1、Founded in 18951第第13讲讲 有机废弃物的资源化：能源、材料、蛋白有机废弃物的资源化：能源、材料、蛋白Founded in 18952/931 有机废弃物生产乙醇有机废弃物生产乙醇 乙醇作为燃料的优点乙醇作为燃料的优点 产能效率高产能效率高 不产生不产生CO，污染低，污染低 可发酵生产，成本低可发酵生产，成本低 乙醇发酵的传统原料可选用蔗糖或淀粉，发酵微生乙醇发酵的传统原料可选用蔗糖或淀粉，发酵微生物主要是酵母菌物主要是酵母菌 催化反应的酶是蔗糖水解酶（胞外酶）和酒化酶催化反应的酶是蔗糖水解酶（胞外酶）和酒化酶（胞内酶）（胞内酶）目前研究集中在纤维素生物质（农林废弃物和城市目前
2、研究集中在纤维素生物质（农林废弃物和城市固体垃圾）发酵产乙醇固体垃圾）发酵产乙醇 Founded in 18953/93世界生物乙醇产量的变化趋势世界生物乙醇产量的变化趋势Founded in 18954/93微生物发酵生产乙醇的原料微生物发酵生产乙醇的原料Founded in 18955/93纤维素生物质转化生产乙醇纤维素生物质转化生产乙醇 预处理：去除预处理：去除木质素、溶解木质素、溶解半纤维素或破半纤维素或破坏纤维素的晶坏纤维素的晶体结构，以利体结构，以利于水解于水解 用纤维素酶和用纤维素酶和半纤维素酶水半纤维素酶水解糖化，生成解糖化，生成可发酵的糖类可发酵的糖类 糖发酵生产乙糖发酵生产
3、乙醇醇 Founded in 18956/93木质纤维的组成及其利用木质纤维的组成及其利用 主要称为包括纤维素、半纤维素和木质素主要称为包括纤维素、半纤维素和木质素 Founded in 18957/93几种纤维素生物质的主要组成几种纤维素生物质的主要组成Founded in 18958/93木质素木质素 木质素是由苯丙烷亚基组成的不规则的近似球状的木质素是由苯丙烷亚基组成的不规则的近似球状的多聚体，是不可溶的高分子，没有任何规则的重复多聚体，是不可溶的高分子，没有任何规则的重复单元或易被水解的键单元或易被水解的键 可在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解可在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水
4、解 目前还无法实现木质素的有效降解目前还无法实现木质素的有效降解 水解后的木质素残渣可用于燃料水解后的木质素残渣可用于燃料 Founded in 18959/93木质素的结构木质素的结构Founded in 189510/93半纤维素半纤维素 半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成的短链异源多聚半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成的短链异源多聚体体 聚合度低，所含糖单元数在聚合度低，所含糖单元数在60200，无晶体结构，无晶体结构，较易水解较易水解 水解产物包括两种五碳糖（木糖和阿拉伯糖）和三水解产物包括两种五碳糖（木糖和阿拉伯糖）和三种六碳糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖）种六碳糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖）一般
5、酵母可发酵六碳糖但不能发酵五碳糖一般酵母可发酵六碳糖但不能发酵五碳糖 Founded in 189511/93半纤维素的基本结构半纤维素的基本结构Founded in 189512/93纤维素纤维素 由葡萄糖脱水通过由葡萄糖脱水通过-1,4-葡萄糖苷键连接而成直链聚葡萄糖苷键连接而成直链聚合体，聚合度大（合体，聚合度大（3500-10000）纤维素大分子之间通过大量氢键连接在一起形成晶纤维素大分子之间通过大量氢键连接在一起形成晶体结构的纤维素束，结构稳定，不溶于水，无还原体结构的纤维素束，结构稳定，不溶于水，无还原性性 常用的水解催化剂是无机酸和纤维素酶，对应酸水常用的水解催化剂是无机酸和纤维
