有機廢棄物的資源化-能源、材料、蛋白課件

1、第13講 有機廢棄物的資源化：能源、材料、蛋白11 有機廢棄物生產(chǎn)乙醇乙醇作為燃料的優(yōu)點 產(chǎn)能效率高 不產(chǎn)生CO，污染低 可發(fā)酵生產(chǎn)，成本低 乙醇發(fā)酵的傳統(tǒng)原料可選用蔗糖或淀粉，發(fā)酵微生物主要是酵母菌 催化反應的酶是蔗糖水解酶（胞外酶）和酒化酶（胞內酶） 目前研究集中在纖維素生物質（農(nóng)林廢棄物和城市固體垃圾）發(fā)酵產(chǎn)乙醇 2世界生物乙醇產(chǎn)量的變化趨勢3微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料4纖維素生物質轉化生產(chǎn)乙醇預處理：去除木質素、溶解半纖維素或破壞纖維素的晶體結構，以利于水解 用纖維素酶和半纖維素酶水解糖化，生成可發(fā)酵的糖類 糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 5木質纖維的組成及其利用主要稱為包括纖維素、半纖維素和木質素 6

2、幾種纖維素生物質的主要組成7木質素木質素是由苯丙烷亞基組成的不規(guī)則的近似球狀的多聚體，是不可溶的高分子，沒有任何規(guī)則的重復單元或易被水解的鍵 可在纖維素周圍形成保護層，影響纖維素水解 目前還無法實現(xiàn)木質素的有效降解 水解后的木質素殘渣可用于燃料 8木質素的結構9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體 聚合度低，所含糖單元數(shù)在60200，無晶體結構，較易水解 水解產(chǎn)物包括兩種五碳糖（木糖和阿拉伯糖）和三種六碳糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖） 一般酵母可發(fā)酵六碳糖但不能發(fā)酵五碳糖 10半纖維素的基本結構11纖維素由葡萄糖脫水通過-1,4-葡萄糖苷鍵連接而成直鏈聚合體，聚合度大（3500

3、-10000） 纖維素大分子之間通過大量氫鍵連接在一起形成晶體結構的纖維素束，結構穩(wěn)定，不溶于水，無還原性 常用的水解催化劑是無機酸和纖維素酶，對應酸水解工藝和酶水解工藝 水解生成葡萄糖 12纖維素的結構13纖維素的預處理預處理方法應滿足 可促進糖的生成或有利于后面的酶水解 避免碳水化合物的降解和損失 避免產(chǎn)生對水解和發(fā)酵有害副產(chǎn)物 經(jīng)濟上合理 蒸汽爆裂法、稀酸預處理等都是較成熟可行的預處理技術 沒有普遍適用的預處理方法 14預處理方法比較15預處理方法比較16纖維素的水解目前尚無能直接利用纖維素作為發(fā)酵底物的菌株 酸水解的問題 條件苛刻，對設備有腐蝕作用 會生成有毒的分解產(chǎn)物如糖醛、酚類 成

4、本較高 酶水解可常壓進行，產(chǎn)率高，污染低，但酶成本較高，限制了其工業(yè)應用 17纖維素的水解和脫羧反應18纖維素的水解過程纖維素酶包括內切葡聚糖酶（1,4-D-葡萄糖水解酶）、外切葡聚糖酶（1,4-D-葡萄糖纖維二糖水解酶）和-葡萄糖苷酶等多組分酶系 19產(chǎn)纖維素酶的微生物20纖維素生產(chǎn)乙醇的發(fā)酵工藝纖維素生產(chǎn)乙醇包括纖維素糖化和乙醇發(fā)酵兩步，前者是酶促反應，是限速步驟，后者是微生物反應，較為成熟 纖維素糖化過程中，纖維二糖、葡萄糖等酶解產(chǎn)物的不斷累積，會抑制纖維素酶的活性，導致反應速率下降 工業(yè)上有三種工藝：單獨水解和發(fā)酵法（間接法），直接微生物轉化法和同時糖化發(fā)酵法 21單獨水解和發(fā)酵法（S

