生物制乙醇

微生物发酵五碳糖产乙醇的机理
• 到目前为止，微生物转化木糖成乙醇的途径主要 有2条，表现在木糖转化为木酮糖途径的差异
自然界中能利用五碳糖的微生物
酵母菌
利用木糖转化乙 醇的能力较强， 主要有管囊酵母、 树干毕赤酵母和 休哈塔假丝酵母3 种类型
例如： 休哈塔假丝酵母T Z8-13 对木糖和 葡萄糖都有良好的发酵性能，浓度60g/L 时 乙醇产量分别为21.6g/L 和24.2g/L，糖利用 率分别为97.81%(72h)和99.13%(36h)，较T 技术改进 Z1 菌株发酵木糖乙醇产量提高了 55.38%， 木糖利用率提高了19.54%。
——王靖,安明泉. 木糖发酵菌种研究进展[J]. 化学与生物工程，2007，24（11）：1-4.
五碳糖发酵菌株的改良 基因水平改良
1、引入五碳糖代谢途径 酿酒酵母和运动发酵单胞菌都 能利用六碳糖且能代谢木酮糖产乙 醇，但不能利用木糖，因此可以引 入木糖向木酮糖转化的代谢途径
例如：将来自嗜热细菌 Thermusthermophilus的木糖异构酶( XI)基因 xy lA 和酿酒酵母(自身的木酮糖激酶( XK)基因 XK S1, 插入酿酒酵母工业菌株NAN-27的染色 体中, 得到工程菌株NAN-114。其对木糖、葡萄 糖共发酵摇瓶实验结果表明, 工程菌NAN-114消 耗木糖4. 6g /L, 产生乙醇6. 9g /L, 较出发菌株分 别提高了43. 8% 和9. 5%。
木糖发酵制乙醇及其菌种 研究
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研究背景 研究方向 技术改进
实验展望
研究背景 由于石油等化石能源的大量开采，消耗过快，石 油资源储备已经到了濒临枯竭的地步。因此，寻找一 种化石能源替代品已经是解决人类能源问题的必然途 径。生物质乙醇是良好的化石能源替代品，作为一种 可再生能源，其比化石能源更清洁，能有效减少温室 气体的排放。生物质乙醇的生产原料来源于木质纤维 素、淀粉类和糖类物质，传统的乙醇生产以玉米等粮 食为主要原料。然而，粮食为人类生存所必需，世界 范围内的粮食问题并未彻底解决，而且以粮食为原料 生产乙醇价格高，势必会受到限制。木质纤维素原料 丰富，而且价格低廉，因此，利用木质纤维素类物质 为原料生产乙醇非常有前景。
例如：将季也蒙毕赤酵母（Pichia guillermondii）和休哈塔假丝酵母 （Candida shehatea）进行原生质体融源自文库合得到融合子XX2，能代谢木糖，与对 照相比乙醇产量提高了37.7%。
——涂振东,叶凯,韩丽丽. 高效代谢木糖产乙 醇酵母菌株的选育[J]. 新疆农业科学，2008，45 （5）：945-949.
五碳糖发酵菌株的改良 细胞水平改良
原生质体融合技术是将遗传 性状不同的2个细胞融合为一个新 细胞，使两亲株的整套基因相互 重新组合的一种技术，属于细胞 工程。通过原生质体融合进行基 因重组已经成为微生物遗传育种 的一种有效的工具，是工业菌株 改良的重要手段之一。 采用原生质体融合技术可以 使酵母菌获得代谢木糖产乙醇的 能力。
——沈煜,王颖,史文龙,等. 酿酒酵母工业菌株中XI 木糖代谢途径的建立[J]. 中国生物工程杂志,2005,5 （9）：69-73.
五碳糖发酵菌株的改良 基因水平改良
2、引入高产乙醇关键酶基因
自然界有些微生物能代谢混 合糖，包括五碳糖和六碳糖，但 产乙醇率很低。通过高产乙醇的 关键酶，能够大大提高菌种对乙 醇的转化能力目前这类研究的主 要对象是大肠杆菌
例如：将大肠杆菌丙酮酸甲酸裂解 酶pfl基因连同运动发酵单胞菌的pdc和 adhB转入大肠杆菌TOP10感受态细胞 获得重组菌E.coli TOP10- pfl，也能稳 定地利用葡萄糖和木糖产乙醇。
——高文,田沈,张晶,等. 发酵五碳糖和六 碳糖产乙醇染色体整合大肠杆菌的构建[J]. 可 再生能源，2007, 25（2）：21-25.
——汤斌，周逢云，张庆庆，等.Candida shehatae 的纯化 及其利用木糖和葡萄糖发酵的特性研究[J]. 食品科学，2009，30 （3）：159-162.
自然界中能利用五碳糖的微生物
细菌
发酵的底物广泛 （包括单糖、高 聚糖等），发酵 时间短，主要有 嗜热细菌，多粘 芽孢杆菌，大肠 杆菌等
实验展望
目前已经得到了具有一定效率的重组菌株， 但这些工作基本上是基于单个基因或是某 个代谢途径的几个基因的改造，只是改变 了细胞的局部，部分改变了细胞的代谢平 衡。因此，可以在木糖代谢途径的基因组 层面上定向进化或同时改变多个相关基因 群，使细胞在整体水平上适应木糖的代谢 或利用，从而使生物制乙醇可以商业化生 产，成为化石能源的替代品。
自然界中能利用五碳糖的微生物
真菌
真菌产生的酶系较 丰富，包括纤维素 酶和半纤维素酶等， 适合于植物纤维素 物质的同步糖化发 酵，主要有尖廉孢 菌和粗糙脉胞菌
目前报道能发酵木糖产乙醇的真菌主要有： F.oxysporumVTT-D-80134（3）， Neurospora crassaNCIM870，Paecilomyces sp.NFI.ATCC20766，F.sambucium VTT-D77056等。
例如：嗜热厌氧纤维素降解细菌Clostridium sp.EVA4 菌株在最适条件下（最适pH 为7 .5 ～ 8 .0, 最适θ为55 ～ 60 ℃）利用1 %纤维素滤纸培 养120 h 产乙醇浓度为1 123mg/L , 纤维素降解率 为59%
——韩如羏，陈美慈，闵航，等. 嗜热厌氧细菌 Clostridiumsp. EVA4 菌株直接转化纤维素产乙醇的研究， 应用与环境生物学报，1999，5（Suppl）：170-174.
研究方向
木质纤维素
35%-50% 纤维素
水 解
20%-35% 半纤维素
10%-15% 木质素
六碳糖
微生物发酵
五碳糖（木糖）
生物乙醇
研究方向
纤维素水解后产生六碳糖（主要为葡萄糖），较易被 传统工业微生物转化为乙醇，而半纤维素水解后主要得到 五碳糖（主要为木糖），通常情况下不能被传统工业微生 物转化成乙醇。由于半纤维素在木质纤维素中所占比例较 大，因此，开展五碳糖发酵菌株选育工作对于推动整个纤 维素燃料乙醇制备技术的发展具有重要意义。目前首要的 问题是通过成熟的技术手段，如基因工程和微生物培养等 技术寻找合适的微生物来进行水解和发酵，以解决糖化率 和产率偏低等问题。