乙醇的发酵与应用 最终版

乙醇的发酵与应用
乙醇的发酵法根据原材料的不同可分为：粮食发酵和纤维素发酵，生物乙醇是以生物质为原料通过发酵制得的乙醇。

生物质原料包括玉米、高梁、小麦、大麦、甘蔗、甜菜、土豆等含糖类和淀粉的农作物。

此外城市垃圾、甘蔗渣、小树干、木片等纤维质原料也可用来生产生物乙醇。

目前生物乙醇主要来自于谷物粮食发酵，该工艺生产技术已相当成熟，但生产成本较高，且受到粮食安全等社会因素的制约。

生物乙醇最廉价的制取途径是废弃的农作物秸秆发酵。

近年来，国内外在生物发酵技术及提纯分离乙醇技术等方面取得了重大进展，利用植物纤维发酵生产乙醇的成套技术有了重大突破。

在国外以纤维质为原料生产乙醇的技术正逐步走向成熟阶段。

一、粮食发酵生产乙醇
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），由于其乙醇产量高，对工业条件有较高的耐受性，是乙醇生产工业中理想的发酵菌种，也是在现代分子生物学中常用的真核模式生物。

酿酒酵母的细胞形态一般为球形或者卵形，直径在 5 到10μm 之间；其繁殖方式分为无性繁殖和有性繁殖，其中，无性繁殖为出芽生殖，而有性繁殖一般产生子囊孢子。

酿酒酵母是兼性厌氧的微生物，可利用多种糖类，如：葡萄糖、半乳糖、麦芽糖、蔗糖等。

在有氧条件下，酵母进行有氧呼吸，将糖类转化成二氧化碳和水；在无氧或缺氧条件下进行无氧呼吸，糖类被酿酒酵母发酵为乙醇和二氧化碳。

以发酵葡萄糖为例，在厌氧条件下，经糖酵解途径，酿酒酵母可以将一分子的葡萄糖转化成两分子的丙酮酸；后者在丙酮酸脱羧酶的作用下生成乙醛，然后乙醛在乙醇脱氢酶的催化作用下还原为乙醇。

但是，酿酒酵母不能利用阿拉伯糖和木糖等戊糖。

人类对酿酒酵母的应用具有悠久的历史，其生物学和遗传学背景已经被研究得比较清楚。

酵母表达系统是人们最早建立的一种真核
表达系统。

由于酿酒酵母具有生长旺盛、细胞密度大，遗传稳定、操作简便等优点，而且酵母具备转录后修饰的功能，对于表达真核生物基因来说，是合适的宿主微生物；并且表达外源蛋白较原核微生物稳定，还可进行大规模的发酵。

正是这些优点使得酵母表达系统成为理想的外源蛋白表达系统。

粮食发酵生产乙醇制作方法:
1.原料粉碎
原料粉碎的目的在于便于蒸煮，使淀粉充分被利用。

根据原料特性，粉碎的细度要求也不同，薯干、玉米等原料，通过20孔筛者占60%以上。

2.配料
将新料、酒糟、辅料及水配合在一起，为糖化和发酵打基础。

配料要根据甑桶、窖子的大小、原料的淀粉量、气温、生产工艺及发酵时间等具体情况而定，配料得当与否的具体表现，要看入池的淀粉浓度、醅料的酸度和疏松程度是否适当，一般以淀粉浓度14～16%、酸度0.6～0.8、润料水分48～50%为宜。

3.蒸煮糊化
利用蒸煮使淀粉糊化。

有利于淀粉酶的作用，同时还可以杀死杂菌。

蒸煮的温度和时间视原料种类、破碎程度等而定。

一般常压蒸料20～30分钟。

蒸煮的要求为外观蒸透，熟而不粘，内无生心即可。

将原料和发酵后的香醅混合，蒸酒和蒸料同时进行，称为"混蒸混烧"，前期以蒸酒为主，甑内温度要求85～90℃，蒸酒后，应保持一段糊化时间。

若蒸酒与蒸料分开进行，称之为"清蒸清烧"。

4.冷却
蒸熟的原料，用扬渣或晾渣的方法，使料迅速冷却，使之达到微生物适宜生长的温度，若气温在5～10℃时，品温应降至30～32℃，若气温在10～15℃时，品温应降至25～28℃，夏季要降至品温不再下降为止。

