安農(nóng)業(yè)科學(xué), Joumal of Anhui Agri.Sci.2008,36(20):8768-8700責(zé)任編輯張彩麗責(zé)任校對(duì)況玲玲國(guó)內(nèi)外燃料乙醇的生產(chǎn)與研究進(jìn)展周愛(ài)萍(平頂山教育學(xué)院生物系,河南平頂山467∞0摘要介紹了世界燃料乙醇的生產(chǎn)狀況,并著重介紹了燃料乙醇的研究進(jìn)展關(guān)鍵詞燃料乙醇;生產(chǎn);研究中圖分類(lèi)號(hào)TQ223.122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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目前液體燃料主要來(lái)源于石油資源,從已探明的石油PACT)為此制定了優(yōu)惠政策儲(chǔ)量看,世界石油的開(kāi)采期樂(lè)觀地講有100年左右而悲觀巴西是世界上唯一不供應(yīng)車(chē)用純汽油的國(guó)家,2006年其地講,只有30~50年左右。世界上大多國(guó)家包括我國(guó)在灑精產(chǎn)量達(dá)到170億L是第二大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)。巴西使內(nèi)能源問(wèn)題都相當(dāng)嚴(yán)重。同時(shí),以石油為原料的液體燃料用甘蔗生產(chǎn)酒精,其生產(chǎn)成本低于谷物酒精,并通過(guò)實(shí)行蔗燃燒后排放的廢氣引起的環(huán)境污染也是人類(lèi)面臨的一大問(wèn)糖-灑精-熱電聯(lián)產(chǎn),綜合利用能源。在巴西的加油站里題。因此,人類(lèi)必須尋找可替代性的能源,同時(shí)叮替代性的含水酒精的售價(jià)已經(jīng)降為汽油的60%-70%,在全球率能源又需具備可梅生高效低耗資安全等特點(diǎn)23。在這先實(shí)現(xiàn)了酒精相對(duì)于汽油的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。一形勢(shì)下,人們開(kāi)始關(guān)注生物能源如燃料乙醇、生物柴油生1.2我國(guó)的燃料乙醇生產(chǎn)世界4大酒精生產(chǎn)園除巴西和物質(zhì)氣化及液化燃料生物制氫等。美國(guó)之外,就是我國(guó)和俄羅斯"。我國(guó)主要利用玉米生產(chǎn)雖然乙醇的能量?jī)H是汽油的67%,但是汽油醇(添加乙燃料乙醇,也有利用薯類(lèi)和甘蔗生產(chǎn)的報(bào)道。我國(guó)原發(fā)酵酒醇的汽油)的能量等同甚至高于汽油,而且,乙醇叮替代汽精生產(chǎn)能力達(dá)450萬(wàn)-500萬(wàn)t約有1100家生產(chǎn)企業(yè),其中油中的鉛和甲基權(quán)丁基醚(MTBE)作為辛烷值增強(qiáng)劑和汽油80%以上是年產(chǎn)量在萬(wàn)噸以下的小企業(yè)。根據(jù)園家“十五”增氧劑“。乙醇的生產(chǎn)方法包括化學(xué)合成法和微生物發(fā)規(guī)劃,2003年改造和建成了年產(chǎn)能力為102萬(wàn)t的4個(gè)大型酵法。前者用石油裂解產(chǎn)生的乙烯與水合成乙醇所以這種燃料乙醇生產(chǎn)項(xiàng)目:吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司30萬(wàn)v年方法也受石油資源的限制。而利用微生物發(fā)酵糖類(lèi)生產(chǎn)乙河南天冠集團(tuán)30萬(wàn)t年、安徽豐原生物化學(xué)股份有限公司醇是古老傳統(tǒng)可利用再生資源的生產(chǎn)方法,燃料乙醇都由32萬(wàn)/年黑龍江華潤(rùn)灑精有限公司10萬(wàn)v年發(fā)酵法生產(chǎn),其生產(chǎn)與應(yīng)用每年呈大幅遞增態(tài)勢(shì),具體情況1.3歐洲與其他國(guó)家的燃料乙醇生產(chǎn)歐洲的燃料乙醇如圖1所示7生產(chǎn)較之北美要晚,而且發(fā)展速度也比較慢,2003年歐洲的燃料乙醇產(chǎn)量?jī)H37.5萬(wàn)t。