乙醇的发酵生产

1.有机物糖化及其微生物

由于能将葡萄糖转化为乙醇的酵母菌不能利用淀粉、纤维素等大分子有机物，因此必须有其他微生物将这些大分子有机物降解为葡萄糖提供给酵母菌。这一将淀粉、纤维素等大分子有机物转化为葡萄糖的过程称为糖化作用。糖化过程可利用酸水解或酶解或某些微生物将大分子有机物水解为葡萄糖。能将这些大分子有机物转化为葡萄糖的微生物称为糖化菌。根霉（Rhizopus）、毛霉（Mucor）、曲霉（Aspergillus）的许多种都具有很高的糖化能力。在生产中主要用的糖化菌是曲霉和根霉。曲霉有黑曲霉（A.niger）、白曲霉和米曲霉（A.oryzae）等。根霉是淀粉发酵法的主要糖化菌，其中以东京根霉（又称河内根霉）、黑根霉（R.nigricans）等应用最广。

（C6H12O6）nn（C6H12O6）

2.乙醇发酵及其微生物

酵母菌在厌氧条件下利用大分子有机物糖化后的葡萄糖时，先形成丙酮酸，丙酮酸脱羧形成乙醛，乙醛再在乙醇脱氢酶作用下形成酒精。其反应的过程如下：

C6H12O6＋2NAD＋→2CH3COCOOH＋2NADH＋2H＋

2CH3COCOOH2CH3CHO＋CO2

CH3CHO＋NADH＋＋H＋CH3CH2OH＋NADH＋

总反应式为：

C6H12O6→2CH3CH2OH＋CO2＋Q

从反应式看，1mol葡萄糖可产生2mol乙醇，即180g葡萄糖可产生92g乙醇，转化率为51.5％ 。但由于约有2％的碳水化合物用于酵母菌细胞增殖，约2％的碳水化合物用于形成甘油，0.5％的碳水化合物用于形成以琥珀酸为主的有机酸和0.2％的碳水化合物用于形成杂醇油，因此实际上只有47％的葡萄糖转化为乙醇。

乙醇发酵能力最强的酵母菌是子囊菌纲酵母菌属的啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）（图13-3）。细菌中能进行乙醇发酵的种不多，仅有发酵单胞菌（Zymomonas）、胃八叠球菌（Sarcina ven-triculi）和解淀粉欧文氏菌（Erwinia amylovora）等少数种。它们在形成乙醇时的途径与酵母菌不同。运动发酵单胞菌（Z.mobilis）可以通过ED途径发酵葡萄糖产生酒精。但细菌性发酵葡萄糖产生酒精的效率较低，因而难以规模化应用于工业，尚难以与酵母菌相竞争。

图13-3 啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）

3.利用纤维质有机废弃物直接发酵产生乙醇

纤维素类物质是地球上最丰富、廉价的可再生资源，全世界每年由植物合成的纤维素、半纤维素的总量达8.5×1010t，但被利用的仅有2％左右，其余的大多以农业废弃物的形式残留于环境。面临世界性能源枯竭和环境污染的日益威胁，通过微生物将以纤维素、半纤维素为主要成分的农业废弃物直接转化生产乙醇已成为研究热点。

厌氧性的热纤梭菌（Clostridium themocellum）、嗜热氢硫梭菌、布氏嗜热厌氧菌和乙酸乙基嗜热拟杆菌（Thermobacteroides acetoethylicus）等能直接利用除葡萄糖等己糖外较为广泛的有机物质转化为乙醇。但已知和研究较深入的能直接将纤维素转化为乙醇的细菌只有热纤梭菌（图13-4a）。热纤梭菌细胞壁表面分布有不连续的包含有纤维素酶系的纤维素体（Cellu-losome）。这些纤维素体与纤维素相粘附（图13-4b），然后纤维素酶系逐步将纤维素分解为可溶性糖类，吸收入细胞进一步利用，转化为乙醇。然而，由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然木质纤维素直接进行酶水解时，其纤维素水解成糖的比率一般仅有10％ ～20％ 。因此由热纤梭菌直接转化为乙醇的效率较低。这表明尽管在理论上是可行的，但在实际工业化过程中如何提高乙醇的转化效率仍有许多问题有待解决。

图13-4 热纤梭菌（a）及其对纤维素的黏附（b）