有機(jī)廢棄物的資源化——能源、材料、蛋白 ppt課件

1、Founded in 1895第第13講講 有機(jī)廢棄物的資源化：能源、資料、蛋白有機(jī)廢棄物的資源化：能源、資料、蛋白Founded in 18951 有機(jī)廢棄物消費(fèi)乙醇有機(jī)廢棄物消費(fèi)乙醇 乙醇作為燃料的優(yōu)點(diǎn)乙醇作為燃料的優(yōu)點(diǎn) 產(chǎn)能效率高產(chǎn)能效率高 不產(chǎn)生不產(chǎn)生CO，污染低，污染低 可發(fā)酵消費(fèi)，本錢(qián)低可發(fā)酵消費(fèi)，本錢(qián)低 乙醇發(fā)酵的傳統(tǒng)原料可選用蔗糖或淀粉，發(fā)酵微生乙醇發(fā)酵的傳統(tǒng)原料可選用蔗糖或淀粉，發(fā)酵微生物主要是酵母菌物主要是酵母菌 催化反響的酶是蔗糖水解酶胞外酶和酒化酶催化反響的酶是蔗糖水解酶胞外酶和酒化酶胞內(nèi)酶胞內(nèi)酶 目前研討集中在纖維素生物質(zhì)農(nóng)林廢棄物和城市目前研討集中在纖維素生物質(zhì)農(nóng)林

2、廢棄物和城市固體渣滓發(fā)酵產(chǎn)乙醇固體渣滓發(fā)酵產(chǎn)乙醇 Founded in 1895世界生物乙醇產(chǎn)量的變化趨勢(shì)世界生物乙醇產(chǎn)量的變化趨勢(shì)Founded in 1895微生物發(fā)酵消費(fèi)乙醇的原料微生物發(fā)酵消費(fèi)乙醇的原料Founded in 1895纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化消費(fèi)乙醇纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化消費(fèi)乙醇 預(yù)處置：去除預(yù)處置：去除木質(zhì)素、溶解木質(zhì)素、溶解半纖維素或破半纖維素或破壞纖維素的晶壞纖維素的晶體構(gòu)造，以利體構(gòu)造，以利于水解于水解 用纖維素酶和用纖維素酶和半纖維素酶水半纖維素酶水解糖化，生成解糖化，生成可發(fā)酵的糖類(lèi)可發(fā)酵的糖類(lèi) 糖發(fā)酵消費(fèi)乙糖發(fā)酵消費(fèi)乙醇醇 Founded in 1895木質(zhì)纖維的組成及其

3、利用木質(zhì)纖維的組成及其利用 主要稱(chēng)為包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素主要稱(chēng)為包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 Founded in 1895幾種纖維素生物質(zhì)的主要組成幾種纖維素生物質(zhì)的主要組成Founded in 1895木質(zhì)素木質(zhì)素 木質(zhì)素是由苯丙烷亞基組成的不規(guī)那么的近似球狀木質(zhì)素是由苯丙烷亞基組成的不規(guī)那么的近似球狀的多聚體，是不可溶的高分子，沒(méi)有任何規(guī)那么的的多聚體，是不可溶的高分子，沒(méi)有任何規(guī)那么的反復(fù)單元或易被水解的鍵反復(fù)單元或易被水解的鍵 可在纖維素周?chē)鷺?gòu)成維護(hù)層，影響纖維素水解可在纖維素周?chē)鷺?gòu)成維護(hù)層，影響纖維素水解 目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素的有效降解目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素的有效降解 水解后

4、的木質(zhì)素殘?jiān)捎糜谌剂纤夂蟮哪举|(zhì)素殘?jiān)捎糜谌剂?Founded in 1895木質(zhì)素的構(gòu)造木質(zhì)素的構(gòu)造Founded in 1895半纖維素半纖維素 半纖維素是由五碳糖和六碳糖組成的短鏈異源多聚半纖維素是由五碳糖和六碳糖組成的短鏈異源多聚體體 聚合度低，所含糖單元數(shù)在聚合度低，所含糖單元數(shù)在60200，無(wú)晶體構(gòu)造，無(wú)晶體構(gòu)造，較易水解較易水解 水解產(chǎn)物包括兩種五碳糖木糖和阿拉伯糖和三水解產(chǎn)物包括兩種五碳糖木糖和阿拉伯糖和三種六碳糖葡萄糖、半乳糖和甘露糖種六碳糖葡萄糖、半乳糖和甘露糖 普通酵母可發(fā)酵六碳糖但不能發(fā)酵五碳糖普通酵母可發(fā)酵六碳糖但不能發(fā)酵五碳糖 Founded in 1895半纖

5、維素的根本構(gòu)造半纖維素的根本構(gòu)造Founded in 1895纖維素纖維素 由葡萄糖脫水經(jīng)過(guò)由葡萄糖脫水經(jīng)過(guò)-1,4-葡萄糖苷鍵銜接而成直鏈聚葡萄糖苷鍵銜接而成直鏈聚合體，聚合度大合體，聚合度大3500-10000 纖維素大分子之間經(jīng)過(guò)大量氫鍵銜接在一同構(gòu)成晶纖維素大分子之間經(jīng)過(guò)大量氫鍵銜接在一同構(gòu)成晶體構(gòu)造的纖維素束，構(gòu)造穩(wěn)定，不溶于水，無(wú)復(fù)原體構(gòu)造的纖維素束，構(gòu)造穩(wěn)定，不溶于水，無(wú)復(fù)原性性 常用的水解催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，對(duì)應(yīng)酸水常用的水解催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，對(duì)應(yīng)酸水解工藝和酶水解工藝解工藝和酶水解工藝 水解生成葡萄糖水解生成葡萄糖 Founded in 1895纖維素的構(gòu)造纖維

