新型可再生清洁能源一一燃料酒精 黄滢月5101719005 (上海交通大学药学院，上海) 摘要：燃料酒精是一种清洁可再生型能源，本文对燃料酒精生化发酵机理，及其制备工艺、 开发前景进行阐述。 关键词：燃料酒精：生物燃料：可再生型能源 Abstract:Fuel alcohol is a kind of cleansing and can reborn type energy,in this paper,the biochemistry fermentation mechanism,the preparation craft,and the development prospect of the fuel alcohol are simply introduced. Key Words:fuel alcohol;biofuel;reborn type energy 燃料和一个国家的经济发展密切相关，也是国家战略安全保障基础之一。目前液体燃料 (汽油、柴油)等主要来源于石油资源，从目前探明的石油储量上看，世界石油的开采期乐观 的看，有100年左右，悲观的讲，只有30至50年左右0 以石油为原料的液体燃料燃烧造成大量的污染物，如美国经过多年的统计，空气中主要 污染物如C02和颗粒悬浮物约70%来自各种燃料燃烧排放物，硫化物等污染物主要是来自于 燃料燃烧。 但随着石油资源日益枯竭，人们环境保护的意识越来越强烈，在此形式下，生物能源开 始进入人们的视野。生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能 生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料，生 物制氢等。 燃料酒精作为可再生能源不会枯竭，并且不会引起温室效应。在自然界，植物通过光合作 用将二氧化碳和水合成碳水化合物即糖类物质，糖类物质经微生物发酵转化为乙醇，乙醇燃 烧生成二氧化碳和水并放出能量，这是一个物质循环和太阳能转化的过程。因此，生物乙醇作 为能源是可再生能源，只要太阳还向地球提供能量，生物能源就不会枯竭。并且，生物能源制 造和使用过程中二氧化碳的净排放是零，不会引起温室效应。 1燃料酒精生化发酵机理 一个微生物细胞就是一个组织严密、工作有序的细胞工厂，在细胞内进行着成千上万个 酶催化的生化反应。从葡萄糖到酒精的总化学反应结果是1分子葡萄糖生成2分子乙醇和2 分子二氧化碳，这中间经历了一系列复杂的生化反应。1个6碳（有6个碳原子）的葡萄糖分 子先通过糖酵解途径的10步生化反应得到2个3碳的丙酮酸分子（有3个碳原子），然后丙酮 酸再脱羧、还原生成乙醇和二氧化碳。葡萄糖产酒精的理论转化率为0.51g乙醇/1g葡萄 糖。 1.1生产酒精的微生物 目前在工业生产中用于发酵产酒精的微生物主要是酵母菌酿酒酵母和细菌运动发酵单 胞菌。酿酒酵母是单细胞的真核生物对高浓度糖的耐受力很强，一些酵母菌在30%50%的葡 萄糖浓度下仍可生长，对酒精也有较强的耐受能力，在5%的乙醇浓度下可以生长并正常发酵 产乙醇，当乙醇浓度达到6%以上时，酵母菌产乙醇的速率逐渐下降，一般到12%左右就完全 停止，但有的菌产乙醇可以达到更高的浓度。酿酒酵母转化葡萄糖产乙醇的转化率可以达到 理论转化率的90%以上。酿酒酵母发酵产乙醇在偏酸性的环境中进行，不易染菌，过程比较容 易控制