6、素酶，对应酸水解工艺和酶水解工艺解工艺和酶水解工艺 水解生成葡萄糖水解生成葡萄糖 Founded in 189513/93纤维素的结构纤维素的结构Founded in 189514/93纤维素的预处理纤维素的预处理 预处理方法应满足预处理方法应满足 可促进糖的生成或有利于后面的酶水解可促进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损失避免碳水化合物的降解和损失 避免产生对水解和发酵有害副产物避免产生对水解和发酵有害副产物 经济上合理经济上合理 蒸汽爆裂法、稀酸预处理等都是较成熟可行的预处蒸汽爆裂法、稀酸预处理等都是较成熟可行的预处理技术理技术 没有普遍适用的预处理方法没有普遍适用的预
7、处理方法 Founded in 189515/93预处理方法比较预处理方法比较Founded in 189516/93预处理方法比较预处理方法比较Founded in 189517/93纤维素的水解纤维素的水解 目前尚无能直接利用纤维素作为发酵底物的菌株目前尚无能直接利用纤维素作为发酵底物的菌株 酸水解的问题酸水解的问题 条件苛刻，对设备有腐蚀作用条件苛刻，对设备有腐蚀作用 会生成有毒的分解产物如糖醛、酚类会生成有毒的分解产物如糖醛、酚类 成本较高成本较高 酶水解可常压进行，产率高，污染低，但酶成本较酶水解可常压进行，产率高，污染低，但酶成本较高，限制了其工业应用高，限制了其工业应用 Foun
8、ded in 189518/93纤维素的水解和脱羧反应纤维素的水解和脱羧反应Founded in 189519/93纤维素的水解过程纤维素的水解过程 纤维素酶包纤维素酶包括内切葡聚括内切葡聚糖酶（糖酶（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-葡萄糖纤葡萄糖纤维二糖水解维二糖水解酶酶）和）和-葡葡萄糖苷酶等萄糖苷酶等多组分酶系多组分酶系 Founded in 189520/93产纤维素酶的微生物产纤维素酶的微生物Founded in 189521/93纤维素生产乙醇的发酵工艺纤维素生产乙醇的发酵工艺 纤维素生产乙醇包括纤维素糖化和乙醇发酵两步，纤维素生
9、产乙醇包括纤维素糖化和乙醇发酵两步，前者是酶促反应，是限速步骤，后者是微生物反应，前者是酶促反应，是限速步骤，后者是微生物反应，较为成熟较为成熟 纤维素糖化过程中，纤维二糖、葡萄糖等酶解产物纤维素糖化过程中，纤维二糖、葡萄糖等酶解产物的不断累积，会抑制纤维素酶的活性，导致反应速的不断累积，会抑制纤维素酶的活性，导致反应速率下降率下降 工业上有三种工艺：单独水解和发酵法（间接法），工业上有三种工艺：单独水解和发酵法（间接法），直接微生物转化法和同时糖化发酵法直接微生物转化法和同时糖化发酵法 Founded in 189522/93单独水解和发酵法（单独水解和发酵法（SHF）酶的生产、纤维素水解和
10、葡萄糖发酵三个过程分开酶的生产、纤维素水解和葡萄糖发酵三个过程分开 Founded in 189523/93直接微生物转化法（直接微生物转化法（DMC）同一微生物完成纤维素的水解、糖化和乙醇发酵的同一微生物完成纤维素的水解、糖化和乙醇发酵的生产过程生产过程 常用的微生物是热纤梭菌或其和热硫化氢梭菌混合常用的微生物是热纤梭菌或其和热硫化氢梭菌混合 将酶生产、纤维素水解和糖发酵在一个反应器中进将酶生产、纤维素水解和糖发酵在一个反应器中进行，设备简单，成本低行，设备简单，成本低 但目前没有找到同时高产纤维素酶和高乙醇发酵浓但目前没有找到同时高产纤维素酶和高乙醇发酵浓度的微生物度的微生物 混菌发酵产量
11、较低，且有其他副产物生成混菌发酵产量较低，且有其他副产物生成 Founded in 189524/93热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合培养生产乙醇热纤梭菌和热硫化氢梭菌混合培养生产乙醇Founded in 189525/93同时糖化和发酵法（同时糖化和发酵法（SSF）利用可产生纤维素酶的微生物和酵母在同一容器中利用可产生纤维素酶的微生物和酵母在同一容器中连续进行纤维素的糖化和发酵连续进行纤维素的糖化和发酵 糖的积累较低，消除了其对纤维素酶活性的抑制糖的积累较低，消除了其对纤维素酶活性的抑制 但乙醇对纤维素酶活性有抑制但乙醇对纤维素酶活性有抑制 主要问题是水解和发酵所需温度不能匹配，实际采主要问题是水