6、素的構(gòu)造Founded in 1895纖維素的預(yù)處置纖維素的預(yù)處置 預(yù)處置方法應(yīng)滿足預(yù)處置方法應(yīng)滿足 可促進(jìn)糖的生成或有利于后面的酶水解可促進(jìn)糖的生成或有利于后面的酶水解 防止碳水化合物的降解和損失防止碳水化合物的降解和損失 防止產(chǎn)生對(duì)水解和發(fā)酵有害副產(chǎn)物防止產(chǎn)生對(duì)水解和發(fā)酵有害副產(chǎn)物 經(jīng)濟(jì)上合理經(jīng)濟(jì)上合理 蒸汽爆裂法、稀酸預(yù)處置等都是較成熟可行的預(yù)處蒸汽爆裂法、稀酸預(yù)處置等都是較成熟可行的預(yù)處置技術(shù)置技術(shù) 沒(méi)有普遍適用的預(yù)處置方法沒(méi)有普遍適用的預(yù)處置方法 Founded in 1895預(yù)處置方法比較預(yù)處置方法比較Founded in 1895預(yù)處置方法比較預(yù)處置方法比較Founded in

7、1895纖維素的水解纖維素的水解 目前尚無(wú)能直接利用纖維素作為發(fā)酵底物的菌株目前尚無(wú)能直接利用纖維素作為發(fā)酵底物的菌株 酸水解的問(wèn)題酸水解的問(wèn)題 條件苛刻，對(duì)設(shè)備有腐蝕作用條件苛刻，對(duì)設(shè)備有腐蝕作用 會(huì)生成有毒的分解產(chǎn)物如糖醛、酚類(lèi)會(huì)生成有毒的分解產(chǎn)物如糖醛、酚類(lèi) 本錢(qián)較高本錢(qián)較高 酶水解可常壓進(jìn)展，產(chǎn)率高，污染低，但酶本錢(qián)較酶水解可常壓進(jìn)展，產(chǎn)率高，污染低，但酶本錢(qián)較高，限制了其工業(yè)運(yùn)用高，限制了其工業(yè)運(yùn)用 Founded in 1895纖維素的水解和脫羧反響纖維素的水解和脫羧反響Founded in 1895纖維素的水解過(guò)程纖維素的水解過(guò)程 纖維素酶包纖維素酶包括內(nèi)切葡聚括內(nèi)切葡聚糖酶糖酶

8、1,4-D-葡萄糖葡萄糖水解酶、水解酶、外切葡聚糖外切葡聚糖酶酶1,4-D-葡萄糖纖葡萄糖纖維二糖水解維二糖水解酶和酶和-葡葡萄糖苷酶等萄糖苷酶等多組分酶系多組分酶系 Founded in 1895產(chǎn)纖維素酶的微生物產(chǎn)纖維素酶的微生物Founded in 1895纖維素消費(fèi)乙醇的發(fā)酵工藝?yán)w維素消費(fèi)乙醇的發(fā)酵工藝 纖維素消費(fèi)乙醇包括纖維素糖化和乙醇發(fā)酵兩步，纖維素消費(fèi)乙醇包括纖維素糖化和乙醇發(fā)酵兩步，前者是酶促反響，是限速步驟，后者是微生物反響，前者是酶促反響，是限速步驟，后者是微生物反響，較為成熟較為成熟 纖維素糖化過(guò)程中，纖維二糖、葡萄糖等酶解產(chǎn)物纖維素糖化過(guò)程中，纖維二糖、葡萄糖等酶解產(chǎn)物

9、的不斷累積，會(huì)抑制纖維素酶的活性，導(dǎo)致反響速的不斷累積，會(huì)抑制纖維素酶的活性，導(dǎo)致反響速率下降率下降 工業(yè)上有三種工藝：?jiǎn)为?dú)水解和發(fā)酵法間接法，工業(yè)上有三種工藝：?jiǎn)为?dú)水解和發(fā)酵法間接法，直接微生物轉(zhuǎn)化法和同時(shí)糖化發(fā)酵法直接微生物轉(zhuǎn)化法和同時(shí)糖化發(fā)酵法 Founded in 1895單獨(dú)水解和發(fā)酵法單獨(dú)水解和發(fā)酵法SHF 酶的消費(fèi)、纖維素水解和葡萄糖發(fā)酵三個(gè)過(guò)程分開(kāi)酶的消費(fèi)、纖維素水解和葡萄糖發(fā)酵三個(gè)過(guò)程分開(kāi) Founded in 1895直接微生物轉(zhuǎn)化法直接微生物轉(zhuǎn)化法DMC 同一微生物完成纖維素的水解、糖化和乙醇發(fā)酵的同一微生物完成纖維素的水解、糖化和乙醇發(fā)酵的消費(fèi)過(guò)程消費(fèi)過(guò)程 常用的微生物

10、是熱纖梭菌或其和熱硫化氫梭菌混合常用的微生物是熱纖梭菌或其和熱硫化氫梭菌混合 將酶消費(fèi)、纖維素水解和糖發(fā)酵在一個(gè)反響器中進(jìn)將酶消費(fèi)、纖維素水解和糖發(fā)酵在一個(gè)反響器中進(jìn)展，設(shè)備簡(jiǎn)單，本錢(qián)低展，設(shè)備簡(jiǎn)單，本錢(qián)低 但目前沒(méi)有找到同時(shí)高產(chǎn)纖維素酶和高乙醇發(fā)酵濃但目前沒(méi)有找到同時(shí)高產(chǎn)纖維素酶和高乙醇發(fā)酵濃度的微生物度的微生物 混菌發(fā)酵產(chǎn)量較低，且有其他副產(chǎn)物生成混菌發(fā)酵產(chǎn)量較低，且有其他副產(chǎn)物生成 Founded in 1895熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌混合培育消費(fèi)乙醇熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌混合培育消費(fèi)乙醇Founded in 1895同時(shí)糖化和發(fā)酵法同時(shí)糖化和發(fā)酵法SSF 利用可產(chǎn)生纖維素酶的微生物和酵母