5、HF）酶的生產(chǎn)、纖維素水解和葡萄糖發(fā)酵三個過程分開 22直接微生物轉化法（DMC）同一微生物完成纖維素的水解、糖化和乙醇發(fā)酵的生產(chǎn)過程 常用的微生物是熱纖梭菌或其和熱硫化氫梭菌混合 將酶生產(chǎn)、纖維素水解和糖發(fā)酵在一個反應器中進行，設備簡單，成本低 但目前沒有找到同時高產(chǎn)纖維素酶和高乙醇發(fā)酵濃度的微生物 混菌發(fā)酵產(chǎn)量較低，且有其他副產(chǎn)物生成 23熱纖梭菌和熱硫化氫梭菌混合培養(yǎng)生產(chǎn)乙醇24同時糖化和發(fā)酵法（SSF）利用可產(chǎn)生纖維素酶的微生物和酵母在同一容器中連續(xù)進行纖維素的糖化和發(fā)酵 糖的積累較低，消除了其對纖維素酶活性的抑制 但乙醇對纖維素酶活性有抑制 主要問題是水解和發(fā)酵所需溫度不能匹配，實際

6、采用折中溫度，造成水解和發(fā)酵效率都無法達到最大 可培養(yǎng)耐熱酵母解決高溫發(fā)酵的問題 2526生物質發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的發(fā)展前景減輕或消除發(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、酚類和醛類 提高微生物的抵抗力 五碳糖的發(fā)酵 將木糖轉化為木酮糖，為酵母所利用 馴化可以降解五碳糖的天然微生物 基因工程技術改造菌種以利用五碳糖 發(fā)酵中添加營養(yǎng)物 27基因工程技術開發(fā)五碳糖發(fā)酵制乙醇的微生物282 厭氧發(fā)酵制氫混合酸發(fā)酵途徑、 丁酸型發(fā)酵途徑、 乙醇型發(fā)酵途徑、 NADH途徑 29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 產(chǎn)物有乳酸、乙酸、二氧化碳、氫氣和甲酸 30丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫途

7、徑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 31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 與丁酸型發(fā)酵產(chǎn)氫途經(jīng)相同 不同之處是在不同pH和氧化還原電位下，產(chǎn)氫后得到的乙酰輔酶A有三種后續(xù)的發(fā)酵類型 32NADH途徑NADH/NAD+是一種平衡調節(jié)途徑 當NADH和H+產(chǎn)生積累時，微生物進行調控釋放分子氫 33不同廢水產(chǎn)氫結果34生物產(chǎn)氫的前景展望氫氣形成的生物化學機制研究 高產(chǎn)菌株的選育 原料利用種類的研究 連續(xù)產(chǎn)氫設備及產(chǎn)氫動力學方面的研究 氫氣與其他混合氣分離工藝的研究 副產(chǎn)物利用方面的研究 353 厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷不溶性有機高分子物質在

8、細胞外酶的作用下水解成可溶性的有機物單體 有機物單體發(fā)酵降解，產(chǎn)物為氫氣、甲酸、重碳酸鹽、丙酮酸鹽、乙醇及各類揮發(fā)性低級脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等） 專性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將簡單有機物氧化成氫氣和乙酸 36同型產(chǎn)乙酸菌利用氫氣將重碳酸鹽還原生成乙酸 簡單有機物氧化為重碳酸鹽和乙酸，參與的細菌為硝酸鹽還原菌和硫酸鹽還原菌 由硝酸鹽還原菌和硫酸鹽還原菌將乙酸鹽氧化為碳酸鹽 37由硝酸鹽還原菌和硫酸鹽還原菌進行氫氣或甲酸的氧化 乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷，主要參與細菌為產(chǎn)甲烷八疊球菌和產(chǎn)甲烷絲菌，該步驟產(chǎn)甲烷量占70%（限速步） 重碳酸鹽還原產(chǎn)甲烷，參與細菌為氫氧化產(chǎn)甲烷細菌，該步驟產(chǎn)甲烷量占30% 38厭氧消化過程

9、的微生物學水解酸化菌群 將大分子不溶性有機物在水解酶的催化作用下水解成小分子的水溶性有機物 將水解產(chǎn)物吸收進細胞內，經(jīng)細胞內復雜的酶系統(tǒng)催化轉化，將一部分有機物轉化為代謝產(chǎn)物，排入細胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反應的細菌群可利用的基質 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群 將第一階段產(chǎn)生的有機代謝產(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、酮和芳香族有機酸等轉化為甲烷 39同型產(chǎn)乙酸菌群 混合營養(yǎng)型厭氧細菌，既能利用有機基質產(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 參與厭氧消化的最后一類也是最重要的一類細菌群 細胞壁中缺少肽聚糖，而含有多糖、多肽或多肽多糖的囊狀物 從分類學上屬于古

