1。有不少研究者对此进行了尝试早在20世纪50年代,日本学者 Yamasaki等就报道过淀粉不经蒸煮直接进行酒精发酵,发现A.nier的淀粉酶活力比米曲霉(A. craze)高淀粉可不经蒸煮就能被用来发酵生产酒精。1986年, HideoTanake等将能产a淀粉酶的好氧微生物泡盛曲霉(Asp. awamori)和运动发酵单孢菌(Z, mobili)混合固定于海藻酸钙中,直接发酵淀粉生产酒精。Yeon等混合培养 Schwanniomyces castelli和S. cereussiae,直接发酵可溶性淀粉产酒精,利用率达94%。但有研中国煤化工醇的耐受性低,在现有的工业发酵的前期糖化过程中一般不使用产淀粉酶的CNMHG微生物作用是采用边糖化边发酵的原理,该工艺省去了蒸煮和糖化2个工段:蒸煮和预先糖化,节约了大量的能耗。邓立红等1和 Tanaka等指出混合培养时的关键是如何协调糖化菌和发酵菌的活性比及培养条件的优化,使葡萄糖的生成量既能满足酒精发酵的需要,又不过多被糖化菌消耗,从而保证酒90长江大学学报(自科版)农学卷2007年3月精的得率与产率。发酵3.1发酵菌种菌种是酒精工业生产的原动力,菌种优劣不仅直接影响发酵率的高低,而且影响酒精的产量和质量。因此,菌种选育是实现酒精工业的关键。葡萄糖通过发酵近乎定量地转化为酒精都是用酵母作菌种,如酿酒酵母(S. cerevIsiae)、卡尔斯伯酵母(S. carlsbergensis)脆壁克鲁维酵母( Kluyveromyces fragilis)和热带假丝酵母( Candida tropicalis)等,而很少用细菌2)。虽然酵母用于生产乙醇有很多优点,但同时也有很大局限性,如可利用的底物种类少,对酒精的耐受力有限2。因其工业重要性,不同方面的研究屡见报理想的酒精发酵微生物应该具备快速发酵、乙醇耐受高、副产品少、渗透压和温度耐受力强等特性虽然利用酵母发酵生产乙醇有些缺点,但比其它已知能生产乙醇的微生物更接近上述的特性,目前引起普遍关注能生产乙醇的微生物是运动发酵单孢菌。运动发酵单孢菌利用葡萄糖生产乙醇的速度比酵母快3~4倍,乙醇产量可以达到理论值的97%而且生长不需要氧气,能忍耐40%(w/w)葡萄糖溶液,在13%(v/v)乙醇浓度中可以生存2)。尽管这样,运动发酵单孢菌利用碳水化合物时因代谢存在的问题,如用于细胞生长的能量和副产物等,并没有在工业上取代酵母的生产地位。3.2发酵工艺与传统发酵工艺相比,已经发展了一些实际生产良好的发酵模式,在工艺上得到进一步的完善和创新,如浓醪发酵、清液发酵和连续发酵等。下面仅就一个发酵体系中所用菌株的种类介绍当前发酵工艺的研究概况。(1)单菌种发酵相对于游离细胞发酵而言,固定化酵母细胞发酵生产酒精是自20世纪60年代发展起来的酒精发酵新工艺之一[2:,是当今酒精发酵工艺的重要研究方向之一[2,26,在应用和基础理论研究等方面得到了较大的突破,其中以包埋法应用最为普遍。常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻固定化酵母细胞持续转化底物和生物催化的再循环是非常有价值的工艺,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。如固定化酵母发酵葡萄糖生产酒精比同样浓度的悬浮细胞快282。而传统发酵工业中的游离细胞发酵一一间歇发酵法,具有许多缺点,如发酵器内细胞浓度低,酵母只能一次性使用,设备复杂,劳动强度大0。因此开发固定化酵母发酵淀粉质原料生产酒精的技术具有重要的现实意义另外,某些微生物如 Saccharomyces sp.自身有很强的絮凝能力,可形成颗粒,与传统的各种载体固定化细胞方法相比具有简单、无附加费用的突出优点,可以降低酒精生产成本,提高生产效率。酵母细胞自絮凝特性为发酵产酒精提供了新工艺,使得实现酒精连续发酵并联产酵母十分方便,且发酵速率快1而两步连续发酵工艺生产酒精目前进一步受到关注,为提高酒精得率和基质转化效率提供了发展空间2)复合菌种发酵由于乙醇产量受末端产物抑制,低细胞浓度以及底物基质抑制, Gauss等提出在同一个反应罐中进行糖化和乙醇发酵的同步糖化发酵法( Simultaneous Saccharification and Fermentation,SsF)3)。这样a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶对淀粉水解和乙醇发酵过程在同一装置内连续进行,水解产物葡萄糖由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。