12、解和发酵所需温度不能匹配，实际采用折中温度，造成水解和发酵效率都无法达到最大用折中温度，造成水解和发酵效率都无法达到最大 可培养耐热酵母解决高温发酵的问题可培养耐热酵母解决高温发酵的问题 Founded in 189526/93Founded in 189527/93生物质发酵生产乙醇的发展前景生物质发酵生产乙醇的发展前景 减轻或消除发酵原料中有害物的影响减轻或消除发酵原料中有害物的影响 水解副产物如乙酸、甲酸、乙酰丙酸、酚类和醛类水解副产物如乙酸、甲酸、乙酰丙酸、酚类和醛类 提高微生物的抵抗力提高微生物的抵抗力 五碳糖的发酵五碳糖的发酵 将木糖转化为木酮糖，为酵母所利用将木糖转化为木酮糖，为
13、酵母所利用 驯化可以降解五碳糖的天然微生物驯化可以降解五碳糖的天然微生物 基因工程技术改造菌种以利用五碳糖基因工程技术改造菌种以利用五碳糖 发酵中添加营养物发酵中添加营养物 Founded in 189528/93基因工程技术开发五碳糖发酵制乙醇的微生物基因工程技术开发五碳糖发酵制乙醇的微生物Founded in 189529/932 厌氧发酵制氢厌氧发酵制氢 混合酸发酵途径、混合酸发酵途径、丁酸型发酵途径、丁酸型发酵途径、乙醇型乙醇型发酵途径、发酵途径、NADH途径途径 Founded in 189530/93混合酸发酵产氢途径混合酸发酵产氢途径 典型微生物有埃希式菌属和志贺式菌属典型微生物
14、有埃希式菌属和志贺式菌属 产物有乳酸、乙酸、二氧化碳、氢气和甲酸产物有乳酸、乙酸、二氧化碳、氢气和甲酸 Founded in 189531/93丁酸型发酵产氢途径丁酸型发酵产氢途径 典型微生物有梭状芽孢杆菌属、丁酸弧菌属等典型微生物有梭状芽孢杆菌属、丁酸弧菌属等 产物有丁酸、乙酸、二氧化碳和氢气产物有丁酸、乙酸、二氧化碳和氢气 Founded in 189532/93乙醇型发酵产氢途径乙醇型发酵产氢途径 产物有乙醇、乙酸、二氧化碳、氢气和少量丁酸产物有乙醇、乙酸、二氧化碳、氢气和少量丁酸 与丁酸型发酵产氢途经相同与丁酸型发酵产氢途经相同 不同之处是在不同不同之处是在不同pH和氧化还原电位下，产
15、氢后得和氧化还原电位下，产氢后得到的乙酰辅酶到的乙酰辅酶A有三种后续的发酵类型有三种后续的发酵类型 Founded in 189533/93NADH途径途径 NADH/NAD+是一种平衡调节途径是一种平衡调节途径 当当NADH和和H+产生积累时，微生物进行调控释放分产生积累时，微生物进行调控释放分子氢子氢 Founded in 189534/93不同废水产氢结果不同废水产氢结果Founded in 189535/93生物产氢的前景展望生物产氢的前景展望 氢气形成的生物化学机制研究氢气形成的生物化学机制研究 高产菌株的选育高产菌株的选育 原料利用种类的研究原料利用种类的研究 连续产氢设备及产氢动
16、力学方面的研究连续产氢设备及产氢动力学方面的研究 氢气与其他混合气分离工艺的研究氢气与其他混合气分离工艺的研究 副产物利用方面的研究副产物利用方面的研究 Founded in 189536/933 厌氧发酵产甲烷厌氧发酵产甲烷 不溶性有机高分子物质不溶性有机高分子物质在细胞外酶的作用下水解在细胞外酶的作用下水解成可溶性的有机物单体成可溶性的有机物单体 有机物单体发酵降解，有机物单体发酵降解，产物为氢气、甲酸、重碳产物为氢气、甲酸、重碳酸盐、丙酮酸盐、乙醇及酸盐、丙酮酸盐、乙醇及各类挥发性低级脂肪酸各类挥发性低级脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等）（乙酸、丙酸、丁酸等）专性产氢产乙酸菌将简专性产氢产乙酸
17、菌将简单有机物氧化成氢气和乙单有机物氧化成氢气和乙酸酸 Founded in 189537/93 同型产乙酸菌同型产乙酸菌利用氢气将重碳利用氢气将重碳酸盐还原生成乙酸盐还原生成乙酸酸 简单有机物氧简单有机物氧化为重碳酸盐和化为重碳酸盐和乙酸，参与的细乙酸，参与的细菌为硝酸盐还原菌为硝酸盐还原菌和硫酸盐还原菌和硫酸盐还原菌菌 由硝酸盐还原由硝酸盐还原菌和硫酸盐还原菌和硫酸盐还原菌将乙酸盐氧化菌将乙酸盐氧化为碳酸盐为碳酸盐 Founded in 189538/93 由硝酸盐还原菌和由硝酸盐还原菌和硫酸盐还原菌进行氢硫酸盐还原菌进行氢气或甲酸的氧化气或甲酸的氧化 乙酸发酵产甲烷，乙酸发酵产甲烷，主要