新型可再生清洁能源——燃料酒精 黄滢月 5101719005 （上海交通大学 药学院，上海） 摘 要：燃料酒精是一种清洁可再生型能源, 本文对燃料酒精生化发酵机理, 及其制备工艺、 开发前景进行阐述。 关键词:燃料酒精；生物燃料；可再生型能源 Abstract:Fuel alcohol is a kind of cleansing and can reborn type energy,in this paper,the biochemistry fermentation mechanism, the preparation craft,and the development prospect of the fuel alcohol are simply introduced. Key Words:fuel alcohol;biofuel;reborn type energy 燃料和一个国家的经济发展密切相关,也是国家战略安全保障基础之一。目前液体燃料 （汽油、柴油）等主要来源于石油资源,从目前探明的石油储量上看,世界石油的开采期乐观 的看,有 100 年左右,悲观的讲,只有 30 至 50 年左右 [1]。 以石油为原料的液体燃料燃烧造成大量的污染物,如美国经过多年的统计,空气中主要 污染物如 CO2和颗粒悬浮物约 70%来自各种燃料燃烧排放物,硫化物等污染物主要是来自于 燃料燃烧。 但随着石油资源日益枯竭，人们环境保护的意识越来越强烈，在此形式下，生物能源开 始进入人们的视野。生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能 生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料,生 物制氢等。 燃料酒精作为可再生能源不会枯竭,并且不会引起温室效应。在自然界,植物通过光合作 用将二氧化碳和水合成碳水化合物即糖类物质, 糖类物质经微生物发酵转化为乙醇,乙醇燃 烧生成二氧化碳和水并放出能量,这是一个物质循环和太阳能转化的过程。因此,生物乙醇作 为能源是可再生能源, 只要太阳还向地球提供能量,生物能源就不会枯竭。并且,生物能源制 造和使用过程中二氧化碳的净排放是零,不会引起温室效应。 1 燃料酒精生化发酵机理 一个微生物细胞就是一个组织严密、工作有序的细胞工厂,在细胞内进行着成千上万个 酶催化的生化反应。从葡萄糖到酒精的总化学反应结果是 1 分子葡萄糖生成 2 分子乙醇和 2 分子二氧化碳, 这中间经历了一系列复杂的生化反应。1 个 6 碳(有 6 个碳原子)的葡萄糖分 子先通过糖酵解途径的 10 步生化反应得到 2 个 3 碳的丙酮酸分子(有 3 个碳原子),然后丙酮 酸再脱羧、还原生成乙醇和二氧化碳。葡萄糖产酒精的理论转化率为 0.51g 乙醇/ 1g 葡萄 糖 [2]。 1.1 生产酒精的微生物 目前在工业生产中用于发酵产酒精的微生物主要是酵母菌酿酒酵母和细菌运动发酵单 胞菌。酿酒酵母是单细胞的真核生物对高浓度糖的耐受力很强,一些酵母菌在 30%~ 50%的葡 萄糖浓度下仍可生长,对酒精也有较强的耐受能力,在 5%的乙醇浓度下可以生长并正常发酵 产乙醇,当乙醇浓度达到 6%以上时,酵母菌产乙醇的速率逐渐下降, 一般到 12%左右就完全 停止,但有的菌产乙醇可以达到更高的浓度。酿酒酵母转化葡萄糖产乙醇的转化率可以达到 理论转化率的 90%以上。酿酒酵母发酵产乙醇在偏酸性的环境中进行,不易染菌,过程比较容 易控制
运动发酵单胞菌属于原核生物，这是一种更简单的生命形式。与酵母菌相比，它生长更 快，发酵速度也更快，并且产乙醇的转化率也更高。这种优势得益于运动发酵单胞菌将葡萄糖 转变为丙酮酸时有更简捷的途径，它除了一般生物普遍的糖酵解途径外，还有一条ED途径， 只需要4步而不是糖酵解的10步反应就能将葡萄糖转变为丙酮酸。 除了酿酒酵母和运动发酵单胞菌外，其他发酵葡萄糖产酒精较好的微生物还有葡萄汁 酵母、裂殖酵母等酵母菌以及楔状梭菌、螺旋体菌、解淀粉欧文菌、明串珠菌、耐热厌氧 菌等细菌。 1.2酒精发酵的原料与有关的酶 原则上，所有糖类物质（碳水化合物）都可以作为酒精发酵的原料。这些糖类物质包括单 糖，如葡萄糖和果糖：寡糖，如蔗糖和乳糖：多糖，如淀粉和纤维素等。