以富含果胶的生物质为原料生产燃料乙醇.docx

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以富含果胶的生物质为原料生产燃料乙醇

以富含果胶的生物质为原料生产燃料乙醇

摘要：

美国已提出，到2030年30％的液体运输燃料将来自可再生资源（Perlack和Stokes2011）。

单独使用玉米为原料生产乙醇是不可能达到这个目标的。

而充分利用富含果胶的生物质可以增加美国乙醇供应。

目前，富含果胶的生物质被作为动物饲喂出售（低价）。

本文着重介绍了三种最主要的富含果胶的生物质研究类型：

甜菜渣，废柑橘和苹果渣。

目前我们已经通过各种乙醇工业生产菌对这些材料进行了工业发酵，包括酵母和细菌。

大肠杆菌能发酵很多糖类包括半乳糖醛酸，它是果胶的最主要组成部分。

酿酒酵母不能自然发酵半乳糖醛酸，也不能发酵戊糖，但它有一个同型乙醇发酵途径。

欧文氏菌是能够降解许多富含果胶的生物质的细胞壁。

克雷伯氏菌可代谢多种糖包括纤维二糖。

然而，欧文氏菌和克雷伯菌在发酵过程中均产生有副产物。

关键词:

果胶，乙醇，生物燃料，发酵

引言

在美国，寻找矿物燃料的替代物已经显得越来越重要，主要因为化石燃料是很有限的以及考虑到美国和石油供应商之间紧张的外交关系，再者燃烧矿物燃料对环境有负面影响。

美国目前每天消耗约2000万桶原油。

这2000万桶超过60％是进口的。

由于原油几乎70％的用于运输燃料，因而增加替代和可再生运输燃料显得至关重要。

现在人们提出有很多方案来缓解对以石油为基础的燃料的依赖。

一个很好地例子就是在植物生物质中生产生物燃料乙醇。

目前，在美国，工业生产的乙醇，主要是从生产含淀粉的玉米中得到的。

然而，单独使用玉米不可能生产出足够多的乙醇来满足生产需求。

因此，它有必要考虑其它生物来源的生物质用于生产燃料乙醇。

在美国，每年可生产10亿至16亿吨的干物质，它可以为生产乙醇提供足够的原料，并且可取代目前原油使用量的近30％（Perlack2011）。

木质纤维素比玉米种子的结构要复杂很多，它是由25-55％的纤维素，24-50％半纤维素，10-35％的木质素组成。

木质素降低了植物细胞壁多糖的酶促降解。

富含果胶的生物质具有低含量的木质素和高含量的果胶，果胶的含量范围从12％到35％不等（Kennedy等人2008）。

而富含果胶的生物质是一种丰富的而未被广泛充分利用的一种资源，如苹果渣，柑橘废弃物，甜菜浆（表1）。

用于乙醇生产的柑橘废弃物，从纤维素到乙醇的整个过程中成本估算，估计为$1.23/gal。

它比玉米生产乙醇成本贵（$1.00/gal），而柑橘废渣生产乙醇预计比木质纤维素更加便宜（$1.35-1.62/gal）。

因而柑橘废渣生产乙醇的过程可能比木质纤维更便宜更加经济可行，此外柑橘废渣衍生的副产物柠檬烯，它可以出售，以帮助抵销乙醇生产成本（Zhou等，2007）。

果胶结构：

关于果胶的描述基本都是一些简要的概述。

然而，Mohnen对果胶的结构和合成有了更详细的描述（2008）。

果胶是一种复杂的碳水化合物，主要时半乳糖醛酸通过共价键连接组成的（70％）。

果胶也可含有鼠李糖，木糖，阿拉伯糖，半乳糖（Mohnen2008年）。

在人们已认可的3种类型的果胶多糖中都含有半乳糖醛酸，这3种多糖为同型半乳糖醛酸聚糖，鼠李半乳糖醛酸聚糖I，鼠李半乳糖醛酸聚糖II。

果胶中的同聚半乳糖醛酸聚糖（半乳糖醛酸通过α-1，4糖苷键连接的线性聚合物）大约含65％。

第二个最突出的果胶多糖类型是鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I。

鼠李半乳糖醛酸聚糖I是由不同的多糖（主要是阿拉伯糖和半乳糖）组成的长链与鼠李糖残基相连；而鼠李半乳糖醛酸聚糖II是以同型半乳糖醛酸作为主链，复杂的多糖与半乳糖醛酸残基相连作为侧链。