扬渣或晾渣同时还可起到挥发杂味、吸收氧气等作用。

5.拌醅
固态发酵麸曲白酒，是采用边糖化边发酵的双边发酵工艺，扬渣之后，同时加入曲子和酒母。

酒曲的用量视其糖化力的高低而定，一般为酿酒主料的8～10%，酒母用量一般为总投料量的4～6%（即取4～6%的主料作培养酒母用）。

为了利于酶促反应的正常进行，在拌醅时应加水（工厂称加浆），控制入池时醅的水分含量为58～62%。

6.入窖发酵
入窖时醅料品温应在18～20℃（夏季不超过26℃），入窖的醅料既不能压的紧，也不能过松，一般掌握在每立方米容积内装醅料630～640公斤左右为宜。

装好后，在醅料上盖上一层糠，用窖泥密封，再加上一层糠。

发酵过程主要是
掌握品温，并随时分析醅料水分、酸度、酒量、淀粉残留量的变化。

发酵时间的
长短，根据各种因素来确定，有3天、4～5天不等。

一般当窖内品温上升至36～37℃时，即可结束发酵。

7.蒸酒
发酵成熟的醅料称为香醅，它含有极复杂的成分。

通过蒸酒把醅中的酒精、水、高级醇、酸类等有效成分蒸发为蒸汽，再经冷却即可得到白酒。

蒸馏时应尽
量把酒精、芳香物质、醇甜物质等提取出来，并利用掐头去尾的方法尽量除去杂质。

二、纤维素发酵生产乙醇
纤维素是一种由超过 10000 个 D-葡萄糖组成的直链分子，每个D-葡萄糖间由β-1,4-糖苷键连接，分为结晶区和无定形区。

通过三种纤维素酶之间的协同作用，可以将纤维素水解成葡萄糖分子。

这三种纤维素酶分别为：内切葡聚糖酶（endoglucanase，EG）、外切葡聚糖酶，又称纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase，CBH）和β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，BGL）。

EG 随机地切断纤维素长链内部的β
-1,4-糖苷键，形成纤维寡糖；CBH，与 EG 分工，作用于纤维素分子的结晶区，水解纤维素链末端的β-1,4-糖苷键，依次切下纤维二糖分子；而 BGL 则将EG 和 CBH 水解形成的纤维寡糖和纤维二糖继续水解为葡萄糖；而葡萄糖则是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，是生命活动所需能量的重要来源。

利用发酵微生物，如酿酒酵母等，将纤维素酶降解纤维素产生的葡萄糖发酵生产生物燃料乙醇，是国际上的一个研究热点，也是未来解决国际能源危机的一个潜在径。

纤维素发酵生产乙醇的主要方法：
1.直接发酵法
直接发酵法就是以纤维素为原料进行直接发酵，不需要进行酸解或酶解前处理过程。

这种工艺设备简单，成本低廉，但酒精产率不高，易产生有机酸等副产物。

其难点在于很难找到高效的酒精发酵菌株。

另外，为解决该法乙醇产量低、易产生有机酸等副产物的问题，可以采用混合菌直接发酵。

例如热纤梭菌能分解纤维素，乙醇产率较低（约50％），热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但二者混合发酵，乙醇产率可达70％，并且可将乙醇与乙酸的比值提高10 倍以上。

