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第 4 期                     王小艳，等:  淀粉质燃料乙醇发酵胁迫及菌株耐受性改造                                    ·569·


            料年利用量要达 400 万 t 替代化石能源 380 万 t 的发                  导致发酵菌株无法正常生长及维持代谢活性，造成
            展目标；而“问题玉米”、“促进粮食就地加工转化”                           生产企业必须采取额外措施维持菌株生长环境的稳
            以及“推广使用车用乙醇汽油”等系列政策的出台                             定，大幅增加了发酵成本，也消耗了环境资源，极
            也为大力发展燃料乙醇提供充足的原料保障和政策                             大地影响了以“高产量、高产率及高生产强度”为
            保障。                                                宗旨的发酵工业生产。近年来，国内外学者在保障
                 通过对目前国内淀粉质燃料乙醇现行工艺条件                          微生物生产性能不减的前提下，对其在不同胁迫下
            的分析，发现普遍存在的问题是乙醇发酵浓度较低、                            的耐受性方面进行了大量研究              [3-4] ，但这些研究大部
            设备使用率不足、蒸馏和蒸煮能耗较大等，如美国                             分是在实验室模式菌株及组成培养基上进行，研究
            玉米燃料乙醇生产平均体积分数为 16%~18%，而中                         结果很难实现工业化。因此，本文将结合目前国内
            国为 13%~15%，美国 1 t 乙醇只要消耗 2.9~3.0 t 玉               淀粉质燃料乙醇主要生产工艺，分析该工艺下燃料
            米和 3.0 t 水，中国需要消耗 3~3.1 t 玉米和 6.5 t 水              乙醇发酵过程影响酿酒酵母生长和生产的胁迫因
            [1-2] ，资源未充分利用导致燃料乙醇生产效率低下。                        素，介绍微生物针对不同胁迫因子的抗逆分子机制
            同时对目前中国淀粉质燃料乙醇生产成本的分析如                             及提高菌株耐受性改造的方法，并提出未来发酵工
            图 1 所示。                                            业对发酵微生物耐受性的需求及可能的改造方向。

                                                               1    基于淀粉质燃料乙醇发酵工艺的发酵胁
                                                                  迫分析


                                                               1.1    发酵物料胁迫因素分析
                                                                   淀粉质燃料乙醇国内普遍采用的同步糖化发酵
                                                               SSF（Simultaneous Saccharification and Fermentation）
                                                               生产工艺，其主要特点：（1）边发酵边水解释放葡
                                                               萄糖以供酿酒酵母生长，所以在发酵开始前会添加

                                                               过量的 α-淀粉酶、糖化酶和酸性蛋白酶，如表 1 所
            注：数据来源于中粮生化多家淀粉质燃料乙醇工厂生产数据的平                       示，使得发酵初期发酵液中可溶性总糖为 230~
            均值。                                                280 g/L，其 DE 值（计算方式为还原糖/干物质量比）
                    图 1    中国平均每吨乙醇生产成本分摊
              Fig. 1    The cost allocation of per ton ethanol production   为 25%~30%，对细胞形成较高的渗透压；（2）为达
                                                               到减少配料用水和蒸汽消耗的工艺目的，同时也避
                 如图 1 所示，发现原料成本分摊占到 76.72%，                    免发酵各工段所产生的废水、清液外排所造成的环
            出于对粮食安全的考虑，中国不可能像美国和巴西                             境污染问题，一般发酵过程中（如发酵物料拌料）
            那样大规模种植用于生产燃料乙醇的作物，因此，                             所用的水为工艺水和发酵上清液，如表 1 所示。工
            现阶段要完全对标国际先进指标，在不改变现有工                             艺水为一次水和蒸馏废水、蒸发废水、二氧化碳洗
            况和技术路线条件下，提高现有工艺中原料糖醇转                             涤塔废水的混合液，pH≈4.5，其中含有多种微生物
            化率，即提高微生物的生产性能，是提升生物燃料                             生长的抑制物，如：丁二酸、乙酸、乳酸等；（3）
            企业技术水平和经济效益的有效途径。                                  淀 粉质燃料 乙醇物料 干固一般 质量分数 为
                 现代发酵工业为强调微生物某一方面的生产能                          29%~30%，如表 1 所示，致使酿酒酵母生长环境黏
            力并有效控制工艺成本，往往迫使菌株的生长与生                             度较大，严重影响微生物的运动也致使局部溶氧、
            产处于不平衡状态，承受发酵微环境的多重胁迫，                             物质和能量交换较慢，影响酵母的快速生长。

                                        表 1    肇东玉米乙醇工厂发酵原料液化醪主要成分
                               Table 1    The main ingredients of corn liquefied mash fromfuel ethanolfactory

                 样品       工艺水回配率/%         pH     还原糖/(g/L)    w(干物)/%       DE/%     黏度/(mPas)   w(总糖)/%
                液化醪           10~25      4.2~4.5   0.75~0.85    29~30       25~30       280~460      23~28

            1.2    发酵过程胁迫因素分析                                      如图 2 所示，发现某一种抑制因子超出“警戒
                                    [5]
                 早在 2004 年，Abbott 等对影响酵母生长和发                   水平”，就会对酵母产生较大的影响，从而影响发酵
            酵各因素以及各因素的“警戒水平”进行了研究，                             结果，并且各抑制因子可能产生负协同作用。基于
            如图 2 所示，图中百分数均为质量分数。                               此，分析目前在中国现行的发酵工艺中酵母细胞会
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