因此，含有这些物质的 生物质都可以用来生产酒精。 用于从淀粉制葡萄糖的酶是两种酶：ā-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶：纤维素酶是引起纤维素 降解的一类酶的总称，它由三种酶组成：内切酶、外切酶和B-葡萄糖苷酶。目前使用的纤维 素酶也由真菌产生。半纤维素的主要组分是木聚糖，降解木聚糖的酶也有内切酶和外切酶两 种。在木聚糖的降解过程中，先由内切酶将木聚糖降解为木寡糖，然后再被外切酶（ā-木糖苷 酶)降解得到木糖。 2燃料酒精制备工艺 2.1糖质燃料酒精生产工艺 以甘蔗汁和甜高粱汁等糖质原料生产酒精，主要有Biostill法、Melle-Boinot法和连续 发酵法。Melle-.Boinot法主要包括：原料的称量和杀菌，调节pH,调节糖度到14~22度， 接种酵母菌，酒精的发酵和分离，酵母菌回收利用0。连续发酵使发酵过程更加经济节约。 与传统的分批发酵相比，连续发酵能降低生物反应器的构建、维护成本，并降低其操作要求， 有更好的过程控制和更高的产量。巴西30%的酒精工厂都采用连续发酵。 2.2纤维质燃料酒精生产工艺 纤维素原料发酵产酒精主要有3个步骤，即原料的预处理、纤维素水解和水解产物发 酵。目前，成熟的化学预处理技术是酸水解，包括浓酸水解和稀酸水解。稀酸水解分两步： 第一步低温水解半纤维素，第二步高温水解纤维素。目前较新的酸水解工艺是逆流水解，该 工艺包括两段：第一段在180℃下自水解，第二段在225℃超浓酸水解0。 2.3淀粉质燃料酒精生产工艺 淀粉是一种高产酒精原料，利用淀粉生产燃料酒精步骤为：原料的预处理，水解和发 酵。对原料进行预处理以提高淀粉的水解糖化效率。传统的淀粉水解采用酸水解。酶水解因 为具有温和反应条件和没有二级反应等优点而越来越多的被采用。 Apar等研究了在低温下利用a-淀粉酶水解玉米淀粉的可行性。双酶法糖化是淀粉发 酵生产酒精的重要前期处理步骤，即中温蒸煮时加入ā-淀粉酶，糖化时加入糖化酶，蒸煮使 颗粒状态的淀粉变为糊化状态淀粉，而糖化将糊化状态的淀粉转化为酵母能够发酵的糖类。 3开发前景 在国内，利用生物质生产燃料酒精己为人们高度重视。特别是推广使用车用燃料酒精， 对于我国国民经济和社会发展具有重要战略意义。生物质原料除玉米、小麦等外，还有更为 广大，而又有待开发的来源，如玉米芯和秸杆、蔗渣、稻麦秸杆、水果汁制取后的果渣、森林 残积物和造纸厂废弃物、废纸等。从利用淀粉质原料生产酒精看，目前酒精的使用成本高于 汽油的使用成本，但其技术是非常成熟的
运动发酵单胞菌属于原核生物, 这是一种更简单的生命形式。与酵母菌相比,它生长更 快,发酵速度也更快,并且产乙醇的转化率也更高。这种优势得益于运动发酵单胞菌将葡萄糖 转变为丙酮酸时有更简捷的途径,它除了一般生物普遍的糖酵解途径外,还有一条 ED 途径, 只需要 4 步而不是糖酵解的 10 步反应就能将葡萄糖转变为丙酮酸 [3]。 除了酿酒酵母和运动发酵单胞菌外, 其他发酵葡萄糖产酒精较好的微生物还有葡萄汁 酵母、裂殖酵母等酵母菌以及楔状梭菌、螺旋体菌、解淀粉欧文菌 、明串珠菌、耐热厌氧 菌等细菌。 1.2 酒精发酵的原料与有关的酶 原则上, 所有糖类物质(碳水化合物)都可以作为酒精发酵的原料。这些糖类物质包括单 糖,如葡萄糖和果糖；寡糖,如蔗糖和乳糖；多糖,如淀粉和纤维素等。因此,含有这些物质的 生物质都可以用来生产酒精。 用于从淀粉制葡萄糖的酶是两种酶:α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶；纤维素酶是引起纤维素 降解的一类酶的总称,它由三种酶组成:内切酶、外切酶和β-葡萄糖苷酶。目前使用的纤维 素酶也由真菌产生。半纤维素的主要组分是木聚糖,降解木聚糖的酶也有内切酶和外切酶两 种。