酶工程第16章兰州大学酶工程酶在能源开发和污染物处理方面的应用

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1、第十六章酶在能源开发和污染物处理方面的应用一、能源生产二、污染物处理一、能源生产现在世界上使用的能源大部分属不可再生能源，如煤炭、石油、天然气等。由于生产的发展、社会的进步，能源消耗越来越快。若在不可再生能源枯竭之前不能找到有效的替代能源，届时人们的生产和生活会受到很大的阻碍。现在水力、风力、地热、潮汐、核能、太阳能虽有一定的应用，但在总能源消耗中占的比例还不大，除了要继续发展这些能源的利用外，还必须大力寻找新的能量来源。由生物质到能源物质生物质是可再生的资源，利用微生物或酶从生物质中生产燃料是一条很有

2、发展前途的途径。生物质(biomass)包括地球上所有活着的和已死但尚未分解的生物体，用来生产燃料的一般是植物、农作物(秸秆)、林产品及林产废弃物(木屑等)、海产物(各种海草)和城市废弃物(废纸等)。这些物质的主要成分是纤维素、半纤维素、淀粉等，水解后产生葡萄糖及其它糖类，再通过微生物的作用可产生甲醇、乙醇、氢气、甲烷等燃料。1.乙醇生产用固定化纤维素酶和固定化淀粉酶可将植物来源的原料水解成葡萄糖，再用固定化的增殖酵母将葡萄糖转化成乙醇。在巴西，已经大规模地以甘蔗和木薯为原料生产乙醇，乙醇可以用作汽车燃

3、料（以10%的比例加入到汽油中）。我国也开始进行这方面的试点。2004年2月，经国务院同意，国家发展改革委等8部门联合制定颁布了《车用乙醇汽油扩大试点方案》和《车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则》，由此相关工作全面启动。以淀粉为原料发酵生产乙醇以淀粉为原料应用发酵法制造乙醇时，发酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰富的蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将蔗糖水解为单糖。酒化酶是参与乙醇发酵的多种酶的总称，酒化酶是胞内酶，单糖必须透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作用下进行厌氧发酵反应并转化成乙醇

4、和CO2，然后通过细胞膜将这些产物排出细胞外。乙醇发酵的新技术传统的发酵工艺原料成本高，原料利用率低，能量消耗大，因此乙醇生产的成本较高。利用基因工程改进酵母的性能以提高效率，可以降低生产成本。日本三得利公司把从霉菌中分离得到的淀粉葡萄糖苷酶基因转化到酵母中，可直接发酵生产乙醇，省去了淀粉蒸煮糊化的传统工序及蒸煮冷却设备，可减少60%的能量消耗。改变乙醇发酵的原料在相当长的一段时间里，用来生产乙醇的原料主要是甘蔗、甜菜、甜高粱等糖料作物和木薯、马铃薯、玉米等淀粉作物。因为这些糖和淀粉也是我们生活的必需物

5、质，用它们来大量生产乙醇，会影响到人类的食物来源。纤维素也是碳水化合物，而且在自然界大量存在，许多植物其附产品如树枝、木屑、麦秸、谷糠等，几乎一半是纤维素，用它们作原料可以说是取之不尽，用之不竭。纤维素酶采用纤维素作为生产乙醇的原料，可以有效地降低乙醇的生产成本。以纤维素为原料的最大优势是它是可再生资源。目前，国内外许多生产乙醇的高活性菌株都不能直接利用纤维素作为发酵原料，因为这些菌株都不能产生纤维素酶。纤维素酶是几种具有不同酶活性的酶复合物，主要分为外切纤维素酶、内切纤维素酶、β-葡萄糖苷酶等。通过该

6、酶系的协同作用，纤维素被水解成葡萄糖。从纤维素生产乙醇的研究80年代初，日本就建立了新燃料油开发技术研究会，并成立了由协和发酵、栗田工业和东洋工程等三家大公司组成的协作开发小组，制定了1983～1988年的5年开发计划。经过5年的开发，初步形成了以纤维素类物质为原料生产燃料用乙醇的一整套工艺技术，其规模可达到日处理稻草或蔗渣720kg，日产无水乙醇150～200L。乙醇生产的新方向科学家们正在尝试建立简单、有效、经济的从纤维素生产乙醇的工艺过程，目前正逐步进入大规模应用阶段。能产生纤维素酶并分泌到体外的

7、是某些真菌，如青霉菌、木霉、疣胞青霉等。近几十年来，混合发酵是探讨直接利用纤维素生产乙醇的热点之一，也是潜在的、最有发展前途的技术。混合发酵技术主要是将纤维素酶基因和生产乙醇所需酶系的基因结合到一个菌种中。乙醇发酵新菌种的培育在基因操作方面主要采用两种技术，①把能水解纤维素的葡聚糖内切酶基因和β-葡萄糖苷酶基因转化到能生产乙醇的菌株中，②把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维素，但不能生产乙醇的菌株中。随着微生物混合发酵及纤维素酶基因克隆和表达问题的深入研究，我们可以解决直接利用纤维素发酵生产乙醇的问题，从

8、而摆脱石油缺乏的困境。2.氢气生产在未来的新能源中，氢作为一种不引起环境污染的、清洁的燃料，正引起人们极大的关注。生物制氢技术是以废糖液、纤维素废液和污泥废液为原料，采用微生物培养的方法制取氢气，有些微生物和藻类能产生氢气。在微生物产生氢气的最终阶段起重要作用的酶是氢化酶。氢化酶极不稳定，因为氢化酶在氧存在下容易失活，所以生产氢气较为困难。生物制氢的新方向生物制氢的关键问题是提高氢化酶的稳定性，以便能采用通常的发酵方法连续地、较高水平地生产