添加剂对固定化细胞制备产酒精的影响文献综述

 2022-07-26 03:07

1.前言

随着现代工业的发展和世界人口的激增,世界对能源的需求量急速上升,传统能源枯竭日益严重,所带来的能源危机问题成为全球关注的焦点。

非可再生能源日益枯竭的状况日益严重,新能源的出现能够有效的缓解这种情况,而且新能源清洁可再生,可以有效的治理环境污染等问题,尤其是对我国经常出现的雾霾天气的改变具有可持续实施意义[1]。生物乙醇是典型的生物质能源,清洁可再生,是一种理想的石油替代品,具有良好的应用价值。在2011年时一年时间内全球燃料乙醇的生产量达到6680 万吨,占世界生物燃料总产量的73.45%[2]。我国燃料乙醇产业虽然起步较晚,但是发展速度很快, 到 2010 年 8 月,中国燃料乙醇生产量在全世界中排在第三的地位。在2001年的时候,“十五”计划中指出了“大力发展燃料乙醇”产业,同时在《国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》中明确列出了发展燃料乙醇的要求。

生产燃料乙醇的原材料丰富,目前全球范围内可以用来作为生产燃料乙醇的原料分为淀粉类、糖料类和木质纤维素类。第一代燃料燃料是以玉米、小麦、甜菜等淀粉类、糖料类为原料发酵制得的,乙醇汽油在全球范围内发展迅猛,预计 2020 年全世界乙醇的总产量可望达到 80亿升左右[3]。由于燃料乙醇的产能和需求的不断扩大,而第一代燃料乙醇需要消耗大量粮食作物,我国人口众多,存在与人争粮等问题而逐渐失去优势。遵循“不与人争粮,不与粮争地”的原则的第二代燃料乙醇是以农林业废弃物等木质纤维为原料制成的,我国木质纤维原料丰富,秸秆年产量约7亿吨,林业废弃物约2亿吨[4];还可以有效的解决化石燃料燃烧会排放出大量的二氧化碳等温室气体的问题,可以减少温室气体排放的 50 %以上[5],得到政府和科研学者的广泛重视。2020年时,我国燃料乙醇的年产量计划可以达到2000万吨,其中35%是通过木质纤维原料制成的。目前国内已经成立了以天冠集团、吉林燃料乙醇有限公司、华润酒精集团、安徽丰原生物化学有限公司为代表的一大批纤维乙醇生产厂家。

2.文献综述

2.1 植物纤维原料

植物纤维原料由三个组分构成:纤维素、半纤维素和木质素。纤维素含量占其干重的的40%~50%;半纤维素占其干重的25%~30%;木质素占其干重的15%~20%[6]。纤维素是一种高分子链状化合物,它是葡萄糖通过beta;-1,4 葡萄糖苷键连接的,它的内部致密、性质稳定且不透水[7]。半纤维素则是由两种或两种以上糖基组成的非均一性的杂多糖,残糖基分为三个部分,分别为:己糖、戊糖和糖醛酸,半纤维素的组成根据原料的不同而有所差异。木质素不是由碳水化合物组成,是一种可以对水解纤维素起到屏障作用的高聚体,它是以苯丙烷结构为基本单元所组成的近似球状的物质[8]。纤维素、半纤维素和木质素的含量因原料的不同而有所差异,常见的农作物及废弃物中三素的含量如表1所示。

表1 不同物质中纤维素、半纤维素、木质素的含量[9]

植物纤维原料经过预处理、酶解后水解液中主要含有己糖和戊糖,在乙醇生产过程中葡萄糖可以快速被利用,木糖代谢较葡萄糖代谢更为复杂,且木糖发酵菌株在利用葡萄糖或木糖发酵生产乙醇的效率仅仅是酿酒酵母用葡萄糖生产乙醇效率的五分之一[10],提高水解液中的戊糖发酵能力是利用物质纤维类原料发酵生产乙醇商业化过程的关键。

2.2 混菌发酵

2.2.1 混菌发酵的特点

2.2.1.1获取某些纯种无法得到的产物

人们在长期的生产实践中,通过实践发现多菌种混合发酵有时候可以得到一些纯种发酵难以得到的产物,例如在维生素C二步发酵法中。其中的第二步是通过L-山梨糖转化所得到的2- 酮基-L-古龙酸就是利用了2种微生物混合发酵的过程。一种菌是氧化葡萄糖酸杆菌,另一种菌是巨大芽孢杆菌。2 中性状不同、作用不同的菌种,单独发酵时都无法生成古龙酸,但当2 中菌共同混合发酵时,2中菌的相互作用便可生成古龙酸。

2.2.1.2 混菌之间互利共栖协同作用, 提高产率

不同的菌株组合后,由于不同菌种之间作用效果的不同,混合菌中之间互利共栖作用,能够使酶系之间比例较为协调,从而使得混菌发酵产酶能力远远高于单一菌株,提高了产率。如利用黑曲霉与烟曲霉固态发酵生产纤维素酶时,接入少许假丝酵母对提高纤维素酶系中滤纸酶(FPA)、羧甲基纤维素酶(CMC)及微晶纤维素酶(AVI)酶组分和淀粉酶的活性具有显著作用。这主要是由于将黑曲霉和烟曲霉混合后,稻草中的纤维素等多糖物质能够被水解为葡萄糖和纤维二糖,它们会阻遏纤维素酶的合成,对酶活性的提高产生影响了,推后了产酶峰值期出现,发酵周期延长。当混合菌中接入假丝酵母培养时,烟曲霉和黑曲霉水解纤维素形成的小分子还原糖会被酵母菌利用,解除了小分子还原糖对纤维素酶的反馈阻遏,促进了更多酶的合成,进而提高了纤维素酶和淀粉酶的活性。

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