11、在同一容器中利用可產(chǎn)生纖維素酶的微生物和酵母在同一容器中延續(xù)進(jìn)展纖維素的糖化和發(fā)酵延續(xù)進(jìn)展纖維素的糖化和發(fā)酵 糖的積累較低，消除了其對(duì)纖維素酶活性的抑制糖的積累較低，消除了其對(duì)纖維素酶活性的抑制 但乙醇對(duì)纖維素酶活性有抑制但乙醇對(duì)纖維素酶活性有抑制 主要問(wèn)題是水解和發(fā)酵所需溫度不能匹配，實(shí)踐采主要問(wèn)題是水解和發(fā)酵所需溫度不能匹配，實(shí)踐采用折中溫度，呵斥水解和發(fā)酵效率都無(wú)法到達(dá)最大用折中溫度，呵斥水解和發(fā)酵效率都無(wú)法到達(dá)最大 可培育耐熱酵母處理高溫發(fā)酵的問(wèn)題可培育耐熱酵母處理高溫發(fā)酵的問(wèn)題 Founded in 1895Founded in 1895生物質(zhì)發(fā)酵消費(fèi)乙醇的開(kāi)展前景生物質(zhì)發(fā)酵消費(fèi)乙醇

12、的開(kāi)展前景 減輕或消除發(fā)酵原料中有害物的影響減輕或消除發(fā)酵原料中有害物的影響 水解副產(chǎn)物如乙酸、甲酸、乙酰丙酸、酚類(lèi)和醛類(lèi)水解副產(chǎn)物如乙酸、甲酸、乙酰丙酸、酚類(lèi)和醛類(lèi) 提高微生物的抵抗力提高微生物的抵抗力 五碳糖的發(fā)酵五碳糖的發(fā)酵 將木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖，為酵母所利用將木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖，為酵母所利用 馴化可以降解五碳糖的天然微生物馴化可以降解五碳糖的天然微生物 基因工程技術(shù)改造菌種以利用五碳糖基因工程技術(shù)改造菌種以利用五碳糖 發(fā)酵中添加營(yíng)養(yǎng)物發(fā)酵中添加營(yíng)養(yǎng)物 Founded in 1895基因工程技術(shù)開(kāi)發(fā)五碳糖發(fā)酵制乙醇的微生物基因工程技術(shù)開(kāi)發(fā)五碳糖發(fā)酵制乙醇的微生物Founded in 1895

13、2 厭氧發(fā)酵制氫厭氧發(fā)酵制氫 混合酸發(fā)酵途徑、混合酸發(fā)酵途徑、 丁酸型發(fā)酵途徑、丁酸型發(fā)酵途徑、 乙醇乙醇型發(fā)酵途徑、型發(fā)酵途徑、 NADHNADH途徑途徑 Founded in 1895混合酸發(fā)酵產(chǎn)氫途徑混合酸發(fā)酵產(chǎn)氫途徑 典型微生物有埃希式菌屬和志賀式菌屬典型微生物有埃希式菌屬和志賀式菌屬 產(chǎn)物有乳酸、乙酸、二氧化碳、氫氣和甲酸產(chǎn)物有乳酸、乙酸、二氧化碳、氫氣和甲酸 Founded in 1895丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫途徑丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫途徑 典型微生物有梭狀芽孢桿菌屬、丁酸弧菌屬等典型微生物有梭狀芽孢桿菌屬、丁酸弧菌屬等 產(chǎn)物有丁酸、乙酸、二氧化碳和氫氣產(chǎn)物有丁酸、乙酸、二氧化碳和氫氣 Found

14、ed in 1895乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫途徑乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫途徑 產(chǎn)物有乙醇、乙酸、二氧化碳、氫氣和少量丁酸產(chǎn)物有乙醇、乙酸、二氧化碳、氫氣和少量丁酸 與丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫途經(jīng)一樣與丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫途經(jīng)一樣 不同之處是在不同不同之處是在不同pH和氧化復(fù)原電位下，產(chǎn)氫后得和氧化復(fù)原電位下，產(chǎn)氫后得到的乙酰輔酶到的乙酰輔酶A有三種后續(xù)的發(fā)酵類(lèi)型有三種后續(xù)的發(fā)酵類(lèi)型 Founded in 1895NADH途徑途徑 NADH/NAD+是一種平衡調(diào)理途徑是一種平衡調(diào)理途徑 當(dāng)當(dāng)NADH和和H+產(chǎn)生積累時(shí)，微生物進(jìn)展調(diào)控釋放分產(chǎn)生積累時(shí)，微生物進(jìn)展調(diào)控釋放分子氫子氫 Founded in 1895不同廢水產(chǎn)氫結(jié)果不同廢