富含果胶的生物质组成

果胶丰富的生物质细胞壁含有12-35％果胶（干重）。

而具细胞壁的生物质中不一定就富含果胶，如玉米粒，草和木本植物，在其细胞壁中仅含有2-10％干重果胶。

图1比较了富含果胶原料（苹果渣，柑桔废弃物和糖甜菜浆），其他类型的生物质（玉米粒，菠萝，柳枝稷）。

所有这些包含了大量的纤维素，玉米粒除外，它主要含的是淀粉。

富含果胶的残留物与木质纤维素类生物质相比木质素明显少很多。

柑橘和甜菜浆约2％干重是木质素，远小于干重26％的菠萝。

木质素干扰了纤维素和半纤维素的酶降解过程使其不可发酵成乙醇。

在用木质纤维素材料发酵生产乙醇之前，木质素和碳水化合物之间的连接必须被打断。

这常常需要昂贵和苛刻的物理，化学或生物预处理才可降解木质素。

应用

人们寻求经济和环境可持续利用的工业加工废料水果已经快有几百年。

富含果胶的废材料已经被大量应用。

比如用苹果渣作为动物饲料，肥料使用，昆虫毒饵，离子交换树脂，生产葡萄酒，果胶，甲烷，乙醇，柠檬酸，丁醇，酶，苹果种子油，苹果醋，苹果蜡，香味化合物，调味剂，草酸，木葡聚糖，活性炭，抗氧化剂，杂多糖。