然而复合菌种面临的一个重要的问题是因产淀粉酶微生物消耗大量的淀粉而降低了乙醇产量。而有研究报道,由于对乙醇的耐受性低,在现有的工业发酵中一般不使用产淀粉酶的微生物。中国煤化工4小结CNMHG目前看来,因再生能源燃料和矿物燃料的性价比差别,人们依然倾向于使用矿物燃料。但从长远发展第4卷第1张桥等:生物转化淀粉严燃料乙醇的研究进展来看,随着经济步人健康的发展轨道,再生能源的消耗最终会增长,从而逐步取代矿物燃料。作为可再生的绿色资源—淀粉原料,在较多的农作物中含量丰富,如玉米、小麦、大麦、马铃薯等,但因地域差别,各自占的比重有所不同。因此应该结合地区的农业特色,开发挖掘可以生产燃料乙醇的原料。生物质原料生产的酒精要和其它燃料竞争,不论采用何种底物,其生产工序必须简单,能耗低、得率高、成本低廉。随着分子生物学技术的发展,利用基因工程手段构建和提高直接发酵淀粉的酵母菌在理论上是可行的,并且已获得了一些不同类型的重组菌株,而细胞表面展示技术在实验室酒精发酵中的成功运用又给了我们一个方向,这无疑又为酒精发酵工业带来新的希望,并具有很重要的意义,但仍有很多问题需要解决,如乙醇耐受力、反馈抑制、基因的稳定性和发酵工艺的完善等。而从代谢角度出发的途径工程和发酵系统优化无疑将是发酵工程的一个重要方向,包括从基因到蛋白质甚至代谢网络中不同水平的层叠与整合是认识系统内单一组分特性及对整个细胞功能影响的关键3。总之,目前所获得的重组菌株距离实际的工业化生产尚待时日。[参考文献[1]Alan E W, Luiz C B, Denise M G,et al. 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Appl Biochem Biotechnol, 2002,984 899--908(下转第106页)10长江大学学报(自科版)农学卷2007年3月3结论通过以上分析可得出,第一产业的快速发展,对农村剩余劳动力的转移发挥了重要作用,但是我国农村并不存在完全的剩余劳动力,这与舒尔茨在《改造传统农业》中的观点一致,而且农村劳动力的转移对第产业的贡献较小;脉冲响应和预测方差分解均表明第二产业对农村劳动力的转移发挥了重要作用;农村劳动力转移为第三产业的发展提供大量廉价劳动力,对第三产业作出了重要贡献,同时,第三产业在加快农村劳动力转移的过程中也发挥了巨大作用,为促进农村劳动力的转移作出了重要贡献。综合以上分析可知,农村劳动力转移与经济增长尤其是第三产业存在良好的互动效应。因此,应该全方位为农村劳动力提供更多的转移机会和帮助农村劳动力拥有更多的就业机会。从产业方面看,要大力发展劳动密集型的第三产业,拓宽农村劳动力的就业渠道。第三产业包括零售业、运输业、旅游业、饮食服务业、金融业、房地产业等劳动密集型产业,而且其吸纳劳动力的能力最强。要加大对第三产业的资金投入,给予属于第三产业的企业各种优惠政策,通过资金、技术、服务的支持,引导农村劳动力转移到第三产业。从劳动者方面看,要加大对农村职业教育、培训的投入,提高农村劳动者的劳动技能。第一,在实行九年义务教育制的基础上,加强职业技术教育。发展公办职业技术学校和鼓励发展合法的民办职业技术学校,同时降低人们接受职业技术教育的成本,以吸引更多的人特别是生活水平较低的人进入职业技术学校学习。第二,开展农村劳动力转移就业培训。应建立起政府主导型和市场主导型相结合的转移就业培训模式,动员政府、企业、和农村劳动力积极投人到转移就业培训体系中来。[参考文献[]农业部产业政策与法规司.农村政策法规调查与研究[M].北京:中国农业出版社,2005.349~351[2]中国人民共和国国家统计局中国统计年鉴[M]北京:中国统计出版社,2005.51~52[3]中国人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2005118[4]陆学艺当代中国社会流动[M门北京:社会科学文献出版社,2004.307~34[5]约翰斯顿J,迪纳尔多J.计量经济学方法[M].北京:中国经济出版社,2002.289~303[6]赵丽芬李玉山我国财政货币政策作用关系实证研究一基于VAR模型的检验分析[J财经研究,2006,(2):42~51.上接第91页)27]肖美燕徐尔尼陈志文包埋法固定化细胞技术的研究进展[门]食品科学,200324(4):158~161.28]Verbelen P J, De Schutter D P, Delvaux F,et al. 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