15、水產(chǎn)氫結(jié)果Founded in 1895生物產(chǎn)氫的前景展望生物產(chǎn)氫的前景展望 氫氣構(gòu)成的生物化學(xué)機(jī)制研討氫氣構(gòu)成的生物化學(xué)機(jī)制研討 高產(chǎn)菌株的選育高產(chǎn)菌株的選育 原料利用種類(lèi)的研討原料利用種類(lèi)的研討 延續(xù)產(chǎn)氫設(shè)備及產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)方面的研討延續(xù)產(chǎn)氫設(shè)備及產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)方面的研討 氫氣與其他混合氣分別工藝的研討氫氣與其他混合氣分別工藝的研討 副產(chǎn)物利用方面的研討副產(chǎn)物利用方面的研討 Founded in 18953 厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷 不溶性有機(jī)高分子物質(zhì)不溶性有機(jī)高分子物質(zhì)在細(xì)胞外酶的作用下水解在細(xì)胞外酶的作用下水解成可溶性的有機(jī)物單體成可溶性的有機(jī)物單體 有機(jī)物單體發(fā)酵降解，有機(jī)物單體發(fā)酵降

16、解，產(chǎn)物為氫氣、甲酸、重碳產(chǎn)物為氫氣、甲酸、重碳酸鹽、丙酮酸鹽、乙醇及酸鹽、丙酮酸鹽、乙醇及各類(lèi)揮發(fā)性低級(jí)脂肪酸各類(lèi)揮發(fā)性低級(jí)脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸等乙酸、丙酸、丁酸等 專(zhuān)性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將簡(jiǎn)專(zhuān)性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將簡(jiǎn)單有機(jī)物氧化成氫氣和乙單有機(jī)物氧化成氫氣和乙酸酸 Founded in 1895 同型產(chǎn)乙酸菌同型產(chǎn)乙酸菌利用氫氣將重碳利用氫氣將重碳酸鹽復(fù)原生成乙酸鹽復(fù)原生成乙酸酸 簡(jiǎn)單有機(jī)物氧簡(jiǎn)單有機(jī)物氧化為重碳酸鹽和化為重碳酸鹽和乙酸，參與的細(xì)乙酸，參與的細(xì)菌為硝酸鹽復(fù)原菌為硝酸鹽復(fù)原菌和硫酸鹽復(fù)原菌和硫酸鹽復(fù)原菌菌 由硝酸鹽復(fù)原由硝酸鹽復(fù)原菌和硫酸鹽復(fù)原菌和硫酸鹽復(fù)原菌將乙酸鹽氧化菌將乙酸鹽氧化

17、為碳酸鹽為碳酸鹽 Founded in 1895 由硝酸鹽復(fù)原菌和由硝酸鹽復(fù)原菌和硫酸鹽復(fù)原菌進(jìn)展氫硫酸鹽復(fù)原菌進(jìn)展氫氣或甲酸的氧化氣或甲酸的氧化 乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷，乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷，主要參與細(xì)菌為產(chǎn)甲主要參與細(xì)菌為產(chǎn)甲烷八疊球菌和產(chǎn)甲烷烷八疊球菌和產(chǎn)甲烷絲菌，該步驟產(chǎn)甲烷絲菌，該步驟產(chǎn)甲烷量占量占70%70%限速步限速步 重碳酸鹽復(fù)原產(chǎn)甲重碳酸鹽復(fù)原產(chǎn)甲烷，參與細(xì)菌為氫氧烷，參與細(xì)菌為氫氧化產(chǎn)甲烷細(xì)菌，該步化產(chǎn)甲烷細(xì)菌，該步驟產(chǎn)甲烷量占驟產(chǎn)甲烷量占30% 30% Founded in 1895厭氧消化過(guò)程的微生物學(xué)厭氧消化過(guò)程的微生物學(xué) 水解酸化菌群水解酸化菌群 將大分子不溶性有機(jī)物在水解酶的催

18、化作用下水解將大分子不溶性有機(jī)物在水解酶的催化作用下水解成小分子的水溶性有機(jī)物成小分子的水溶性有機(jī)物 將水解產(chǎn)物吸收進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的酶系統(tǒng)將水解產(chǎn)物吸收進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的酶系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化，將一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，排入催化轉(zhuǎn)化，將一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，排入細(xì)胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反響的細(xì)胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反響的細(xì)菌群可利用的基質(zhì)細(xì)菌群可利用的基質(zhì) 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群 將第一階段產(chǎn)生的有機(jī)代謝產(chǎn)物，如三碳及三碳以將第一階段產(chǎn)生的有機(jī)代謝產(chǎn)物，如三碳及三碳以上的直鏈脂肪酸、二碳及二碳以上的醇、酮和芳香上的直鏈脂肪酸、二碳及二碳以上的醇

19、、酮和芳香族有機(jī)酸等轉(zhuǎn)化為甲烷族有機(jī)酸等轉(zhuǎn)化為甲烷 Founded in 1895 同型產(chǎn)乙酸菌群同型產(chǎn)乙酸菌群 混合營(yíng)養(yǎng)型厭氧細(xì)菌，既能利用有機(jī)基質(zhì)產(chǎn)生乙酸，混合營(yíng)養(yǎng)型厭氧細(xì)菌，既能利用有機(jī)基質(zhì)產(chǎn)生乙酸，也能利用分子氫和二氧化碳產(chǎn)生乙酸也能利用分子氫和二氧化碳產(chǎn)生乙酸 產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)甲烷菌群 參與厭氧消化的最后一類(lèi)也是最重要的一類(lèi)細(xì)菌群參與厭氧消化的最后一類(lèi)也是最重要的一類(lèi)細(xì)菌群 細(xì)胞壁中短少肽聚糖，而含有多糖、多肽或多肽細(xì)胞壁中短少肽聚糖，而含有多糖、多肽或多肽多糖的囊狀物多糖的囊狀物 從分類(lèi)學(xué)上屬于古細(xì)菌從分類(lèi)學(xué)上屬于古細(xì)菌 已分別得到約已分別得到約40余種，常見(jiàn)的有產(chǎn)甲烷短桿菌屬、余種，