柑桔废弃物，甜菜浆，和其他食物废料可以有许多类似的应用。

目前富含果胶的生物质最常见的用途是作为动物饲料。

富含果胶的生物质可以降低为粗蛋白质，脂肪和磷，但它们含高纤维和钙（表2）。

然而，它已经被证明是一个好的饲料添加剂，如果加入正确的量。

乙醇生产

工业加工过程中用富含果胶水果废弃物生产乙醇。

高度顽强的比如草和木材生物质需要处理，如氨气爆破法（AFEX）或稀硫酸预处理（Kumar等，2009）。

一些富含果胶生物质确实需要进行预处理以破坏生物质结构或消除抑制发酵的化合物，比如柑橘类废物中的柠檬烯。

但是，甜菜渣发酵不需要额外的减小颗粒尺寸和化学预处理。

大多数甜菜浆发酵使用高压灭菌121℃20分钟中进行，接着将得到的碳水化合物进行酶消化和发酵。

酿酒酵母的发酵

从果胶丰富的生物质中发酵生产乙醇的具体数据见表3（苹果渣），表4（柑桔废弃物）和表5（甜菜浆）。

早期的发酵用的是酿酒酵母。

使用酿酒酵母的一些优点包括其具有耐受高底物浓度和高乙醇浓度的能力，以及耐受相对低的pH值和氧水平。

它通过同型乙醇途径将糖转化为乙醇，因此，不会产生不需要的副产物。

在发酵中，如果蔗糖含量高，酿酒酵母发酵良好。

然而，在果胶丰富的生物质或残渣发酵中酿酒酵母并不是理想的乙醇生产菌，原因在于其不能自然发酵戊糖和半乳糖醛酸。

酿酒酵母能够发酵木糖和阿拉伯糖；木糖发酵菌株的发酵水平相当不错；而阿拉伯糖发酵菌株仍然需要优化。

当发酵果胶丰富的生物质时阿拉伯糖的利用是很重要的。

大肠杆菌的发酵

对果胶丰富的生物质进行发酵的另一个选择是大肠杆菌。

大肠杆菌不能容忍高浓度的乙醇以及具有较高的最适pH值。

因此，大肠杆菌和所需的降解植物细胞壁的酶（其具有酸性最适pH）在生物质发酵中不能同时达到最大的活性。

大肠杆菌能发酵的多种糖类，包括阿拉伯糖和半乳糖醛酸。

大肠杆菌中的半乳糖醛酸分解代谢途径已经被研究的很清楚了。

为了增加大肠杆菌的发酵效率，菌株必须通过生物工程技术手段来生产更高量的乙醇。

通常，大肠杆菌发酵糖产生混合酸，包括乙醇，乙酸根，甲酸根，琥珀酸盐和乳酸盐。

相比于酿酒酵母，用大肠杆菌KO11发酵生物质产生了较高的乙醇浓度。

酿酒酵母发酵柑橘废弃物（pH为6，37℃）产生3.96％乙醇，但用大肠杆菌KO11对柑橘类废弃物发酵（pH值5.8，37℃）可产生4.70％的乙醇。

然而，这些乙醇产量难以比较，由于在生物质预处理的差异和发酵条件的不同。

通过对发酵的生物质进行相同的预处理可以更好的比较。

GROHMAN等利用大肠杆菌KO11和酿酒酵母对柑橘废弃物的水解产物进行发酵。

大肠杆菌KO11发酵相比于酿酒酵母发酵的乙醇产量增加25-35％。

对甜菜浆使用酿酒酵母和大肠杆菌KO11连续发酵可增加乙醇的生产量。

如果加入大肠杆菌KO11再加入酿酒酵母发酵是不成功的，由于大肠杆菌KO11产生了高浓度的乙酸。

大肠杆菌KO11发酵后的醋酸水平达到11克/升。

连续添加酿酒酵母随后加入大肠杆菌KO11可产生2.97％（重量/体积）乙醇，比大肠杆菌KO11单独进行发酵的0.37％（重量/体积）高很多（表5）。

但是，发酵进行216小时后最大的乙醇生产量仍然没有达到。

单独用大肠杆菌KO11发酵达到最大乙醇浓度的时间要早得多（120小时）。

因此，单独用大肠杆菌KO11发酵有更高的容积效率。

彼得森相比较了大肠杆菌菌株LY01和另一株酿酒酵母，使用糖甜菜浆作为发酵底物。

该LY01是从大肠杆菌KO11中分离得到的，比KO11更耐受乙醇。

发酵结束测得 LY01产生4％（重量/体积）乙醇而酿酒酵母产生1.6％乙醇。

近日，大肠杆菌菌株LY01和KO11已被设计用以进一步提高发酵能力。

大肠杆菌LY40A，是把产酸克雷伯菌casAB的操纵子整合入大肠杆菌基因组中。

该casAB操纵子编码纤维二糖的磷酸转移酶基因，这使得LY40A可以吸收和代谢纤维二糖。

LY40A发酵可产生2.77％（重量/体积）乙醇，而酿酒酵母只生产了1.74％（重量/体积）乙醇。

其他发酵产乙醇的细菌

其他微生物已被用于发酵生产乙醇。

研究的重点多集中在菌株的耐热性。

马克斯克鲁维酵母，菌株可以自己产生细胞壁降解酶，其他一些微生物是能够代谢多种糖类，如产酸克雷伯菌。

马克斯克鲁维菌通过同型乙醇途径发酵己糖。

马克斯克鲁维酵母可以在温度高达47°C生产乙醇。

比较马克斯克鲁维酵母和酿酒酵母的发酵能力，马克斯克鲁维酵母能够生产和酿酒酵母相近浓度的乙醇。

然而和酿酒酵母相比，马克斯克鲁维酵母需要更高的接种量。

其是很好的发酵果胶的菌株。

让人失望的是，马克斯克鲁维酵母和酿酒酵母一样，无法自然发酵戊糖和酸性糖。

另一种选择是菊欧文氏菌，它能降解植物细胞壁组分。

对稀硫酸预处理的柑橘废液发酵显示菊欧文氏菌EC16产生的乙醇比酿酒酵母和大肠杆菌KO11要少。

菊欧文氏菌EC16包含PET操纵子，该操纵子是从运动发酵单胞菌的质粒pLOI555中得到的。

其作用在于增加了生物乙醇的生产量和降低的副产物浓度。

菊欧文氏菌EC16只生产了1.28％的乙醇。

比较以相同的预处理生物质发酵产生的乙醇的过程，我们得到类似的结果。

菊欧文氏菌EC16发酵生产1.97％（重量/体积）乙醇，小于由大肠杆菌KO11发酵产生的2.55％的乙醇。

然而，在没有真菌酶是存在时，菊欧文氏菌EC16能够产生比大肠杆菌KO11更多的乙醇，但量比较低。

另一种菌，产酸克雷伯菌P2能发酵多种戊糖的和己糖包括纤维二糖，纤维三糖，木二糖，和木三糖。

有些微生物有高耐热性的细胞壁降解酶。

这些微生物生产的耐热酶已经用于食品行业。

Spinnler等人用热纤梭菌发酵甜菜渣,其倾向于产生乙酸而不是乙醇。

发酵50%的甜菜渣产生0.78%的乙酸,0.32%的乙醇。

运动发酵单胞菌AX101可以发酵木糖和阿拉伯糖以及葡萄糖这是它的天然代谢途径。

纯糖发酵表明，运动发酵单胞菌AX101是能够代谢葡萄糖，阿拉伯糖，木糖产生乙醇。

但是，不能同时使用这些糖进行发酵而且其不发酵半乳糖醛酸。

发酵富含果胶的生物质

上述乙醇生产菌有些在发酵过程中产生醋酸，除了酿酒酵母，马克斯克鲁维酵母和运动发酵单胞菌AX101它们也不能代谢半乳糖醛酸。

一些副产物，如醋酸在发酵过程降低了乙醇的量。

大肠杆菌KO11，菊欧文氏菌EC16，和产酸克雷伯菌分别从20克/升半乳糖醛酸的发酵液中产生0.23、0.38、0.34（g/g）的乙酸。

相比如其他糖发酵，在较高氧水平下，发酵1摩尔的半乳糖醛酸产生1摩尔乙醇和1摩尔的醋酸。

因此，在发酵半乳糖醛酸需要更多的NADH分子，这种平衡是通过丙酮酸甲酸裂解酶途径来同时生产乙醇和乙酸。

用酿酒酵母发酵柑橘废物产生乙醇时，当D-柠檬烯（一种抑制剂）的浓度增加0.12％以上时,发酵水平明显下降。

加入果皮油，其包含D-柠檬烯，用酵母在纯糖或过滤的柑橘废弃物进行水解发酵（酿酒酵母或马克斯克鲁维菌）乙醇产量也减少。

革兰氏阴性菌，如大肠杆菌，往往对萜烯具有更好的抵抗力，包括柠檬烯，可能是由于其外膜的保护作用。

Kim等观察了多种精油成分的抑制剂对致病细菌的影响。

柠檬烯被证明对两株大肠杆菌没