10、細菌 已分離得到約40余種，常見的有產(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)甲烷八疊球菌屬和產(chǎn)甲烷絲菌屬 能利用的能源物質有氫氣/二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺基類和乙酸 40實際應用發(fā)酵原料易得，小型化甲烷生產(chǎn)不必使用復雜的發(fā)酵工藝和設備 大規(guī)模甲烷生產(chǎn)需要對發(fā)酵參數(shù)進行嚴格控制，以獲得最大甲烷產(chǎn)量 農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量 414 生產(chǎn)可生物降解塑料PHAs可降解塑料的分類 以聚-羥基烷酸（PHAs）為原料制造的新型塑料，可被多種微生物完全降解，應用前景樂觀 42PHAs的結構43PHAs的特點多種微生物能在體內累積PHAs作為碳源和能源的儲存物 羥基的手性決定

11、了PHAs具有光學活性，僅以R構型穩(wěn)定存在 大多數(shù)PHAs的物理化學性質是針對于PHB（聚-羥基丁酸）和PHBV（-羥基丁酸和-羥基戊酸的共聚物）兩種聚合物進行的 44PHAs和聚丙烯的性能比較45PHAs的用途46PHAs的優(yōu)缺點優(yōu)點是 生物可降解性，不污染環(huán)境 生物相容性，可用于醫(yī)學材料 缺點是 熔化穩(wěn)定性較差，可通過發(fā)酵過程中加入其他單體以合成共聚體解決 易發(fā)脆，可通過淬火處理較大程度的解決 47合成PHAs的主要微生物1925年，Lemoigne從巨大芽孢桿菌中分離并鑒定了PHB，褐球固氮菌也可產(chǎn)生PHB 1974年，Wallen和Rohwedder從活性污泥的氯仿萃取液中得到了其他羥

12、基烷酸單體和雜聚體 1983年，專利報道可用微生物直接合成PHBV共聚物 目前發(fā)現(xiàn)的能夠生產(chǎn)PHAs的微生物包括光能和化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌，計65個屬中的近300種微生物 研究較多的有產(chǎn)堿桿菌屬、固氮菌屬和紅螺菌屬等 48產(chǎn)PHAs的商業(yè)化菌株應具備的基本性能 有對廉價碳源的利用能力 生長速度快 對底物轉化率高 胞內聚合物含量高 聚合物分子質量大 目前成功應用的菌株主要是真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌 （Alcaligenes eutrophus） 對菌種的改良集中在重組E. coli中進行 49A. Eutrophus和重組E. coli生產(chǎn)PHB的比較50PHB的合成途徑及關鍵酶大多數(shù)微生物通過三步合成途徑合成

13、PHB -酮裂解酶催化乙酰CoA生成乙酰乙酰CoA 在依賴NADPH的乙酰乙酰CoA還原酶的作用下把乙酰乙酰CoA還原成D-(-)-3-羥基丁酰CoA 單體的D-(-)-3-羥基丁酰CoA由PHB聚合酶催化聚合生成PHB 51從乙酰CoA合成PHB的三種途徑52PHB生物合成中幾種酶的動力學特性參數(shù)53某些微生物中同時存在五步合成途徑 -酮裂解酶催化乙酰CoA生成乙酰乙酰CoA 依賴NADPH的乙酰乙酰CoA還原酶催化L-(+)-3-羥基丁酰CoA的形成 L-(+)-3-羥基丁酰CoA經(jīng)過兩個立體專一的烯酰基CoA水合酶先后作用而轉變成D-(-)-3-羥基丁酰CoA 單體的D-(-)-3-羥基

14、丁酰CoA由PHB聚合酶催化聚合生成PHB PHA聚合酶是關鍵酶 54從不同的底物合成PHAs的途徑55PHAs生產(chǎn)工藝細菌發(fā)酵生產(chǎn)PHB細菌發(fā)酵生產(chǎn)PHB 盡可能提高細胞密度 保證高的胞內累積量 縮短發(fā)酵周期以提高生產(chǎn)強度 多采用流加培養(yǎng) 自然條件下，產(chǎn)PHB的細菌中PHB含量為1%-3%，控制發(fā)酵條件下，PHB含量可達細胞干重的70%-80% 細菌發(fā)酵生產(chǎn)價格較高，在醫(yī)藥業(yè)有市場 56PHB生產(chǎn)比較57細菌發(fā)酵需要解決的問題定向育種，提高菌種底物轉化率和生長速度 控制聚合物分子質量分布 提高提取過程的收率和產(chǎn)品純度，采用非有機溶劑提取產(chǎn)物以降低污染 聚合物分子設計、修飾和共混加工技術等縮小

