有机废弃物的资源化能源材料蛋白.ppt

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1、Founded in 1895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1Founded in 18951 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，发酵微生物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（胞催化反应的酶是蔗糖水解酶（胞外酶）和酒化酶（胞内酶）内酶）目前研究集中在纤维素生物质（农林废弃物和城市固目前研究集中

2、在纤维素生物质（农林废弃物和城市固体垃圾）发酵产乙醇体垃圾）发酵产乙醇 2Founded in 1895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3Founded in 1895微生物发酵生产乙醇的原料微生物发酵生产乙醇的原料4Founded in 1895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：去除木预处理：去除木质素、溶解半纤质素、溶解半纤维素或破坏纤维维素或破坏纤维素的晶体结构，素的晶体结构，以利于水解以利于水解 用纤维素酶和半用纤维素酶和半纤维素酶水解糖纤维素酶水解糖化，生成可发酵化，生成可发酵的糖类的糖类 糖发酵生产乙醇糖发酵生产乙醇 5Founded in

3、 1895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 6Founded in 1895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7Founded in 1895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多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单元聚体，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

4、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 8Founded in 1895木木质质素素的的结结构构9Founded in 1895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体半纤维素是由五碳糖和六碳糖组成的短链异源多聚体 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）和三种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）六碳糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖）一般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

5、 10Founded in 1895半纤维素的基本结构半纤维素的基本结构11Founded in 1895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体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，无还原性结构的纤维素束，结构稳定，不溶于水，无还原性 常用的水解催化剂是无机酸和纤维素酶，对应酸水解常用的水解催化剂是无机酸和纤维素酶，对应酸水解工艺和酶水解工艺工艺和酶水解工艺 水解生成葡萄糖水解生成葡萄糖

6、12Founded in 1895纤维素的结构纤维素的结构13Founded in 1895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理蒸汽爆裂法、稀酸预处理等都是较成熟可行的预处理技术技术 没有普遍适用的预处理方法没有普遍适用的预处理方法 14Founded in 1895预预处处理理方方法法比比较较15Founded in

7、 1895预预处处理理方方法法比比较较16Founded in 1895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，但酶成本较高，酶水解可常压进行，产率高，污染低，但酶成本较高，限制了其工业应用限制了其工业应用 17Founded in 1895纤维素的水解和脱羧反应纤维素的水解和脱羧反应18Founded in 1895纤维素的水解

8、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-葡萄糖葡萄糖水解水解酶酶）、）、外切葡聚糖外切葡聚糖酶（酶（1,4-D-葡萄糖葡萄糖纤维二糖水解二糖水解酶酶）和）和-葡葡萄糖苷萄糖苷酶酶等等多多组分分酶酶系系 19Founded in 1895产纤维素酶的微生物产纤维素酶的微生物20Founded in 1895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，前纤维素生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，较者是酶促反应，是限速步骤，后者是微生物反应，较为成熟为成熟 纤维

9、素糖化过程中，纤维二糖、葡萄糖等酶解产物的纤维素糖化过程中，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，导致反应速率下不断累积，会抑制纤维素酶的活性，导致反应速率下降降 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 21Founded in 1895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 22Founded in 1895直接微生物转化法（直接微生物转化法（DMC）同一微生物

10、完成纤维素的水解、糖化和乙醇发酵的生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行，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度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的微生物 混菌发酵产量较低，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 23Founded in 1895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

11、养生产乙醇24Founded in 1895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连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，实际采用主要问题是水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

12、温发酵的问题 25Founded in 189526Founded in 1895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 27Found

13、ed in 1895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28Founded in 18952 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 29Founded in 1895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 30Founded in 1895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

14、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 31Founded in 1895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 32Founded in 1895NADH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+

15、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 33Founded in 1895不同废水产氢结果不同废水产氢结果34Founded in 1895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 35Founded in 18953 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

16、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 36Founded in 1895同型产乙酸菌利同型产乙酸菌利用氢气将重碳酸盐用氢气将重碳酸盐还原生成乙酸还原生成乙酸 简单有机物氧化简单有机物氧化为重碳酸盐和乙酸，为重碳酸盐和乙酸，参与的细菌为硝酸

17、参与的细菌为硝酸盐还原菌和硫酸盐盐还原菌和硫酸盐还原菌还原菌 由硝酸盐还原菌由硝酸盐还原菌和硫酸盐还原菌将和硫酸盐还原菌将乙酸盐氧化为碳酸乙酸盐氧化为碳酸盐盐 37Founded in 1895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

18、30%30%38Founded in 1895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

19、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 39Founded in 1895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

20、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 40Founded in 1895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

21、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 41Founded in 18954 生产可生物降解塑料生产可生物降解塑料PHAs可降解塑料的分类可降解塑料的分类 以聚以聚-羟基基烷酸（酸（PHAs）为原料制造的新型塑料，原料制造的新型塑料，可被多种微生物完全降解，可被多种微生物完全降解，应用前景用前景乐观 42Founded in 1895PHAs的的结结构构43Founded in 1895PHAs的特点的特点多种微生物能在体内累积多种微生

22、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-羟基丁酸基丁酸）和）和PHBV（-羟基丁酸和基丁酸和-羟基戊酸的共聚基戊酸的共聚物物）两种聚合物进行的）两种聚合物进行的 44Founded in 1895PHAs和聚丙烯的性能比较和聚丙烯的性能比较45Founded in 1895PHAs的用途的用途46Founded in 1895PHAs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