日本雖然是世界上最大汽油消費(fèi)國(guó)之一,但沒(méi)有額外的25農(nóng)產(chǎn)品用于生產(chǎn)燃料乙醇政府積極鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)利用農(nóng)林生產(chǎn)廢物資源發(fā)酵生產(chǎn)酒精。東南亞國(guó)家也在積極開(kāi)發(fā)利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇的研究200320042062國(guó)內(nèi)外燃料乙醇的研究現(xiàn)狀前燃料乙醇研究可分為3大類(lèi):菌種篩選及育種研究、發(fā)酵工藝研究、特殊需要的基因工程菌構(gòu)建及發(fā)酵研究。圖12002-2006年世界酒精生產(chǎn)狀況Fig 1 Production status of alcohol from 2002 to 20062.1菌種篩選及育種研究為了實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的低1世界燃料乙醇生產(chǎn)狀況成本、高轉(zhuǎn)化率和高產(chǎn)率,菌種是整個(gè)生產(chǎn)流程的核心。因11美國(guó)與巴西的燃料Z醇生產(chǎn)美國(guó)已是第一大燃料此,菌種的選育也必須以降低生產(chǎn)耗資與高產(chǎn)出為原則。燃乙醇生產(chǎn)國(guó),2007年8月美國(guó)乙醇產(chǎn)量達(dá)到68.13億加侖料乙醇發(fā)酵就需要菌種具備耐高酒精度、耐高底物濃度、耐(277.0億L)。美國(guó)燃料乙醇生產(chǎn)主要依靠玉米。通過(guò)轉(zhuǎn)基高溫、高轉(zhuǎn)化率及具備絮凝性能等特點(diǎn)。酵母菌對(duì)乙醇的耐因技術(shù)并擴(kuò)大種植面積,美國(guó)玉米產(chǎn)量近年增長(zhǎng)迅速,目前有30%的玉米用于燃料乙醇的生產(chǎn)。除玉米乙醇外,為促進(jìn)的內(nèi)在YH中國(guó)煤化工下同水平的乙醇耐受CNMH關(guān)組成及功能發(fā)醉纖維素乙醇的發(fā)展,2005年頒布的美國(guó)能源政策法案(E營(yíng)養(yǎng)卜充方式等因素密切相關(guān)。乙醇毒性的簡(jiǎn)要機(jī)制是:臨界乙醇濃度導(dǎo)致質(zhì)膜磷脂作者簡(jiǎn)介嗣愛(ài)萍(1%4-),女,河南汝州人,講師,從事生物工程方面裂解,如果菌株質(zhì)膜或發(fā)酵時(shí)具備相當(dāng)營(yíng)養(yǎng)而且環(huán)境條件適收稿日期20080508宜酵母就使乙醇毒性有所降低并抵抗,特別是在溫度變化3620期周愛(ài)萍國(guó)內(nèi)外然料乙醇的生產(chǎn)與研究進(jìn)展8769時(shí)尤為明顯。隨著溫度的升高酵母質(zhì)膜的磷脂量很快降的基因。在所有這些已發(fā)現(xiàn)的絮凝基因中,FO1是迄今低,以維持質(zhì)膜的流動(dòng)性并保護(hù)胞間活性。為止研究得最為詳盡的一個(gè)絮凝基因“。FO1為顯2.L.1耐酒精酵母的選育。當(dāng)發(fā)酵醪中酒精濃度低于30位于染色體1,ORF4.6kb,編碼一個(gè)富含Ser/Thr的1537個(gè)g/L時(shí)酒精對(duì)酵母的抑制作用可忽略不計(jì);高于40g/L時(shí),氨基酸的蛋白質(zhì)測(cè)。 Flop結(jié)合在細(xì)胞壁上,其N(xiāo)末端第酵母出芽受到明顯影響隨著酒精濃度的繼續(xù)增加,它對(duì)酵196-240氨基酸區(qū)暴露于培養(yǎng)基中。