18、参与细菌为产甲主要参与细菌为产甲烷八叠球菌和产甲烷烷八叠球菌和产甲烷丝菌，该步骤产甲烷丝菌，该步骤产甲烷量占量占70%70%（限速步）（限速步）重碳酸盐还原产甲重碳酸盐还原产甲烷，参与细菌为氢氧烷，参与细菌为氢氧化产甲烷细菌，该步化产甲烷细菌，该步骤产甲烷量占骤产甲烷量占30%30%Founded in 189539/93厌氧消化过程的微生物学厌氧消化过程的微生物学 水解酸化菌群水解酸化菌群 将大分子不溶性有机物在水解酶的催化作用下水解成小分将大分子不溶性有机物在水解酶的催化作用下水解成小分子的水溶性有机物子的水溶性有机物 将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复杂的酶系统催化转将水解产物吸收进细胞
19、内，经细胞内复杂的酶系统催化转化，将一部分有机物转化为代谢产物，排入细胞外的水溶化，将一部分有机物转化为代谢产物，排入细胞外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反应的细菌群可利用的基质液里，成为参与下一阶段生化反应的细菌群可利用的基质 产氢产乙酸菌群产氢产乙酸菌群 将第一阶段产生的有机代谢产物，如三碳及三碳以上的直将第一阶段产生的有机代谢产物，如三碳及三碳以上的直链脂肪酸、二碳及二碳以上的醇、酮和芳香族有机酸等转链脂肪酸、二碳及二碳以上的醇、酮和芳香族有机酸等转化为甲烷化为甲烷 Founded in 189540/93 同型产乙酸菌群同型产乙酸菌群 混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也
20、能混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸利用分子氢和二氧化碳产生乙酸 产甲烷菌群产甲烷菌群 参与厌氧消化的最后一类也是最重要的一类细菌群参与厌氧消化的最后一类也是最重要的一类细菌群 细胞壁中缺少肽聚糖，而含有多糖、多肽或多肽多糖的细胞壁中缺少肽聚糖，而含有多糖、多肽或多肽多糖的囊状物囊状物 从分类学上属于古细菌从分类学上属于古细菌 已分离得到约已分离得到约40余种，常见的有产甲烷短杆菌属、产甲烷余种，常见的有产甲烷短杆菌属、产甲烷杆菌属、产甲烷球菌属、产甲烷螺菌属、产甲烷八叠球菌杆菌属、产甲烷球菌属、产甲烷螺菌属、产甲烷八叠球菌属和产甲烷丝菌属属和产甲烷
21、丝菌属 能利用的能源物质有氢气能利用的能源物质有氢气/二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺基二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺基类和乙酸类和乙酸 Founded in 189541/93实际应用实际应用 发酵原料易得，小型化甲烷生产不必使用复杂的发酵工艺发酵原料易得，小型化甲烷生产不必使用复杂的发酵工艺和设备和设备 大规模甲烷生产需要对发酵参数进行严格控制，以获得最大规模甲烷生产需要对发酵参数进行严格控制，以获得最大甲烷产量大甲烷产量 农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量 Founded in 189542/934 生产可生物降解塑料生产可生物降解塑料PHAs 可降解塑料的分
22、类可降解塑料的分类 以聚以聚-羟基烷酸（羟基烷酸（PHAs）为原料制造的新型塑料，）为原料制造的新型塑料，可被多种微生物完全降解，应用前景乐观可被多种微生物完全降解，应用前景乐观 Founded in 189543/93PHAs的结构的结构Founded in 189544/93PHAs的特点的特点 多种微生物能在体内累积多种微生物能在体内累积PHAs作为碳源和能源的储作为碳源和能源的储存物存物 羟基的手性决定了羟基的手性决定了PHAs具有光学活性，仅以具有光学活性，仅以R构型构型稳定存在稳定存在 大多数大多数PHAs的物理化学性质是针对于的物理化学性质是针对于PHB（聚（聚-羟羟基丁酸基丁酸
