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1、酵母菌在以纤维素为原料产酒精方面的生理学原理及应用1应用研究意义环境污染、全球变暖和能源短缺已经使可持续发展成为当今世界各国所面临的最大挑战。为了逐渐摆脱对石油的过度依赖，减少温室气体排放，许多国家纷纷寻找石油的替代能源。我国是仅次于美国的能源消费大国，需要从国外进口大量的石油，2004年我国石油消耗已达到3亿t，其中进口石油1.2亿多t，石油对外依存度超过30％。预计2020年我国石油消费量最少需要4．5亿t，届时石油对外依存度可能达到60％，因此确保国家能源安全具有重大的战略意义。随着人类的发展和社会的进步，人们更加关注环境问题。
2、石油和天然气在使用过程中会产生大量NOx、SO2、CO2等气体，这些气体导致全球气候的变化，以生物质为基础的液体燃料利用，可以明显减少温室气体排放，以在汽油中添加10％的燃料乙醇为例，将可减少25％～30％的CO排放，分别减少6％-10％和20％的CO2和氮氧化物排放。燃料乙醇不仅是一种优质的液体燃料，可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是最易工业化的一种民用燃料或内燃机燃料，也是最具发展潜力的石油替代燃料。生物质可以通过热化学转化和生物转化的方法生产燃料乙醇，目前工业上利用生物质通过生物转化方法生产燃料乙醇的原料主要是农产品，如高粱、
3、玉米淀粉以及蔗糖等。随着新一轮世界粮食危机的到来，导致全球粮食供应紧张；另一方面燃料酒精的需求量越来越大，以粮食或糖类物质生产燃料酒精导致与人争粮、与粮争地的矛盾将更加突出。纤维素是最丰富、廉价的可再生资源，植物每年通过光合作用能产生高达1550亿t纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为600亿t。因此采用来源更广泛、成本更低廉的木质纤维素生产燃料酒精，可从根本上实现能源工业的可持续发展。2.酵母菌在在酒精发酵方面，所遇到的毒性问题酒精的生产方法大体上有两种,一种是微生物发酵法另一种是化学合成法。目前,微生物发酵法所用的原料主要是
4、淀粉和糖类。因此就存在一个生产原料与人类食品的相互竞争问题。另外,随着人口的不断增长,能源危机,食品短缺,环境污染等问题也将显得更加突出。因此,开发利用纤维素原料显得尤为重要。目前,纤维素的酒精发酵主要有两种方法一种是酸水解发酵法,另一种是酶水解发酵法。虽然经过二十多年研究,在纤维素的酶法水解发酵方面有了一定的进展，但是与酸法水解发酵相比较,它仍存在很多不足之处,如纤维素的酶解效率不高,原料没有被充分利用,生产周期长,成本高等。因此,纤维素酒精发酵在目前仍以酸法水解发酵工艺为主。这一工艺已经比较成熟,目前生产中存在的主要问题就是关于水
5、解产物对酵母菌发酵的“毒性问题”。2.1纤维素酸解产物对发酵微生物的抑制作用2.1.1纤维素类原料水解过程中各物质的变化天然存在的纤维素原料主要包含有三大类物质纤维素、半纤维素和木质素。据分析,天然的纤维素物料其纤维素的含量一般在40%—60%（棉花可达90%以上）,半纤维素含量为20%一40%,木质素为10%一25%。因此,纤维素的酸水解过程中必然包含以上三大类物质的水解在热酸的作用下,纤维素降解主要转化生成葡萄糖半纤维素则生成多种单糖,主要有木糖,阿拉伯糖,甘露糖等木质素则降解成多种单环芳香族化合物。另外,由于在热酸的作用下以上各
6、生成物不稳定。因此,在水解过程中还存在多种形式的分解、氧化等复杂反应。在这一过程中的主要生成物有甲酸、乙酸、糠醛、经甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸等。在发酵工业上,将以上各种物质分为两大类。其中一类为可发酵性糖,主要有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及甘露糖等另一类则是酒精发酵工业上所谓的“有毒物质”,主要包括各种有机酸、醛类物质以及一些无机离子等。2.1.2水解产物中存在的毒性物质纤维素水解产物对于酒精发酵的抑制作用主要表现在：抑制菌体生长；降低微生物对于营养物质的利用速率；抑制酒精的生成,降低酒精的产率。早在二十年前就有人注意到这种抑制作用,并
7、且对它进行了研究。为了确定水解产物中存在的“毒性物质”,人们从水解产物中各组分的分子大小,所带电荷,3相对挥发性等方面对它们进行了大量的研究。结果表明水解产物中存在的多种有机酸和醛类物质是这种抑制作用的主要来源。其中有机酸主要包括甲酸、乙酸、乙酞丙酸、己酸、糖醛酸以及其它一些芳香酸等。醛类物质主要有糖醛以及来源于木质素降解生成的一些芳香醛(如,4一经基苯甲醛、3一甲氧基水杨醛、4一羟一3,5一二甲基苯甲醛等)。研究结果还表明各种物质的抑制作用大小与其浓度有很大关系。在它们作为抑制剂单独存在时,仅有在较高的浓度下才会表现出较明显的抑制作
8、用。如,对大肠杆菌的生长达到80%的抑制强度,乙酸浓度需达到17.0g/l,糖醛酸也需达到2.5g/l的浓度。但是,在实际生产中,即使这些“有毒物质”的浓度远低于以上浓度,它们也会反映出很强的抑制作用。这一点在某种程度上