20、常見(jiàn)的有產(chǎn)甲烷短桿菌屬、產(chǎn)甲烷桿菌屬、產(chǎn)甲烷球菌屬、產(chǎn)甲烷螺菌屬、產(chǎn)產(chǎn)甲烷桿菌屬、產(chǎn)甲烷球菌屬、產(chǎn)甲烷螺菌屬、產(chǎn)甲烷八疊球菌屬和產(chǎn)甲烷絲菌屬甲烷八疊球菌屬和產(chǎn)甲烷絲菌屬 能利用的能源物質(zhì)有氫氣能利用的能源物質(zhì)有氫氣/二氧化碳、甲酸、甲醇、二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺基類(lèi)和乙酸甲胺基類(lèi)和乙酸 Founded in 1895實(shí)踐運(yùn)用實(shí)踐運(yùn)用 發(fā)酵原料易得，小型化甲烷消費(fèi)不用運(yùn)用復(fù)雜的發(fā)酵工藝發(fā)酵原料易得，小型化甲烷消費(fèi)不用運(yùn)用復(fù)雜的發(fā)酵工藝和設(shè)備和設(shè)備 大規(guī)模甲烷消費(fèi)需求對(duì)發(fā)酵參數(shù)進(jìn)展嚴(yán)厲控制，以獲得最大規(guī)模甲烷消費(fèi)需求對(duì)發(fā)酵參數(shù)進(jìn)展嚴(yán)厲控制，以獲得最大甲烷產(chǎn)量大甲烷產(chǎn)量 鄉(xiāng)村常用發(fā)酵消費(fèi)甲烷的原料

21、及沼氣產(chǎn)量鄉(xiāng)村常用發(fā)酵消費(fèi)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量 Founded in 18954 消費(fèi)可生物降解塑料消費(fèi)可生物降解塑料PHAs 可降解塑料的分類(lèi)可降解塑料的分類(lèi) 以聚以聚-羥基烷酸羥基烷酸PHAs為原料制造的新型塑料，為原料制造的新型塑料，可被多種微生物完全降解，運(yùn)用前景樂(lè)觀可被多種微生物完全降解，運(yùn)用前景樂(lè)觀 Founded in 1895PHAs的構(gòu)造的構(gòu)造Founded in 1895PHAs的特點(diǎn)的特點(diǎn) 多種微生物能在體內(nèi)累積多種微生物能在體內(nèi)累積PHAs作為碳源和能源的儲(chǔ)作為碳源和能源的儲(chǔ)存物存物 羥基的手性決議了羥基的手性決議了PHAs具有光學(xué)活性，僅以具有光學(xué)活性，僅以R構(gòu)型構(gòu)型

22、穩(wěn)定存在穩(wěn)定存在 大多數(shù)大多數(shù)PHAs的物理化學(xué)性質(zhì)是針對(duì)于的物理化學(xué)性質(zhì)是針對(duì)于PHB聚聚-羥羥基丁酸和基丁酸和PHBV-羥基丁酸和羥基丁酸和-羥基戊酸的共聚羥基戊酸的共聚物兩種聚合物進(jìn)展的物兩種聚合物進(jìn)展的 Founded in 1895PHAs和聚丙烯的性能比較和聚丙烯的性能比較Founded in 1895PHAs的用途的用途Founded in 1895PHAs的優(yōu)缺陷的優(yōu)缺陷 優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)是 生物可降解性，不污染環(huán)境生物可降解性，不污染環(huán)境 生物相容性，可用于醫(yī)學(xué)資料生物相容性，可用于醫(yī)學(xué)資料 缺陷是缺陷是 熔化穩(wěn)定性較差，可經(jīng)過(guò)發(fā)酵過(guò)程中參與其他單體熔化穩(wěn)定性較差，可經(jīng)過(guò)發(fā)酵過(guò)程中

23、參與其他單體以合成共聚體處理以合成共聚體處理 易發(fā)脆，可經(jīng)過(guò)淬火處置較大程度的處理易發(fā)脆，可經(jīng)過(guò)淬火處置較大程度的處理 Founded in 1895合成合成PHAs的主要微生物的主要微生物 1925年，年，Lemoigne從宏大芽孢桿菌中分別并鑒定了從宏大芽孢桿菌中分別并鑒定了PHB，褐球固氮菌也可產(chǎn)生，褐球固氮菌也可產(chǎn)生PHB 1974年，年，Wallen和和Rohwedder從活性污泥的氯仿萃取從活性污泥的氯仿萃取液中得到了其他羥基烷酸單體和雜聚體液中得到了其他羥基烷酸單體和雜聚體 1983年，專(zhuān)利報(bào)道可用微生物直接合成年，專(zhuān)利報(bào)道可用微生物直接合成PHBV共聚物共聚物 目前發(fā)現(xiàn)的可以消

24、費(fèi)目前發(fā)現(xiàn)的可以消費(fèi)PHAs的微生物包括光能和化能的微生物包括光能和化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌，計(jì)自養(yǎng)及異養(yǎng)菌，計(jì)65個(gè)屬中的近個(gè)屬中的近300種微生物種微生物 研討較多的有產(chǎn)堿桿菌屬、固氮菌屬和紅螺菌屬等研討較多的有產(chǎn)堿桿菌屬、固氮菌屬和紅螺菌屬等 Founded in 1895產(chǎn)產(chǎn)PHAs的商業(yè)化菌株的商業(yè)化菌株 應(yīng)具備的根本性能應(yīng)具備的根本性能 有對(duì)廉價(jià)碳源的利用才干有對(duì)廉價(jià)碳源的利用才干 生長(zhǎng)速度快生長(zhǎng)速度快 對(duì)底物轉(zhuǎn)化率高對(duì)底物轉(zhuǎn)化率高 胞內(nèi)聚合物含量高胞內(nèi)聚合物含量高 聚合物分子質(zhì)量大聚合物分子質(zhì)量大 目前勝利運(yùn)用的菌株主要是真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌目前勝利運(yùn)用的菌株主要是真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌 Alcalige