23、）和）和PHBV（-羟基丁酸和羟基丁酸和-羟基戊酸的共聚羟基戊酸的共聚物物）两种聚合物进行的）两种聚合物进行的 Founded in 189545/93PHAs和聚丙烯的性能比较和聚丙烯的性能比较Founded in 189546/93PHAs的用途的用途Founded in 189547/93PHAs的优缺点的优缺点 优点是优点是 生物可降解性，不污染环境生物可降解性，不污染环境 生物相容性，可用于医学材料生物相容性，可用于医学材料 缺点是缺点是 熔化稳定性较差，可通过发酵过程中加入其他单体以合成熔化稳定性较差，可通过发酵过程中加入其他单体以合成共聚体解决共聚体解决 易发脆，可通过淬火处理较
24、大程度的解决易发脆，可通过淬火处理较大程度的解决 Founded in 189548/93合成合成PHAs的主要微生物的主要微生物 1925年，年，Lemoigne从巨大芽孢杆菌中分离并鉴定了从巨大芽孢杆菌中分离并鉴定了PHB，褐球固氮菌也可产生，褐球固氮菌也可产生PHB 1974年，年，Wallen和和Rohwedder从活性污泥的氯仿萃取从活性污泥的氯仿萃取液中得到了其他羟基烷酸单体和杂聚体液中得到了其他羟基烷酸单体和杂聚体 1983年，专利报道可用微生物直接合成年，专利报道可用微生物直接合成PHBV共聚物共聚物 目前发现的能够生产目前发现的能够生产PHAs的微生物包括光能和化能的微生物包
25、括光能和化能自养及异养菌，计自养及异养菌，计65个属中的近个属中的近300种微生物种微生物 研究较多的有产碱杆菌属、固氮菌属和红螺菌属等研究较多的有产碱杆菌属、固氮菌属和红螺菌属等 Founded in 189549/93产产PHAs的商业化菌株的商业化菌株 应具备的基本性能应具备的基本性能 有对廉价碳源的利用能力有对廉价碳源的利用能力 生长速度快生长速度快 对底物转化率高对底物转化率高 胞内聚合物含量高胞内聚合物含量高 聚合物分子质量大聚合物分子质量大 目前成功应用的菌株主要是真养产碱杆菌目前成功应用的菌株主要是真养产碱杆菌（Alcaligenes eutrophus）对菌种的改良集中在重组
26、对菌种的改良集中在重组E.coli中进行中进行 Founded in 189550/93A.Eutrophus和重组和重组E.coli生产生产PHB的比较的比较Founded in 189551/93PHB的合成途径及关键酶的合成途径及关键酶 大多数微生物通过三步合成途径合成大多数微生物通过三步合成途径合成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 在依赖在依赖NADPH的乙酰乙酰的乙酰乙酰CoA还原酶的作用下把乙酰乙酰还原酶的作用下把乙酰乙酰CoA还原成还原成D-(-)-3-羟基丁酰羟基丁酰CoA 单体的单体的D-(-)-3-羟基丁酰羟基丁酰CoA由由PH
27、B聚合酶催化聚合生成聚合酶催化聚合生成PHB Founded in 189552/93从从乙酰乙酰CoA合成合成PHB的三种途径的三种途径Founded in 189553/93PHB生物合成中几种酶的动力学特性参数生物合成中几种酶的动力学特性参数Founded in 189554/93 某些微生物中同时存在五步合成途径某些微生物中同时存在五步合成途径 -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 依赖依赖NADPH的乙酰乙酰的乙酰乙酰CoA还原酶催化还原酶催化L-(+)-3-羟基丁酰羟基丁酰CoA的形成的形成 L-(+)-3-羟基丁酰羟基丁酰CoA经过两个立体专一的
28、烯酰基经过两个立体专一的烯酰基CoA水合水合酶先后作用而转变成酶先后作用而转变成D-(-)-3-羟基丁酰羟基丁酰CoA 单体的单体的D-(-)-3-羟基丁酰羟基丁酰CoA由由PHB聚合酶催化聚合生成聚合酶催化聚合生成PHB PHA聚合酶是关键酶聚合酶是关键酶 Founded in 189555/93从不同的底物合成从不同的底物合成PHAs的途径的途径Founded in 189556/93PHAs生产工艺生产工艺细菌发酵生产细菌发酵生产PHB 细菌发酵生产细菌发酵生产PHB 尽可能提高细胞密度尽可能提高细胞密度 保证高的胞内累积量保证高的胞内累积量 缩短发酵周期以提高生产强度缩短发酵周期以提高
