生物燃料——生物乙醇

三羧酸循环的任何中间产物（丙酮酸、柠檬酸、琥珀酸、富马酸、苹果 酸）都能被酵母利用并作为唯一碳源。
（2）氮源。酿酒酵母能利用的氮有两种形式：氨类和有机氮。酵 母能有效地利用硫酸铵和磷酸铵、尿素和有机酸铵盐（乙酸铵、 乳酸铵、苹果酸铵和琥珀酸铵）。在培养基中有可发酵性糖类存 在时，这些铵盐只作为酵母的氮源，但是氨基用完后，酸游离出 来，这会引起pH改变。氨基酸既可以是酵母的氮源，同时又能成 为它的碳源。当氨基被利用后，剩下的酮酸就可被酵母同化，作 为碳源。
乙醇产生途径
在微生物体内，葡萄糖转化的途径主要是酵解途径。酵解途 径是将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随生成能量形式ATP的过程。
在好氧有机体中，酵解生成的丙酮酸进入线粒体，经三羧酸 循环被彻底氧化成CO2和H2O。
在厌氧有机体中，则把酵解产生的丙酮酸脱羧生成乙醛，乙 醛得到由酵解生成的NADH中的氢，就转化成乙醇。这个过 程就叫乙醇发酵。这个过程中涉及的酶被统称为酒化酶。在 此也可看出乙醇发酵是在厌氧条件下进行的。
NADH
NAD
乙醇脱氢酶
乙醛
乙醇
由葡萄糖发酵生成乙醇的总反应式为
C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4
2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
则1mol葡萄糖生成2mol乙醇，理论转化率为
（2*46.05/180.1）*100%=51.1%
但在实际生产实践中有约5%的葡萄糖用于合成酵母细胞和 副产物，实际上乙醇生成量约为理论值的95%，即乙醇对糖的 转化率约为48.5%。
生物质生物转化技术———— 燃料乙醇
主讲：由耀辉
乙醇简介
乙醇俗称酒精，是一种传统的基础有机化工原料，广泛应用 于有机化工、日用化工、食品饮料、医药卫生等领域。随着 人类对能源需求的增加，乙醇作为汽车替代燃料越来越受到 重视，全球生物燃料乙醇的发展已经超过任何一种替代燃料。 生物燃料乙醇主要由玉米、小麦、薯类等植物淀粉或糖蜜通 过微生物发酵而来。近年来，用农林废弃物等植物纤维进行 乙醇生产的研究成为全球生物质能研究的热点。燃料乙醇作 为内燃机代用燃料具有独特的优势。
（3） 溶氧。酿酒酵母是兼性厌氧菌，在有氧无氧条件下均 能生长，但有氧情况下生长的更好。在有氧时靠呼吸产能， 无氧时借发酵或无氧呼吸产能。所以乙醇酵母在菌种生长起 始通风培养，使种子快速生长，等长至对数期快结束时停止 通风，进行厌氧培养，从而使细胞进行发酵产乙醇。
酵母的营养条件
（1） 碳源。酿酒酵母可利用的碳源包括各种有机化合物中的碳，如葡 萄糖、甘露醇、半乳糖和D-型果糖，但不能直接发酵木糖等五碳糖，然 而，如果木糖转化为木酮糖以后，就可被酿酒酵母利用生成乙醇。在缺 乏六碳糖时，也能利用甘油、甘露醇、乙醇或其他醇类，有些有机酸 （乳酸、乙酸、苹果酸、柠檬酸）也可作为后备碳源。 酵母在发酵麦芽 糖和蔗糖为乙醇前，这两种双糖要事先被酵母的相应的酶水解成单糖。 当培养条件从厌氧转换到有氧时，酵母发酵葡萄糖的能力减弱，但发酵 蔗糖的能力提高1.5倍。酵母只有在培养基中没有葡萄糖和果糖时，才发 酵麦芽糖。
为了消化有机氮，许多酵母需要维生素（生物素、泛酸、硫胺素 等）。酵母不能同化蛋白质、甜菜碱、嘌呤和乙胺型胺类等有机 氮。肽是氨基酸链，介于氨基酸和蛋白质间，随着肽链的增长及 复杂性的增加，其利用率降低。
乙醇生产对酵母要求
酵母的种类很多，能发酵产乙醇的菌株也很多，但是能应用 于生产的酵母菌株必须基本符合以下要求，即能快速并完全 将糖分转化为乙醇，有高的比生长速度，有高的耐乙醇能力， 抵抗杂菌能力强，对培养基适应性强，不易变异。对于糖蜜 发酵用酵母，除了以上特性外，还要具备以下性能，即要耐 渗透压能力强，耐酸耐温能力强，对金属特别是Cu2+的耐受 性强，并且产生泡沫要少。