25、nes eutrophus 對(duì)菌種的改良集中在重組對(duì)菌種的改良集中在重組E. coli中進(jìn)展中進(jìn)展 Founded in 1895A. Eutrophus和重組和重組E. coli消費(fèi)消費(fèi)PHB的比較的比較Founded in 1895PHB的合成途徑及關(guān)鍵酶的合成途徑及關(guān)鍵酶 大多數(shù)微生物經(jīng)過(guò)三步合成途徑合成大多數(shù)微生物經(jīng)過(guò)三步合成途徑合成PHB -酮裂解酶催化乙酰酮裂解酶催化乙酰CoA生成乙酰乙酰生成乙酰乙酰CoA 在依賴(lài)在依賴(lài)NADPH的乙酰乙酰的乙酰乙酰CoA復(fù)原酶的作用下把乙酰乙酰復(fù)原酶的作用下把乙酰乙酰CoA復(fù)原成復(fù)原成D-(-)-3-羥基丁酰羥基丁酰CoA 單體的單體的D-(-)

26、-3-羥基丁酰羥基丁酰CoA由由PHB聚合酶催化聚合生成聚合酶催化聚合生成PHB Founded in 1895從乙酰從乙酰CoA合成合成PHB的三種途的三種途徑徑Founded in 1895PHB生物合成中幾種酶的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)生物合成中幾種酶的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)Founded in 1895 某些微生物中同時(shí)存在五步合成途徑某些微生物中同時(shí)存在五步合成途徑 -酮裂解酶催化乙酰酮裂解酶催化乙酰CoA生成乙酰乙酰生成乙酰乙酰CoA 依賴(lài)依賴(lài)NADPH的乙酰乙酰的乙酰乙酰CoA復(fù)原酶催化復(fù)原酶催化L-(+)-3-羥基羥基丁酰丁酰CoA的構(gòu)成的構(gòu)成 L-(+)-3-羥基丁酰羥基丁酰CoA經(jīng)過(guò)兩個(gè)立體

27、專(zhuān)注的烯?；?jīng)過(guò)兩個(gè)立體專(zhuān)注的烯?；鵆oA水合酶先后作用而轉(zhuǎn)變成水合酶先后作用而轉(zhuǎn)變成D-(-)-3-羥基丁酰羥基丁酰CoA 單體的單體的D-(-)-3-羥基丁酰羥基丁酰CoA由由PHB聚合酶催化聚合聚合酶催化聚合生成生成PHB PHA聚合酶是關(guān)鍵酶聚合酶是關(guān)鍵酶 Founded in 1895從不同的底物合成從不同的底物合成PHAs的途徑的途徑Founded in 1895PHAs消費(fèi)工藝消費(fèi)工藝細(xì)菌發(fā)酵消費(fèi)細(xì)菌發(fā)酵消費(fèi)PHB 細(xì)菌發(fā)酵消費(fèi)細(xì)菌發(fā)酵消費(fèi)PHB 盡能夠提高細(xì)胞密度盡能夠提高細(xì)胞密度 保證高的胞內(nèi)累積量保證高的胞內(nèi)累積量 縮短發(fā)酵周期以提高消費(fèi)強(qiáng)度縮短發(fā)酵周期以提高消費(fèi)強(qiáng)度 多采

28、用流加培育多采用流加培育 自然條件下，產(chǎn)自然條件下，產(chǎn)PHB的細(xì)菌中的細(xì)菌中PHB含量為含量為1%-3%，控制發(fā)酵條件下，控制發(fā)酵條件下，PHB含量可達(dá)細(xì)胞干重的含量可達(dá)細(xì)胞干重的70%-80% 細(xì)菌發(fā)酵消費(fèi)價(jià)錢(qián)較高，在醫(yī)藥業(yè)有市場(chǎng)細(xì)菌發(fā)酵消費(fèi)價(jià)錢(qián)較高，在醫(yī)藥業(yè)有市場(chǎng) Founded in 1895PHB消費(fèi)比較消費(fèi)比較Founded in 1895細(xì)菌發(fā)酵需求處理的問(wèn)題細(xì)菌發(fā)酵需求處理的問(wèn)題 定向育種，提高菌種底物轉(zhuǎn)化率和生長(zhǎng)速度定向育種，提高菌種底物轉(zhuǎn)化率和生長(zhǎng)速度 控制聚合物分子質(zhì)量分布控制聚合物分子質(zhì)量分布 提高提取過(guò)程的收率和產(chǎn)品純度，采用非有機(jī)溶劑提高提取過(guò)程的收率和產(chǎn)品純度，采用

29、非有機(jī)溶劑提取產(chǎn)物以降低污染提取產(chǎn)物以降低污染 聚合物分子設(shè)計(jì)、修飾和共混加工技術(shù)等減少聚合聚合物分子設(shè)計(jì)、修飾和共混加工技術(shù)等減少聚合物和化工合成塑料的性能差別物和化工合成塑料的性能差別 優(yōu)化流加發(fā)酵技術(shù)優(yōu)化流加發(fā)酵技術(shù) 重組重組E. coli等使其獲得等使其獲得PHB發(fā)酵才干發(fā)酵才干 Founded in 1895發(fā)酵法消費(fèi)發(fā)酵法消費(fèi)PHB工業(yè)化需具備的條件工業(yè)化需具備的條件Founded in 1895PHAs消費(fèi)工藝消費(fèi)工藝植物消費(fèi)植物消費(fèi)PHB 1992年美國(guó)科學(xué)家初次進(jìn)展了植物消費(fèi)年美國(guó)科學(xué)家初次進(jìn)展了植物消費(fèi)PHB的嘗試的嘗試 Founded in 1895各種各種PHB提取方法