這一區(qū)域的功能類(lèi)似母的生長(zhǎng)和發(fā)育能力的抑制作用急劇增加;當(dāng)髙于120g/L于外源凝集素的作用,使得 Flop可選擇性地與其他細(xì)胞細(xì)時(shí),一般酵母不再生長(zhǎng)和發(fā)酵。耐酒精酵母的篩選方法胞壁上的甘露糖結(jié)合12。酵母細(xì)胞在發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)生如下:從自然界直接分離篩選耐高溫菌種用含高濃度酒精絮凝尤為重要是一種高效、環(huán)境友好簡(jiǎn)單而不需耗費(fèi)的分的培養(yǎng)基連續(xù)培養(yǎng)篩選,用物理或化學(xué)誘變劑誘變篩選2-離細(xì)胞方式。因此,絮凝性能是釀酒酵母的優(yōu)良性狀之DOG(2脫氧D葡萄糖)抗性突變株并分離。酵母菌耐酒精。反之如果絮凝基因過(guò)早表達(dá),絮凝細(xì)胞聚集體就會(huì)能力是受多基因系統(tǒng)調(diào)節(jié)的因而通過(guò)基因T程的方法提高包裹發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的CO2,導(dǎo)致細(xì)胞凝聚物浮在醪液中其耐酒精能力是非常困難的。目前比較理想的方法是原生在液面形成菌膜層發(fā)酵不徹底。 Severino zara等研究質(zhì)體融合技術(shù)。了 Saccharomyces cerevisiae中的 sardinian菌株,其FLO1l基2.1.2耐高溫酵母的選育。一般情況下,產(chǎn)乙醇釀灑酵母因編碼一種疏水的細(xì)胞壁糖蛋白,在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生絮凝的最適生長(zhǎng)溫度28℃,發(fā)酵溫度30℃左右,不超過(guò)34形成液面菌膜層。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生, Verstrepen等℃l":M。劉建軍等篩選并用傳統(tǒng)的誘變育種方法獲得1株將HSP30啟動(dòng)子取代無(wú)絮凝性能的野生釀酒酵母菌株FLOl高產(chǎn)酒精酵母菌株,在總糖濃度3.2%32℃條件下發(fā)酵70的啟動(dòng)子,FO1基因表達(dá)并在發(fā)酵末期產(chǎn)生較強(qiáng)的絮凝性h,酒精度達(dá)到172%(V/V),耐酒精度20%以上;后又以該狀。菌株和絮凝性強(qiáng)的葡萄汁酵母原生質(zhì)融合育種,獲得株酵2.2.2.2酵母絮凝的環(huán)境因素影響。酵母絮凝是一個(gè)極復(fù)母菌株,32℃發(fā)酵60-68h,可產(chǎn)酒精度17.5%~18.5%雜的現(xiàn)象,不僅受遺傳因子的控制,而且受環(huán)境、生理等多方(/V),耐酒精度20%(V/V)以上3。中國(guó)科學(xué)院武漢面因素的影響。①鈣離子的影響。過(guò)去人們認(rèn)為酵母病毒研究所誘變和篩選的耐高溫酵母能夠耐受40-50℃細(xì)胞之間的絮凝是通過(guò)“鈣橋”,即鈣離子和細(xì)胞壁上的負(fù)電高溫致死溫度80~100℃5min,耐酒精度13%,耐NaCl荷結(jié)合而產(chǎn)生凝集作用,這一理論已基本被否定。鈣離子的10%;25~32m3中試主發(fā)酵38-42℃,48h,發(fā)酵能力優(yōu)于促凝作用是作為一種輔助因子穩(wěn)定凝集素的活力構(gòu)象對(duì)照,出酒率提高1%-2%叫。②pH值的影響。pH值為1.5~9.0時(shí)絮凝都可以發(fā)生,但2.2分子生物學(xué)研究最適pH值為35-5.8,即偏酸基質(zhì)利于絮凝。③溫度的22.1轉(zhuǎn)入淀粉酶系基因。因?yàn)榻湍覆缓矸勖赶祷?影響。溫度對(duì)酵母絮凝的影響還未形成定論,許多研究結(jié)果不能直接利用淀粉,利用玉米小麥、薯類(lèi)大米等淀粉質(zhì)相差較大。