2.间接发酵法
间接发酵法先用纤维素酶水解纤维素,酶解得到的糖液进行发酵。

此法中乙醇产物的形成受末端产物、低浓度细胞以及基质的抑制。

为了克服乙醇产物的抑制,必须不断的从发酵罐中移出乙醇,采取的方法有:减压发酵法、快速发酵法等。

对细胞进行循环利用,可以克服细胞浓度低的问题。

筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株,以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度,可以克服基质抑制。

3.糖化、发酵二段发酵法
先进行纤维素水解，生成葡萄糖；再将葡萄糖作为发酵碳源，进一步发酵生成酒精。

酒精产物的形成主要受末端产物抑制，为了提高酒精产率，必须不断地将其从发酵罐中移出。

采取方法有减压发酵法、快速发酵法。

对细胞进行循环使用，可克服细胞浓度低的问题。

筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株，以及使菌体分阶段逐步适应高基质浓度也可克服基质抑制。

4.同步糖化发酵法(SSF法)
纤维素的酶水解和发酵糖化产生酒精的过程在同一装置内连续进行，这样酶水解的产物葡萄糖因菌体的不断发酵而被利用，消除了因葡萄糖浓度较高而对纤维素酶的反馈抑制作用。

纤维素酶的最适温度为50℃，酵母发酵温度在37～40℃，最终产物乙醇对纤维素酶和微生物的活性、中间产物木糖对水解过程都有抑制作用。

解决方法是选用耐热酵母菌或耐热酵母菌与普通酵母菌混合发酵，以解决最适温度差异问题；通过基因工程在酒精发酵菌中引入利用木糖的基因，减弱木糖的抑制作用；采用非等温同步糖化发酵法（NSSF），使2 个阶段保持各自的最适温度，提高酒精产率。

5.固定化细胞发酵法
用载体将酵母细胞固定起来进行酒精发酵，不仅可以增加细胞密度，而且可以反复循环使用，减少酵母增殖消耗的糖分，提高了发酵强度和产物产率。

根据固定原理的不同，可分为吸附法、包埋法和共价键（交联）法三大类。

常用的载体有明胶、海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。

固定化细胞发酵的新动向是混合
固定细胞发酵，如酵母与纤维二糖酶一起固定化，将纤维二糖转化成乙醇。

三、乙醇的市场应用
燃料乙醇：燃料乙醇是将乙醇以15％～20％的质量比掺人汽油中，一
方面可以作为汽油的替代物以减少汽油消耗量，另～方面可以减少汽车尾气污染物的排放改城市大气环境。

“十五”期间我国已经在吉林、河南、安徽、黑龙江等省建设了一定规模的以玉米为原料的燃料乙醇示范项目。

欧盟提出到2005年生物质燃料的使用量将占车用燃料消耗量的2％；到 2010年会达到 5.75％乙醇作为燃料主要有以下特点 J：(1) 乙醇是燃油的增氧剂，使汽油增加氧，燃烧充分，达到节能和环保的目的。

(2)乙醇具有极好的抗爆能力，调和烷值一般在 120 以上，它可有效提高汽油的抗爆指数。

(3)在“新配方汽油”中，乙醇可以经济、有效地降低芳烃、烯烃含量，降低炼油厂的改造费用。

(4)生物乙醇可以再生
据巴西的石油业估计，只有当油价在 30 美桶以上时，生产甘蔗乙醇才符合经济原则，而生产玉米乙醇，则油价必须保持在 45 美桶以上。

在我国，只要玉米价格不高于1400t、石油价格不低于 35 美桶，生产燃料乙醇就具有经济价值。

但考虑到粮食安全等问题，我国提出了“不与人争粮、不与粮争地”的生物乙醇发展思路，大力提倡发展纤维质乙醇。

乙醇不仅可以做燃料，还可作为发酵的原材料（乙醇代粮发酵），医用消毒剂等。

此外乙醇制醚、乙醇制丁醇、乙醇胺化反应、氧化反应、脱水制烃类物质、烷基化反应、羰基化和作为燃料使用等方面的应用占相当大比例。