30、的比較提取方法的比較Founded in 1895PHAs合成的代謝工程戰(zhàn)略合成的代謝工程戰(zhàn)略Founded in 1895微生物合成微生物合成PHA的代謝機(jī)理及關(guān)鍵酶的代謝機(jī)理及關(guān)鍵酶Founded in 1895PHB的降解及的降解及PHB解聚酶解聚酶 普通在厭氧污水中降解最快，在海水中降解最慢普通在厭氧污水中降解最快，在海水中降解最慢 PHB的生物降解機(jī)制的生物降解機(jī)制 PHB外表的外表的-OH和和-COOH基團(tuán)數(shù)量添加基團(tuán)數(shù)量添加 細(xì)菌解聚反響，酶將高聚物降解成單體細(xì)菌解聚反響，酶將高聚物降解成單體 分解產(chǎn)物有分解產(chǎn)物有-羥基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸，在有羥基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸，

31、在有氧條件下大多被氧化成為二氧化碳和水氧條件下大多被氧化成為二氧化碳和水 較低的較低的pH能阻止聚合物的分解能阻止聚合物的分解 很多微生物均可分泌很多微生物均可分泌PHB解聚酶解聚酶 Founded in 1895PHB消費(fèi)的前景及展望消費(fèi)的前景及展望 PHB本身有缺陷性，如低的熱穩(wěn)定性、硬脆性等，本身有缺陷性，如低的熱穩(wěn)定性、硬脆性等，共聚物的韌性也有待提高共聚物的韌性也有待提高 消費(fèi)消費(fèi)PHB的關(guān)鍵在于產(chǎn)量提高的關(guān)鍵在于產(chǎn)量提高 目前目前PHB及其共聚物的消費(fèi)仍以發(fā)酵為主，價(jià)錢(qián)昂及其共聚物的消費(fèi)仍以發(fā)酵為主，價(jià)錢(qián)昂貴，貴，DNA重組技術(shù)可使其消費(fèi)價(jià)錢(qián)得到下降重組技術(shù)可使其消費(fèi)價(jià)錢(qián)得到下降

32、轉(zhuǎn)基因植物消費(fèi)轉(zhuǎn)基因植物消費(fèi)PHB的勝利，有望使其價(jià)錢(qián)降至石的勝利，有望使其價(jià)錢(qián)降至石油產(chǎn)品聚乙烯的程度，前景樂(lè)觀油產(chǎn)品聚乙烯的程度，前景樂(lè)觀 Founded in 1895生物技術(shù)消費(fèi)生物技術(shù)消費(fèi)PHAs的不同戰(zhàn)略的不同戰(zhàn)略Founded in 18955 消費(fèi)單細(xì)胞蛋白消費(fèi)單細(xì)胞蛋白 單細(xì)胞蛋白單細(xì)胞蛋白single cell protein, SCP是經(jīng)過(guò)培育單是經(jīng)過(guò)培育單細(xì)胞生物而獲得的生物體蛋白質(zhì)，又稱(chēng)微生物蛋白，細(xì)胞生物而獲得的生物體蛋白質(zhì)，又稱(chēng)微生物蛋白，包括細(xì)菌、放線菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和包括細(xì)菌、放線菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和微型藻類(lèi)等微型藻類(lèi)等 可利用各種廢物，

33、如碳水化合物、碳?xì)浠衔?、石可利用各種廢物，如碳水化合物、碳?xì)浠衔?、石油加工副產(chǎn)品等，在適宜的培育條件下消費(fèi)微生物油加工副產(chǎn)品等，在適宜的培育條件下消費(fèi)微生物蛋白蛋白 營(yíng)養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)含量高達(dá)營(yíng)養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%80%，含有多種，含有多種氨基酸、維生素、脂類(lèi)、礦物質(zhì)、碳水化合物等氨基酸、維生素、脂類(lèi)、礦物質(zhì)、碳水化合物等 Founded in 1895微生物與動(dòng)物消費(fèi)蛋白質(zhì)速率的比較微生物與動(dòng)物消費(fèi)蛋白質(zhì)速率的比較 農(nóng)業(yè)、林產(chǎn)或家畜工業(yè)的廢棄物，甘蔗、甜菜糖廠農(nóng)業(yè)、林產(chǎn)或家畜工業(yè)的廢棄物，甘蔗、甜菜糖廠的廢糖蜜，造紙廠的亞硫酸鹽廢液，纖維素水解液，的廢糖蜜，造紙廠的亞硫酸鹽廢液，纖

34、維素水解液，酒精廢液，食品發(fā)酵廢液等均可用作原料酒精廢液，食品發(fā)酵廢液等均可用作原料 Founded in 1895單細(xì)胞的化學(xué)組成干物質(zhì)單細(xì)胞的化學(xué)組成干物質(zhì) 微生物菌體的微生物菌體的70%85%為水分，干物質(zhì)中的主要為水分，干物質(zhì)中的主要成分是糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸、脂類(lèi)及灰分成分是糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸、脂類(lèi)及灰分 Founded in 1895微生物細(xì)胞和傳統(tǒng)食品中的氮含量和蛋白質(zhì)含量微生物細(xì)胞和傳統(tǒng)食品中的氮含量和蛋白質(zhì)含量Founded in 1895干酵母中典型氨基酸組成干酵母中典型氨基酸組成Founded in 1895酵母的典型元素組成酵母的典型元素組成Founded in 1895