在木聚糖的降解过程中,先由内切酶将木聚糖降解为木寡糖,然后再被外切酶(α-木糖苷 酶)降解得到木糖。 2 燃料酒精制备工艺 2.1 糖质燃料酒精生产工艺 以甘蔗汁和甜高粱汁等糖质原料生产酒精，主要有 Biostill 法、Melle-Boinot 法和连续 发酵法。Melle-Boinot 法主要包括：原料的称量和杀菌，调节 pH，调节糖度到 14～22 度， 接种酵母菌，酒精的发酵和分离，酵母菌回收利用 [4]。连续发酵使发酵过程更加经济节约。 与传统的分批发酵相比，连续发酵能降低生物反应器的构建、维护成本，并降低其操作要求， 有更好的过程控制和更高的产量。巴西 30%的酒精工厂都采用连续发酵 [5]。 2.2 纤维质燃料酒精生产工艺 纤维素原料发酵产酒精主要有 3 个步骤，即原料的预处理、纤维素水解和水解产物发 酵。目前，成熟的化学预处理技术是酸水解，包括浓酸水解和稀酸水解。稀酸水解分两步： 第一步低温水解半纤维素，第二步高温水解纤维素。目前较新的酸水解工艺是逆流水解，该 工艺包括两段：第一段在 180℃下自水解，第二段在 225 ℃超浓酸水解 [6]。 2.3 淀粉质燃料酒精生产工艺 淀粉是一种高产酒精原料， 利用淀粉生产燃料酒精步骤为：原料的预处理，水解和发 酵。对原料进行预处理以提高淀粉的水解糖化效率。传统的淀粉水解采用酸水解。酶水解因 为具有温和反应条件和没有二级反应等优点而越来越多的被采用。 Apar 等 [7]研究了在低温下利用α-淀粉酶水解玉米淀粉的可行性。双酶法糖化是淀粉发 酵生产酒精的重要前期处理步骤,即中温蒸煮时加入α-淀粉酶,糖化时加入糖化酶，蒸煮使 颗粒状态的淀粉变为糊化状态淀粉，而糖化将糊化状态的淀粉转化为酵母能够发酵的糖类。 3 开发前景 在国内,利用生物质生产燃料酒精已为人们高度重视。特别是推广使用车用燃料酒精, 对于我国国民经济和社会发展具有重要战略意义。生物质原料除玉米、小麦等外,还有更为 广大,而又有待开发的来源,如玉米芯和秸杆、蔗渣、稻麦秸杆、水果汁制取后的果渣、森林 残积物和造纸厂废弃物、废纸等。从利用淀粉质原料生产酒精看,目前酒精的使用成本高于 汽油的使用成本,但其技术是非常成熟的
燃料酒精目前己具有较好的基础，但仍存在成本高的问题，比较经济的方法是采用纤维 素为原料发酵生产酒精。随着基因工程的发展，在关键酶如纤维素酶、木聚糖酶等己有较大 突破，因此利用纤维素发酵制备酒精已为时不远。此外，燃料酒精的开发对环保事业、国家 能源安全以及农业生产皆十分有利，发展前景广阔。 对于燃料酒精在我国未来的发展，应充分利用我国生产酒精原料丰富的特点，引进吸收 国外先进的基因工程生物技术，大力开展淀粉质、糖蜜、甘蔗汁以及甘蔗渣等纤维素水解液 原料生产酒精的研究，同时应设法解决废液处理问题，实现综合利用，从而在经济增长和可 持续发展之间寻求一条可被广泛接受的道路。 参考文献： [1]谭天伟，王芳，邓利.能源生物技术[J].生物加工过程，2003,5(1)：32-36 [2]江宁.生物液体燃料--燃料酒精[1.自然杂志，2006,11(29)：30-33 [3]何珺珺，周如金，邱松山，黄敏.燃料酒精的发展现状和研究进展[刀.酿酒 科技，2011(4)：90-93 [4]Sprenger GA.Carbohydrate metabolism in Zymomonas mobilis:a catabolic highway with some scenic routes//7.FEMS Microbiology Letters.2006,145(3):301-307. [5]Alfenore S,Cameleyre X,Benbadis L,et al.Aeration strategy:a need for very high ethanol performance in Saccharomyces cerevisiae fed-batch process//.Applied microbiology and biotechnology.2004,63(5):537-542. 