生物发酵法生产乙醇的基本过程可总结为：
转化
微生物发酵
提取
原料
糖
乙醇醪液
乙醇
我国乙醇年产量为300多万吨，近年有逐渐增加的趋势，仅 次于巴西、美国，列世界第三位。其中，发酵法占绝对优势， 80%左右的乙醇用淀粉质原料生产，约10%的乙醇用废糖蜜 生产，以亚硫酸盐纸浆废液等纤维原料生产的乙醇占2%左右， 化学合成法生产的乙醇仅占3.5%左右。随着生物技术的发展 及现实需求，以纤维素为原料的大规模乙醇发酵生产已经提 上议事日程，目前国内已达到中试生产阶段。
酵母的一般性质
酵母是典型的真核生物，一般具有以下五个特点： • 个体一般以单细胞状态存在； • 多数为出芽繁殖，也有裂殖； • 能发酵糖类； • 细胞壁常含有甘露聚糖； • 喜在含糖量较高、酸度较大的水生环境中生长。
酵母的形状和大小随菌株的不同而异。
酵母的菌落
酵母一般都是单细胞微生物，且细胞都是粗短的形状，在细 胞间充满着毛细管水，故它们在固体培养基表面形成的菌落， 一般具有湿润、较光滑、有一定的透明度、容易挑起、菌落 质地均匀以及正反面和边缘、中央部位颜色都很均一等特点， 且菌落较大、较厚、外观较稠和较不透明。酵母菌落的颜色 比较单调，多数都呈乳白色或矿烛色，少数为红色，个别为 黑色。另外，凡不产生假菌丝的酵母，其菌落更为隆起，边 缘十分圆整，而会产大量假菌丝的酵母，则菌落较平坦，表 面和边缘较粗糙，酵母的菌落一般会散发一股悦人的酒香味。
乙醇发酵微生物学
乙醇发酵过程中最关键的因素是产乙醇的微生物，生产中能够发 酵生产乙醇的微生物主要有酵母菌和细菌。
目前工业上生产乙醇应用的菌株主要是酿酒酵母，这是因为它发 酵条件要求粗放，发酵过程pH低，对无菌要求低，以及其乙醇产 物浓度高（实验室可达23%，v/v）。这些特点是细菌所不具备的。
细菌由于其生长条件温和，pH高于5.0，易染菌，而且除运动发酵 单胞菌外，还存在安全方面的疑虑，其菌体能否作为饲料尚存疑 问，细菌还易感染噬菌体，一旦感染了噬菌体将带来重大经济损 失。所以迄今为止，生产中大规模使用的仍是酵母。
酵母的生长条件
（1） 温度。酵母生存和繁殖的温度范围很宽，但是，其正 常的生活和繁殖温度是29—30℃。在很高或很低的温度下， 酵母的生命活动消弱或停止。酵母发育的最高温度是38℃， 最低为-5℃；在50℃时酵母死亡。
（2）pH。酵母的生长pH范围较广，为3—8，但最适生长pH 为3.8—5.0。当pH降到4.0以下时，酵母仍能继续繁殖，而此 时乳酸菌已停止生长，酵母的这种耐酸性能被用来压制和消 除污染基质中细菌的生长，即将该培养料加酸调至pH3.8— 4.0，并保持一段时间，在此期间酵母生长占绝对优势，细 菌污染即可消除。
Biblioteka Baidu醇生产原理
18世纪末，首次报道了乙醇的生产方法。但乙醇真正的工业 化生产始于19世纪末，至今已有百余年历史。乙醇的工业化 生产方法有两种，即化学合成法和生物发酵法。
化学合成是以乙烯加水合成乙醇，该方法产生的杂质较多， 且乙烯是石油的工业副产品，在石油日益短缺的情况下，该 方法应用受到限制。
生物发酵法是以淀粉质原料、糖蜜原料或纤维素等原料，通 过微生物代谢产生乙醇，该方法生产出的乙醇杂质含量较低， 广泛应用于饮料、食品、香精、调味品、化妆品和医药等工 业。
由葡萄糖到乙醇的过程主要分成两个阶段，即糖酵解阶段和 丙酮酸转化为乙醇的阶段。在糖酵解阶段葡萄糖经过转化形 成丙酮酸。
酵母菌在无氧条件下，丙酮酸继续降解，生成乙醇，其反应
过程为，丙酮酸在Mg2+存在情况下，经脱羧酶的催化，脱羧
生成乙醛。乙醛在乙醇脱氢酶及NADH的催化下，还原成乙
醇。
CO2 丙酮酸脱羧酶 焦磷酸硫胺素, Mg2+ 丙酮酸