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《酶工程第16章蘭州大學酶工程酶在能源開發(fā)和污染物處理方面的應(yīng)用》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第十六章酶在能源開發(fā)和污染物處理方面的應(yīng)用一、能源生產(chǎn)二、污染物處理一、能源生產(chǎn)現(xiàn)在世界上使用的能源大部分屬不可再生能源,如煤炭、石油、天然氣等。由于生產(chǎn)的發(fā)展、社會的進步,能源消耗越來越快。若在不可再生能源枯竭之前不能找到有效的替代能源,屆時人們的生產(chǎn)和生活會受到很大的阻礙?,F(xiàn)在水力、風力、地熱、潮汐、核能、太陽能雖有一定的應(yīng)用,但在總能源消耗中占的比例還不大,除了要繼續(xù)發(fā)展這些能源的利用外,還必須大力尋找新的能量來源。由生物質(zhì)到能源物質(zhì)生物質(zhì)是可再生的資源,利用微生物或酶從生物質(zhì)中生產(chǎn)燃料是一條很有
2、發(fā)展前途的途徑。生物質(zhì)(biomass)包括地球上所有活著的和已死但尚未分解的生物體,用來生產(chǎn)燃料的一般是植物、農(nóng)作物(秸稈)、林產(chǎn)品及林產(chǎn)廢棄物(木屑等)、海產(chǎn)物(各種海草)和城市廢棄物(廢紙等)。這些物質(zhì)的主要成分是纖維素、半纖維素、淀粉等,水解后產(chǎn)生葡萄糖及其它糖類,再通過微生物的作用可產(chǎn)生甲醇、乙醇、氫氣、甲烷等燃料。1.乙醇生產(chǎn)用固定化纖維素酶和固定化淀粉酶可將植物來源的原料水解成葡萄糖,再用固定化的增殖酵母將葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇。在巴西,已經(jīng)大規(guī)模地以甘蔗和木薯為原料生產(chǎn)乙醇,乙醇可以用作汽車燃
3、料(以10%的比例加入到汽油中)。我國也開始進行這方面的試點。2004年2月,經(jīng)國務(wù)院同意,國家發(fā)展改革委等8部門聯(lián)合制定頒布了《車用乙醇汽油擴大試點方案》和《車用乙醇汽油擴大試點工作實施細則》,由此相關(guān)工作全面啟動。以淀粉為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇以淀粉為原料應(yīng)用發(fā)酵法制造乙醇時,發(fā)酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有豐富的蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶,能將蔗糖水解為單糖。酒化酶是參與乙醇發(fā)酵的多種酶的總稱,酒化酶是胞內(nèi)酶,單糖必須透過細胞膜進入細胞內(nèi),在酒化酶的作用下進行厭氧發(fā)酵反應(yīng)并轉(zhuǎn)化成乙醇
4、和CO2,然后通過細胞膜將這些產(chǎn)物排出細胞外。乙醇發(fā)酵的新技術(shù)傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝原料成本高,原料利用率低,能量消耗大,因此乙醇生產(chǎn)的成本較高。利用基因工程改進酵母的性能以提高效率,可以降低生產(chǎn)成本。日本三得利公司把從霉菌中分離得到的淀粉葡萄糖苷酶基因轉(zhuǎn)化到酵母中,可直接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,省去了淀粉蒸煮糊化的傳統(tǒng)工序及蒸煮冷卻設(shè)備,可減少60%的能量消耗。改變乙醇發(fā)酵的原料在相當長的一段時間里,用來生產(chǎn)乙醇的原料主要是甘蔗、甜菜、甜高粱等糖料作物和木薯、馬鈴薯、玉米等淀粉作物。因為這些糖和淀粉也是我們生活的必需物
5、質(zhì),用它們來大量生產(chǎn)乙醇,會影響到人類的食物來源。纖維素也是碳水化合物,而且在自然界大量存在,許多植物其附產(chǎn)品如樹枝、木屑、麥秸、谷糠等,幾乎一半是纖維素,用它們作原料可以說是取之不盡,用之不竭。纖維素酶采用纖維素作為生產(chǎn)乙醇的原料,可以有效地降低乙醇的生產(chǎn)成本。以纖維素為原料的最大優(yōu)勢是它是可再生資源。目前,國內(nèi)外許多生產(chǎn)乙醇的高活性菌株都不能直接利用纖維素作為發(fā)酵原料,因為這些菌株都不能產(chǎn)生纖維素酶。纖維素酶是幾種具有不同酶活性的酶復合物,主要分為外切纖維素酶、內(nèi)切纖維素酶、β-葡萄糖苷酶等。通過該
6、酶系的協(xié)同作用,纖維素被水解成葡萄糖。從纖維素生產(chǎn)乙醇的研究80年代初,日本就建立了新燃料油開發(fā)技術(shù)研究會,并成立了由協(xié)和發(fā)酵、栗田工業(yè)和東洋工程等三家大公司組成的協(xié)作開發(fā)小組,制定了1983~1988年的5年開發(fā)計劃。經(jīng)過5年的開發(fā),初步形成了以纖維素類物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料用乙醇的一整套工藝技術(shù),其規(guī)模可達到日處理稻草或蔗渣720kg,日產(chǎn)無水乙醇150~200L。乙醇生產(chǎn)的新方向科學家們正在嘗試建立簡單、有效、經(jīng)濟的從纖維素生產(chǎn)乙醇的工藝過程,目前正逐步進入大規(guī)模應(yīng)用階段。能產(chǎn)生纖維素酶并分泌到體外的
7、是某些真菌,如青霉菌、木霉、疣胞青霉等。近幾十年來,混合發(fā)酵是探討直接利用纖維素生產(chǎn)乙醇的熱點之一,也是潛在的、最有發(fā)展前途的技術(shù)?;旌习l(fā)酵技術(shù)主要是將纖維素酶基因和生產(chǎn)乙醇所需酶系的基因結(jié)合到一個菌種中。乙醇發(fā)酵新菌種的培育在基因操作方面主要采用兩種技術(shù),①把能水解纖維素的葡聚糖內(nèi)切酶基因和β-葡萄糖苷酶基因轉(zhuǎn)化到能生產(chǎn)乙醇的菌株中,②把能產(chǎn)生乙醇的基因克隆到能降解纖維素,但不能生產(chǎn)乙醇的菌株中。隨著微生物混合發(fā)酵及纖維素酶基因克隆和表達問題的深入研究,我們可以解決直接利用纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的問題,從
8、而擺脫石油缺乏的困境。2.氫氣生產(chǎn)在未來的新能源中,氫作為一種不引起環(huán)境污染的、清潔的燃料,正引起人們極大的關(guān)注。生物制氫技術(shù)是以廢糖液、纖維素廢液和污泥廢液為原料,采用微生物培養(yǎng)的方法制取氫氣,有些微生物和藻類能產(chǎn)生氫氣。在微生物產(chǎn)生氫氣的最終階段起重要作用的酶是氫化酶。氫化酶極不穩(wěn)定,因為氫化酶在氧存在下容易失活,所以生產(chǎn)氫氣較為困難。生物制氫的新方向生物制氫的關(guān)鍵問題是提高氫化酶的穩(wěn)定性,以便能采用通常的發(fā)酵方法連續(xù)地、較高水平地生產(chǎn)