6]Yang B,Wyman C E.Pretreatment:the key to unlocking low-cost cellulosic ethanol. Biofuels Bioprod Biorefin 2(2008)/J7.Full Text via CrossRef View Record in Scopus Cited By in Scopus(9).2008,26-40, [7]Apar D K,Zbek B.[sigma]-Amylase inactivation during corn starch hydrolysis process/J. Process Biochemistry.2004.39(12):1877-1892
燃料酒精目前已具有较好的基础,但仍存在成本高的问题,比较经济的方法是采用纤维 素为原料发酵生产酒精。随着基因工程的发展,在关键酶如纤维素酶、木聚糖酶等已有较大 突破,因此利用纤维素发酵制备酒精已为时不远。此外，燃料酒精的开发对环保事业、国家 能源安全以及农业生产皆十分有利，发展前景广阔。 对于燃料酒精在我国未来的发展, 应充分利用我国生产酒精原料丰富的特点,引进吸收 国外先进的基因工程生物技术,大力开展淀粉质、糖蜜、甘蔗汁以及甘蔗渣等纤维素水解液 原料生产酒精的研究, 同时应设法解决废液处理问题,实现综合利用,从而在经济增长和可 持续发展之间寻求一条可被广泛接受的道路。 参考文献： [1] 谭天伟, 王芳, 邓利. 能源生物技术[J]. 生物加工过程，2003，5（1）：32-36 [2] 江宁. 生物液体燃料----燃料酒精[J]. 自然杂志，2006，11（29）：30-33 [3] 何珺珺，周如金，邱松山，黄敏. 燃料酒精的发展现状和研究进展[J]. 酿酒 科技,2011(4):90-93 [4] Sprenger G A. Carbohydrate metabolism in Zymomonas mobilis:a catabolic highway with some scenic routes[J]. FEMS Microbiology Letters. 2006, 145(3)：301-307. [5] Alfenore S, Cameleyre X, Benbadis L, et al. Aeration strategy:a need for very high ethanol performance in Saccharomyces cerevisiae fed-batch process[J]. Applied microbiology and biotechnology. 2004, 63(5)：537-542. [6] Yang B, Wyman C E. Pretreatment: the key to unlocking low-cost cellulosic ethanol, Biofuels Bioprod Biorefin 2 (2008) [J]. Full Text via CrossRef| View Record in Scopus| Cited By in Scopus (9). 2008, 26-40. [7] Apar D K, Zbek B. [sigma]-Amylase inactivation during corn starch hydrolysis process[J]. Process Biochemistry. 2004,39(12)：1877-1892