29、生产强度 多采用流加培养多采用流加培养 自然条件下，产自然条件下，产PHB的细菌中的细菌中PHB含量为含量为1%-3%，控制发酵条件下，控制发酵条件下，PHB含量可达细胞干重的含量可达细胞干重的70%-80%细菌发酵生产价格较高，在医药业有市场细菌发酵生产价格较高，在医药业有市场 Founded in 189557/93PHB生产比较生产比较Founded in 189558/93细菌发酵需要解决的问题细菌发酵需要解决的问题 定向育种，提高菌种底物转化率和生长速度定向育种，提高菌种底物转化率和生长速度 控制聚合物分子质量分布控制聚合物分子质量分布 提高提取过程的收率和产品纯度，采用非有机溶剂提
30、高提取过程的收率和产品纯度，采用非有机溶剂提取产物以降低污染提取产物以降低污染 聚合物分子设计、修饰和共混加工技术等缩小聚合聚合物分子设计、修饰和共混加工技术等缩小聚合物和化工合成塑料的性能差异物和化工合成塑料的性能差异 优化流加发酵技术优化流加发酵技术 重组重组E.coli等使其获得等使其获得PHB发酵能力发酵能力 Founded in 189559/93发酵法生产发酵法生产PHB工业化需具备的条件工业化需具备的条件Founded in 189560/93PHAs生产工艺生产工艺植物生产植物生产PHB 1992年美国科学家首次进行了植物生产年美国科学家首次进行了植物生产PHB的尝试的尝试 F
31、ounded in 189561/93各种各种PHB提取方法的比较提取方法的比较Founded in 189562/93PHAs合成的代谢工程策略合成的代谢工程策略Founded in 189563/93微生物合成微生物合成PHA的代谢机理及关键酶的代谢机理及关键酶Founded in 189564/93PHB的降解及的降解及PHB解聚酶解聚酶 一般在厌氧污水中降解最快，在海水中降解最慢一般在厌氧污水中降解最快，在海水中降解最慢 PHB的生物降解机制的生物降解机制 PHB表面的表面的-OH和和-COOH基团数量增加基团数量增加 细菌解聚反应，酶将高聚物降解成单体细菌解聚反应，酶将高聚物降解成单
32、体 分解产物有分解产物有-羟基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸，在有羟基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸，在有氧条件下大多被氧化成为二氧化碳和水氧条件下大多被氧化成为二氧化碳和水 较低的较低的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 189565/93PHB生产的前景及展望生产的前景及展望 PHB本身有缺陷性，如低的热稳定性、硬脆性等，本身有缺陷性，如低的热稳定性、硬脆性等，共聚物的韧性也有待提高共聚物的韧性也有待提高 生产生产PHB的关键在于产量提高的关键在于产量提高 目前目前PHB及其共聚物的生产仍以发酵为主，价格昂及其共聚物的
33、生产仍以发酵为主，价格昂贵，贵，DNA重组技术可使其生产价格得到下降重组技术可使其生产价格得到下降 转基因植物生产转基因植物生产PHB的成功，有望使其价格降至石的成功，有望使其价格降至石油产品聚乙烯的水平，前景乐观油产品聚乙烯的水平，前景乐观 Founded in 189566/93生物技术生产生物技术生产PHAs的不同策略的不同策略Founded in 189567/935 生产单细胞蛋白生产单细胞蛋白 单细胞蛋白（单细胞蛋白（single cell protein,SCP）是通过培养单）是通过培养单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物蛋白，细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物蛋白，