一般認(rèn)為,15~32℃時(shí),溫度變化對(duì)絮凝的影響原料生產(chǎn)燃料乙醇時(shí),首先需要加入a淀粉酶和糖化酶把淀不明顯低于5℃、高于60℃條件下,絮凝迅速下降M粉分解為葡萄糖酵母才能吸收碳源進(jìn)行正常的生理代謝活④碳或氮源的影響。普遍認(rèn)為,啤酒酵母的絮凝是由營(yíng)養(yǎng)物動(dòng)。由此,許多研究者把其他菌種的a淀粉酶和糖化酶基因質(zhì)饑餓脅迫條件誘導(dǎo)表達(dá)的。碳、氮饑餓時(shí)啟動(dòng)絮凝表轉(zhuǎn)入釀酒酵母,使其可以直接利用淀粉發(fā)酵,省卻生產(chǎn)中的達(dá),而向培養(yǎng)基中加入這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)則會(huì)延遲絮凝產(chǎn)生。這液化和糖化過(guò)程降低生產(chǎn)成本。 Tunahan Cakir等把Bail-就有可能通過(guò)改變碳、氮濃度來(lái)控制絮凝的形成時(shí)間。Lus subtilis的a淀粉酶基因和 Aspergillus awamori的糖化酶基⑤乙醇濃度的影響。乙醇對(duì)酵母絮凝的影響因菌株而異,有因克隆到 Saccharomyces cerevisiae中并成功表達(dá),直接發(fā)酵淀的研究結(jié)果表明乙醇誘導(dǎo)或加強(qiáng)絮凝,而有的研究則恰恰相粉產(chǎn)生乙醇。這類(lèi)研究文獻(xiàn)較多,但乙醇產(chǎn)率較低,未見(jiàn)反,表明乙醇抑制絮凝。乙醇對(duì)絮凝的影響機(jī)制還不清楚。工業(yè)化生產(chǎn)的報(bào)道。⑥Ca2的影響。原來(lái)以為,酵母的絮凝是鄰近細(xì)胞細(xì)胞壁上222構(gòu)建絮凝基因工程菌。酵母絮凝是由絮凝基因編碼的陰離子和Ca2結(jié)合,通過(guò)此“鈣橋”而達(dá)到凝集作用的。的絮凝蛋白(Flp,凝集素)與鄰近細(xì)胞細(xì)胞壁甘露糖結(jié)合,這一理論已基本被否定。現(xiàn)在認(rèn)為酵母的絮凝通過(guò)穩(wěn)定凝形成的多細(xì)胞案集現(xiàn)象口1,是可逆的無(wú)性的和需要鈣離集素即Fop的活力構(gòu)象而達(dá)到促凝作用。除了遺傳因子的過(guò)程。素和環(huán)境因素的影響外,酵母的絮凝還受絮凝蛋白活性和細(xì)2.2.2.1酵母絮凝的遺傳因子研究。 Saccharomyce胞間相互作用的物理因子影ae的絮凝基因家族中,目前已發(fā)現(xiàn)的基因至少有14個(gè),2.2.3利用纖維素或半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。農(nóng)業(yè)和森林FDOl、FLO5、FO、FLO10、FO1l研究較多,FLO1、FLO5、廢棄物是可用于燃料乙醇生產(chǎn)的主要木質(zhì)纖維素類(lèi)原料。FLO9、FLO10臨近端粒(距端粒約10~40kb),而FOl既但微田紅米物發(fā)酵產(chǎn)生乙醇,必須把不臨近端粒也不臨近著絲粒3。FLO5、FLO9與FLO1極為纖維中國(guó)煤化工主物可以利用的單糖相似,而這一家族中的另2個(gè)基因FO2和F04與FLOl是或者CNMHG纖維素或半纖維素類(lèi)等位基因2。當(dāng)某個(gè)基因家族中一個(gè)基因表達(dá)時(shí)這一家物質(zhì)及其水解產(chǎn)物的基因重組菌。目前,以纖維素和半纖維族中的其他基因保持沉默,這是不同微生物中的一個(gè)普遍規(guī)素為原料生產(chǎn)燃料乙醇的成本過(guò)高,無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生則2。在∑1287b菌株中,FLO是這一家族中唯一表達(dá)8770安微農(nóng)業(yè)科學(xué)2008年2.3發(fā)酵工藝學(xué)研究23.1高濃度(VHC)發(fā)酵。高濃度發(fā)酵是指每升發(fā)酵液中[13]章克昌吳佩蹤酒精工業(yè)手冊(cè)M北京輕工業(yè)出版社198:140[14] JEFFRIES T W, SHI N Q. Genetie engineering for improved xylose fer可溶性固形物為300g或更高。