35、細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)消費(fèi)的單細(xì)胞蛋白組分的比較細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)消費(fèi)的單細(xì)胞蛋白組分的比較Founded in 1895黑曲霉細(xì)胞的氨基酸含量與黑曲霉細(xì)胞的氨基酸含量與FAO規(guī)范非常相符規(guī)范非常相符Founded in 1895消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的微生物消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的微生物NoImageFounded in 1895消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的微生物消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的微生物NoImageFounded in 1895藻類(lèi)、細(xì)菌和真菌消費(fèi)單細(xì)胞蛋白各種參數(shù)比較藻類(lèi)、細(xì)菌和真菌消費(fèi)單細(xì)胞蛋白各種參數(shù)比較NoImageFounded in 1895消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的微生物優(yōu)缺陷消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的微生物優(yōu)缺陷 細(xì)菌：生長(zhǎng)速度快

36、，蛋白質(zhì)含量高，能利用糖類(lèi)和細(xì)菌：生長(zhǎng)速度快，蛋白質(zhì)含量高，能利用糖類(lèi)和烴類(lèi)，但細(xì)菌個(gè)體小，分別困難，且蛋白質(zhì)不如酵烴類(lèi)，但細(xì)菌個(gè)體小，分別困難，且蛋白質(zhì)不如酵母菌易于消化吸收母菌易于消化吸收 絲狀真菌：易于回收，但消費(fèi)速度慢，蛋白質(zhì)含量絲狀真菌：易于回收，但消費(fèi)速度慢，蛋白質(zhì)含量較低較低 藻類(lèi)：缺陷是其纖維質(zhì)的細(xì)胞壁不易為人體消化藻類(lèi)：缺陷是其纖維質(zhì)的細(xì)胞壁不易為人體消化 酵母：個(gè)體大，易于分別、回收，且蛋白質(zhì)易于吸酵母：個(gè)體大，易于分別、回收，且蛋白質(zhì)易于吸收，目前消費(fèi)上采用較多收，目前消費(fèi)上采用較多 Founded in 1895微生物消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)微生物消費(fèi)單細(xì)胞蛋白的優(yōu)點(diǎn)總

37、結(jié) 生長(zhǎng)速率快，倍增時(shí)間為幾個(gè)小時(shí)生長(zhǎng)速率快，倍增時(shí)間為幾個(gè)小時(shí) 容易進(jìn)展遺傳操作，宜于大規(guī)模挑選和轉(zhuǎn)基因技術(shù)容易進(jìn)展遺傳操作，宜于大規(guī)模挑選和轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)施實(shí)施 蛋白質(zhì)含量高，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高蛋白質(zhì)含量高，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高 能在相對(duì)小的延續(xù)發(fā)酵反響器中大量培育，占地小，能在相對(duì)小的延續(xù)發(fā)酵反響器中大量培育，占地小，不依賴(lài)氣候不依賴(lài)氣候 培育基來(lái)源廣泛，低廉，可利用廢料培育基來(lái)源廣泛，低廉，可利用廢料 Founded in 1895用于消費(fèi)用于消費(fèi)SCP的常見(jiàn)廢棄物的常見(jiàn)廢棄物 農(nóng)業(yè)廢棄物，需經(jīng)粉碎、堿處置以提高可消化性農(nóng)業(yè)廢棄物，需經(jīng)粉碎、堿處置以提高可消化性 烴類(lèi)及其衍生物，包括石油烴、天然氣及其氧化

38、物如甲醇、烴類(lèi)及其衍生物，包括石油烴、天然氣及其氧化物如甲醇、乙醇、乙酸等乙醇、乙酸等 高濃度有機(jī)廢水，如造紙工業(yè)的亞硫酸鹽紙漿廢液、制糖工高濃度有機(jī)廢水，如造紙工業(yè)的亞硫酸鹽紙漿廢液、制糖工業(yè)廢水、釀造業(yè)廢水、乳品工業(yè)廢水、屠宰場(chǎng)廢水等業(yè)廢水、釀造業(yè)廢水、乳品工業(yè)廢水、屠宰場(chǎng)廢水等 固體廢棄物，包括城市有機(jī)渣滓、造紙廠廢棄物、釀造廢棄固體廢棄物，包括城市有機(jī)渣滓、造紙廠廢棄物、釀造廢棄物酒糟、水產(chǎn)加工廢棄物，食品加工中的廢物等物酒糟、水產(chǎn)加工廢棄物，食品加工中的廢物等 工業(yè)廢氣，如工業(yè)上排放的二氧化碳可用于培育藻類(lèi)；石油工業(yè)廢氣，如工業(yè)上排放的二氧化碳可用于培育藻類(lèi)；石油加工廠廢氣中的烷烴，可先轉(zhuǎn)化成酒精、甲醇、乙酸等，再加工廠廢氣中的烷烴，可先轉(zhuǎn)化成酒精、甲醇、乙酸等，再用于消費(fèi)用于消費(fèi)SCP Founded in 1895利用有機(jī)廢料消費(fèi)單細(xì)胞蛋白利用有機(jī)廢料消費(fèi)單細(xì)胞蛋白NoImageNoImageFounded in 1895利用有機(jī)廢料消費(fèi)單細(xì)胞蛋白利用有機(jī)廢料消費(fèi)單細(xì)胞蛋白NoImageFounded in 1895單細(xì)胞蛋白消費(fèi)工藝單細(xì)胞蛋白