34、包括细菌、放线菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和包括细菌、放线菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等微型藻类等 可利用各种废物，如碳水化合物、碳氢化合物、石可利用各种废物，如碳水化合物、碳氢化合物、石油加工副产品等，在适宜的培养条件下生产微生物油加工副产品等，在适宜的培养条件下生产微生物蛋白蛋白 营养丰富，蛋白质含量高达营养丰富，蛋白质含量高达40%80%，含有多种，含有多种氨基酸、维生素、脂类、矿物质、碳水化合物等氨基酸、维生素、脂类、矿物质、碳水化合物等 Founded in 189568/93微生物与动物生产蛋白质速率的比较微生物与动物生产蛋白质速率的比较 农业、林产或家畜工业的废弃物，甘
35、蔗、甜菜糖厂农业、林产或家畜工业的废弃物，甘蔗、甜菜糖厂的废糖蜜，造纸厂的亚硫酸盐废液，纤维素水解液，的废糖蜜，造纸厂的亚硫酸盐废液，纤维素水解液，酒精废液，食品发酵废液等均可用作原料酒精废液，食品发酵废液等均可用作原料 Founded in 189569/93单细胞的化学组成（干物质）单细胞的化学组成（干物质）微生物菌体的微生物菌体的70%85%为水分，干物质中的主要为水分，干物质中的主要成分是糖类、蛋白质、核酸、脂类及灰分成分是糖类、蛋白质、核酸、脂类及灰分 Founded in 189570/93微生物细胞和传统食品中的氮含量和蛋白质含量微生物细胞和传统食品中的氮含量和蛋白质含量Foun
36、ded in 189571/93干酵母中典型氨基酸组成干酵母中典型氨基酸组成Founded in 189572/93酵母的典型元素组成酵母的典型元素组成Founded in 189573/93细菌、真菌和藻类生产的单细胞蛋白组分的比较细菌、真菌和藻类生产的单细胞蛋白组分的比较Founded in 189574/93黑曲霉细胞的氨基酸含量与黑曲霉细胞的氨基酸含量与FAO标准非常相符标准非常相符Founded in 189575/93生产单细胞蛋白的微生物生产单细胞蛋白的微生物Founded in 189576/93生产单细胞蛋白的微生物生产单细胞蛋白的微生物Founded in 189577/9
37、3藻类、细菌和真菌生产单细胞蛋白各种参数比较藻类、细菌和真菌生产单细胞蛋白各种参数比较Founded in 189578/93生产单细胞蛋白的微生物优缺点生产单细胞蛋白的微生物优缺点 细菌：生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和细菌：生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和烃类，但细菌个体小，分离困难，且蛋白质不如酵烃类，但细菌个体小，分离困难，且蛋白质不如酵母菌易于消化吸收母菌易于消化吸收 丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量较低较低 藻类：缺点是其纤维质的细胞壁不易为人体消化藻类：缺点是其纤维质的细胞壁不易为人体消化 酵母：个体大，易于分离
38、、回收，且蛋白质易于吸酵母：个体大，易于分离、回收，且蛋白质易于吸收，目前生产上采用较多收，目前生产上采用较多 Founded in 189579/93微生物生产单细胞蛋白的优点总结微生物生产单细胞蛋白的优点总结 生长速率快，倍增时间为几个小时生长速率快，倍增时间为几个小时 容易进行遗传操作，宜于大规模筛选和转基因技术容易进行遗传操作，宜于大规模筛选和转基因技术实施实施 蛋白质含量高，营养价值高蛋白质含量高，营养价值高 能在相对小的连续发酵反应器中大量培养，占地小，能在相对小的连续发酵反应器中大量培养，占地小，不依赖气候不依赖气候 培养基来源广泛，低廉，可利用废料培养基来源广泛，低廉，可利用废