目前已成功實(shí)現(xiàn)小麥、mentation by yeasts[ J]. Adv Biochem Eng Biotechnol, 1999, 65:117燕麥大麥黑麥和黑小麥等的高濃度發(fā)醉提高了乙醉產(chǎn)(15]劉建軍,魯燕,趙祥穎等高產(chǎn)酒精酵母菌種的選育[門(mén)釀酒量降低了生產(chǎn)成本。影響乙醇高濃度的因素主要是溫03,3(1):S7-59度和營(yíng)養(yǎng)元素含量在此過(guò)程中,添加麥角固醇和Twen80[161劉車(chē),趙樣穎要將燕等高產(chǎn)酒精絮凝酵母sY430菌株的選育提高乙醇產(chǎn)率列。Wang等用高濃度發(fā)酵等技術(shù)使酒精度7 BIDARD F BONY M. BLONDIN B,el, The Saccharomyces cermisiae從95%-100%(VV)提高到1%-151%(V/V)。FLOl focculation gene encodes a cell surface protein[ J]. Yeast, 19952.3.2補(bǔ)料發(fā)酵。雖然高濃度酒精發(fā)酵是科研人員和生產(chǎn)[181 BONY M, THINES SEMPOUX D BARRE P,el. Localisation and cell企業(yè)一直追求的月標(biāo)但過(guò)高的糖濃度會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵醪高滲透surface anchoring of the Saccharomyces cereuisiae flocculation proteitolp]. J Bacteriol,19,74929-496壓和低水活性抑制菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝最終使得乙醇19] STRAFORD M. Yeast flocculation: Calcium specificity[].Yea,99,產(chǎn)率降低。所以采取較低初始底物濃度和補(bǔ)料發(fā)酵工藝可5:487-49%6[20]鄭懷禮生物絮凝劑與絮疑技術(shù)[M].北京:化學(xué)工以解除高濃度底物對(duì)菌體細(xì)胞的抑制作用,并且更有利于代[21] ADRIAN HALME, STACIE BUMGARNER, CORA STYLES,tl謝產(chǎn)物的積累ic and epigenetic regulation of the F10 gene family generates cellvar in yeas[ J]. Cell, 2004, 116: 405-415.2.3.3細(xì)胞固定化。據(jù)報(bào)道,向培養(yǎng)基中直接加入乙醇的[2 SIEIRO C. REBOREDO N M, VILLA T G. oning of a new FLo gene釀酒酵母細(xì)胞的毒性和細(xì)胞死亡率,低于其自身細(xì)胞產(chǎn)生乙from the focculating Saccharomyces cereuisiae IM1 8b strain[ J].FEMSMicrobiol lett,1997,146:109-115醇的毒性和細(xì)胞死亡率。這就說(shuō)明發(fā)酵醪中還有其他代謝[23]cuoB, STYLFS CA,FNGQ,el. A Saccharomyces gene family in副產(chǎn)物,并對(duì)菌體產(chǎn)生抑制作用。與連續(xù)發(fā)酵相比,使用volved in invasive growth, cell cell adhesion, and mating[J]. Proe Natl細(xì)胞固定化技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇可以減少代謝副產(chǎn)物的抑制[24]劉小琳鵬,盧大軍,等絮選擇載體的構(gòu)建及B萄南糖苻基因本。