15、聚合物和化工合成塑料的性能差異 優(yōu)化流加發(fā)酵技術 重組E. coli等使其獲得PHB發(fā)酵能力 58發(fā)酵法生產(chǎn)PHB工業(yè)化需具備的條件59PHAs生產(chǎn)工藝植物生產(chǎn)PHB1992年美國科學家首次進行了植物生產(chǎn)PHB的嘗試 60各種PHB提取方法的比較61PHAs合成的代謝工程策略62微生物合成PHA的代謝機理及關鍵酶63PHB的降解及PHB解聚酶一般在厭氧污水中降解最快，在海水中降解最慢 PHB的生物降解機制 PHB表面的-OH和-COOH基團數(shù)量增加 細菌解聚反應，酶將高聚物降解成單體 分解產(chǎn)物有-羥基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸，在有氧條件下大多被氧化成為二氧化碳和水 較低的pH能阻止聚合物的分解

16、 很多微生物均可分泌PHB解聚酶 64PHB生產(chǎn)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，共聚物的韌性也有待提高 生產(chǎn)PHB的關鍵在于產(chǎn)量提高 目前PHB及其共聚物的生產(chǎn)仍以發(fā)酵為主，價格昂貴，DNA重組技術可使其生產(chǎn)價格得到下降 轉基因植物生產(chǎn)PHB的成功，有望使其價格降至石油產(chǎn)品聚乙烯的水平，前景樂觀 65生物技術生產(chǎn)PHAs的不同策略665 生產(chǎn)單細胞蛋白單細胞蛋白（single cell protein, SCP）是通過培養(yǎng)單細胞生物而獲得的生物體蛋白質，又稱微生物蛋白，包括細菌、放線菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和微型藻類等 可利用各種廢物，如碳水化合物、碳氫化合物、石

17、油加工副產(chǎn)品等，在適宜的培養(yǎng)條件下生產(chǎn)微生物蛋白 營養(yǎng)豐富，蛋白質含量高達40%80%，含有多種氨基酸、維生素、脂類、礦物質、碳水化合物等 67微生物與動物生產(chǎn)蛋白質速率的比較農(nóng)業(yè)、林產(chǎn)或家畜工業(yè)的廢棄物，甘蔗、甜菜糖廠的廢糖蜜，造紙廠的亞硫酸鹽廢液，纖維素水解液，酒精廢液，食品發(fā)酵廢液等均可用作原料 68單細胞的化學組成（干物質）微生物菌體的70%85%為水分，干物質中的主要成分是糖類、蛋白質、核酸、脂類及灰分 69微生物細胞和傳統(tǒng)食品中的氮含量和蛋白質含量70干酵母中典型氨基酸組成71酵母的典型元素組成72細菌、真菌和藻類生產(chǎn)的單細胞蛋白組分的比較73黑曲霉細胞的氨基酸含量與FAO標準非常

18、相符74生產(chǎn)單細胞蛋白的微生物75生產(chǎn)單細胞蛋白的微生物76藻類、細菌和真菌生產(chǎn)單細胞蛋白各種參數(shù)比較77生產(chǎn)單細胞蛋白的微生物優(yōu)缺點細菌：生長速度快，蛋白質含量高，能利用糖類和烴類，但細菌個體小，分離困難，且蛋白質不如酵母菌易于消化吸收 絲狀真菌：易于回收，但生產(chǎn)速度慢，蛋白質含量較低 藻類：缺點是其纖維質的細胞壁不易為人體消化 酵母：個體大，易于分離、回收，且蛋白質易于吸收，目前生產(chǎn)上采用較多 78微生物生產(chǎn)單細胞蛋白的優(yōu)點總結生長速率快，倍增時間為幾個小時 容易進行遺傳操作，宜于大規(guī)模篩選和轉基因技術實施 蛋白質含量高，營養(yǎng)價值高 能在相對小的連續(xù)發(fā)酵反應器中大量培養(yǎng)，占地小，不依賴氣候 培養(yǎng)基來源廣泛，低廉，可利用廢料 79用于生產(chǎn)SCP的常見廢棄物農(nóng)業(yè)廢棄物，需經(jīng)粉碎、堿處理以提高可消化性 烴類及其衍生物，包括石油烴、天然氣及其氧化物如甲醇、乙醇、乙酸等 高濃度有機廢水，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、屠宰場廢水等 固體廢棄物，包括城市有機垃圾、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 工業(yè)廢氣，如工業(yè)上排放的二氧化碳可用于培養(yǎng)藻類；石油加工廠廢氣中的烷烴，可先轉化成酒精、甲醇、乙酸等，再用于生產(chǎn)SCP 80利用有機廢料生產(chǎn)單細胞蛋白8