39、料 Founded in 189580/93用于生产用于生产SCP的常见废弃物的常见废弃物 农业废弃物，需经粉碎、碱处理以提高可消化性农业废弃物，需经粉碎、碱处理以提高可消化性 烃类及其衍生物，包括石油烃、天然气及其氧化物如甲醇、烃类及其衍生物，包括石油烃、天然气及其氧化物如甲醇、乙醇、乙酸等乙醇、乙酸等 高浓度有机废水，如造纸工业的亚硫酸盐纸浆废液、制糖工高浓度有机废水，如造纸工业的亚硫酸盐纸浆废液、制糖工业废水、酿造业废水、乳品工业废水、屠宰场废水等业废水、酿造业废水、乳品工业废水、屠宰场废水等 固体废弃物，包括城市有机垃圾、造纸厂废弃物、酿造废弃固体废弃物，包括城市有机垃圾、造纸厂废弃物
40、、酿造废弃物酒糟、水产加工废弃物，食品加工中的废物等物酒糟、水产加工废弃物，食品加工中的废物等 工业废气，如工业上排放的二氧化碳可用于培养藻类；石油工业废气，如工业上排放的二氧化碳可用于培养藻类；石油加工厂废气中的烷烃，可先转化成酒精、甲醇、乙酸等，再加工厂废气中的烷烃，可先转化成酒精、甲醇、乙酸等，再用于生产用于生产SCP Founded in 189581/93利用有机废料生产单细胞蛋白利用有机废料生产单细胞蛋白Founded in 189582/93利用有机废料生产单细胞蛋白利用有机废料生产单细胞蛋白Founded in 189583/93单细胞蛋白生产工艺单细胞蛋白生产工艺 1.亚硫酸
41、盐纸浆废液生产亚硫酸盐纸浆废液生产SCP 废液中含有废液中含有 不同磺化程度的与高分子聚合的木质磺酸不同磺化程度的与高分子聚合的木质磺酸 半纤维素分解的产物半纤维素分解的产物 以单糖及多糖解聚的中间物的形态而存在的纤维素以单糖及多糖解聚的中间物的形态而存在的纤维素 挥发性有机酸（甲酸、乙酸）挥发性有机酸（甲酸、乙酸）酒精（乙醇、甲醇）酒精（乙醇、甲醇）树脂，糖醛等树脂，糖醛等 有机物含量达有机物含量达87%-90%，其中糖占，其中糖占22%-28%Founded in 189584/93Pekilo工艺流程工艺流程Founded in 189585/93 2.Waterloo单细胞蛋白生物转化
42、法单细胞蛋白生物转化法 采用纤维质为底物采用纤维质为底物 生产的为真菌蛋白生产的为真菌蛋白 生产费用低生产费用低 Founded in 189586/93Waterloo单细胞蛋白生物转化的综合流程图单细胞蛋白生物转化的综合流程图Founded in 189587/93降低单细胞蛋白中核酸含量的方法降低单细胞蛋白中核酸含量的方法Founded in 189588/93 3.其他工艺其他工艺 利用城市垃圾生产单细胞蛋白利用城市垃圾生产单细胞蛋白 Founded in 189589/93 利用动物饲养场废料生产单细胞蛋白利用动物饲养场废料生产单细胞蛋白 Founded in 189590/93单细
43、胞蛋白生产中应该考虑的问题单细胞蛋白生产中应该考虑的问题 降低核酸含量，以免尿酸积累过高影响健康降低核酸含量，以免尿酸积累过高影响健康 检测可能含有毒物质的存在（重金属、生物毒素等）检测可能含有毒物质的存在（重金属、生物毒素等）微生物的可消化性好，营养价值高微生物的可消化性好，营养价值高 相较大豆蛋白而言较为昂贵，进一步降低成本相较大豆蛋白而言较为昂贵，进一步降低成本 Founded in 189591/93单细胞蛋白的安全性评价单细胞蛋白的安全性评价 FAO，WHO，ISO均建立了单细胞蛋白委员会，制均建立了单细胞蛋白委员会，制定评价标准定评价标准 生产用菌株不能是致病菌生产用菌株不能是致病
44、菌 不产生毒素不产生毒素 生产原料有一定要求，如石油原料中芳香烃的含量、农产生产原料有一定要求，如石油原料中芳香烃的含量、农产品中重金属和农药残留品中重金属和农药残留 培养过程无污染，无溶剂残留和热损害培养过程无污染，无溶剂残留和热损害 最终产品无致病菌，无活细胞，无原料和溶剂残留最终产品无致病菌，无活细胞，无原料和溶剂残留 动物实验动物实验+临床实验临床实验 Founded in 189592/93单细胞蛋白的营养性评价单细胞蛋白的营养性评价SCPSCP粗蛋白质含量与氨基酸组成粗蛋白质含量与氨基酸组成 Founded in 189593/93 生物价：被生物吸收的蛋白质与留在动物体内的供生长和生物价：被生物吸收的蛋白质与留在动物体内的供生长和维持生命部分的比例，其值越高蛋白质质量越高维持生命部分的比例，其值越高蛋白质质量越高