但是還沒(méi)有見(jiàn)到運(yùn)用固定化技術(shù)進(jìn)行燃料乙醇工業(yè)化(352時(shí)中的表太門(mén)生物L(fēng)程:352(1):6m0作用提高發(fā)酵產(chǎn)率,并且可以重復(fù)利用細(xì)胞降低生產(chǎn)成RD M, ASSINDER,S. Yeast flocculation: Flol and New Flo phe-and receptor structure[J]. Yeast, 1991, 7: 5$9-574生產(chǎn)的報(bào)道。[26] TELNISSEN A, HOL.UB E, VAN DER HUCHT, J, et al. Sequence o the小結(jié)g frame of the FLOl gene from Saccharomyces cerevisiae[J]Yeas,1993.9:42-427,燃料乙醇等生物質(zhì)能源的研究和生產(chǎn),已是21世紀(jì)人[27] KOBAYASHI O, HAYASHI N, KUROK R,eal. Region of F類(lèi)面臨的重常解決的重大問(wèn)題。其中傳統(tǒng)的菌種選育分子(28] VERSTREPEN K J DFRDELINCKX G, VERACHTERT H育種、發(fā)酵工藝以及乙醇提取T藝都同等重要,而且已取得nlorvulatin: what brewers should know[J]. Appl Microbiol Biotechnol了豐碩成果。雖然酒精發(fā)酵是最古老的發(fā)酵技術(shù)之一,但結(jié)( 29] STRAFORD M. Yeast flocculate: A new perspecti. Adv microbiol合其他方面的研究成果,這一傳統(tǒng)項(xiàng)目還有許多可以提高和Physiol, 1992, 33: 2-71.發(fā)展的空間;雖然釀酒酵母是研究真核細(xì)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-分子生物學(xué)方面的大量基礎(chǔ)研究工作還需要科研人員繼續(xù)harommyces cerevisiae[J]. Applied and Environmental Microbiology進(jìn)行,以便為進(jìn)一步應(yīng)用研究做準(zhǔn)備。[31] VERSTREPEN K J, DERDELINCKX G, DEL.VAUX F R, et al. Late fer-參考文獻(xiàn)of FLOI in Saccharomyces cermisiae[J].J Am[1]譚天偉,王芳鄧?yán)茉瓷锛夹g(shù)[J]生物加工過(guò)程,200,1(1):32Brew Chem,x00159(2):69632]張博,陳蔚,鐵翠娟,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]微生物學(xué)報(bào),19,39(6):527-532pwes,2001,n7:l87-195.[3]姚汝華,路福平啤酒酵母育種及其應(yīng)用[J.廣州食品工業(yè)科技[3] TUNAHANYALCIN ARGA K, METE ALTINTAS M, et al. Flux94(3):13-2analysis of combinant Saccharomyces cermisiae YPB-C utilizing starch [34]CONZ ALES M G, FERNANDEZ S, STERRA JA. ERect of temperaturefor optimal ethanol production[J]. 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