23、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，可通过淬火处理较大程度的解决易发脆，可通过淬火处理较大程度的解决 47Founded in 1895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

24、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 48Founded in 1895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

25、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对菌种的改良集中在重组E.coli中进行中进行 49Founded in 1895A.Eutrophus和重组和重组E.coli生产生产PHB的比较的比较50Founded in 1895PHB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-酮裂解裂解酶酶催化乙催化乙酰CoA生成乙生成乙酰乙乙酰CoA 在依在依赖N

26、ADPH的乙的乙酰乙乙酰CoA还原原酶酶的作用下把乙的作用下把乙酰乙乙酰CoA还原成原成D-(-)-3-羟基丁基丁酰CoA 单体的体的D-(-)-3-羟基丁基丁酰CoA由由PHB聚合聚合酶酶催化聚合生成催化聚合生成PHB 51Founded in 1895从从乙乙酰酰CoA合合成成PHB的的三三种种途途径径52Founded in 1895PHB生生物物合合成成中中几几种种酶酶的的动动力力学学特特性性参参数数53Founded in 1895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-酮裂解裂解酶酶催化乙催化乙酰CoA生成乙生成乙酰乙乙酰CoA 依依赖NADPH的乙的乙酰

27、乙乙酰CoA还原原酶酶催化催化L-(+)-3-羟基丁基丁酰CoA的形成的形成 L-(+)-3-羟基丁基丁酰CoA经过两个立体两个立体专一的一的烯酰基基CoA水合水合酶酶先后作用而先后作用而转变成成D-(-)-3-羟基丁基丁酰CoA 单体的体的D-(-)-3-羟基丁基丁酰CoA由由PHB聚合聚合酶酶催化聚合生成催化聚合生成PHB PHA聚合聚合酶酶是关是关键酶酶 54Founded in 1895从从不不同同的的底底物物合合成成PHAs的的途途径径55Founded in 1895PHAs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

28、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 56Founded in 1895PHB生产比较生产比较57Founded in 1895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

29、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，采用非有机溶剂提提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物聚合物分子设计、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 58Founded in 1895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59Founded in 1895PHAs生产工艺生产工艺植物生产植物生产PHB1992年美国科学家首次进行

30、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 60Founded in 1895各种各种PHB提取方法的比较提取方法的比较61Founded in 1895PHAs合合成成的的代代谢谢工工程程策策略略62Founded in 1895微微生生物物合合成成PHA的的代代谢谢机机理理及及关关键键酶酶63Founded in 1895PHB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

31、单体细菌解聚反应，酶将高聚物降解成单体 分解产物有分解产物有-羟基丁酸、乙基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸，在有乙酸和少量乙酸，在有氧条件下大多被氧化成氧条件下大多被氧化成为二氧化碳和水二氧化碳和水 较低的低的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解聚解聚酶酶 64Founded in 1895PHB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

32、价格昂及其共聚物的生产仍以发酵为主，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 65Founded in 1895生物技术生产生物技术生产PHAs的不同策略的不同策略66Founded in 18955 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）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，单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物

33、蛋白，包括细菌、放线菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和微包括细菌、放线菌中的非病原菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等型藻类等 可利用各种废物，如碳水化合物、碳氢化合物、石油可利用各种废物，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蛋白加工副产品等，在适宜的培养条件下生产微生物蛋白 营养丰富，蛋白质含量高达营养丰富，蛋白质含量高达40%80%，含有多种氨，含有多种氨基酸、维生素、脂类、矿物质、碳水化合物等基酸、维生素、脂类、矿物质、碳水化合物等 67Founded in 1895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，甘蔗

34、甜菜糖厂的农业、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，酒废糖蜜，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精废液，食品发酵废液等均可用作原料 68Founded in 1895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，干物质中的主要成为水分，干物质中的主要成分是糖类、蛋白质、核酸、脂类及灰分分是糖类、蛋白质、核酸、脂类及灰分 69Founded in 1895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70Founded i

35、n 1895干酵母中典型氨基酸组成干酵母中典型氨基酸组成71Founded in 1895酵母的典型元素组成酵母的典型元素组成72Founded in 1895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73Founded in 1895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74Founded in 1895生产单细胞蛋白的微生物生产单细胞蛋白的微生物75Founded in 1895生产单细胞蛋白的微生物生产单细胞蛋白的微生物76Founded in 1895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

36、真菌生产单细胞蛋白各种参数比较77Founded in 1895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，能利用糖类和烃细菌：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，且蛋白质不如酵母菌类，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，蛋白质含量较丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量较低低 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、回收，且蛋白质易于吸收，酵母：个体大，易于分离、回收，且蛋白质

37、易于吸收，目前生产上采用较多目前生产上采用较多 78Founded in 1895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实容易进行遗传操作，宜于大规模筛选和转基因技术实施施 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，可利用废料 79Founded in 1895用于生产用于生产SCP的常见废弃物

38、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、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

39、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 80Founded in 1895利利用用有有机机废废料料生生产产单单细细胞胞蛋蛋白白81Founded in 1895利利用用有有机机废废料料生生产产单单细细胞胞蛋蛋白白82Founded in 1895单细胞蛋白生产工艺单细胞蛋白生产工艺1.亚硫酸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

40、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%83Founded in 1895Pekilo工艺流程工艺流程84Founded in 18952.Waterloo单细胞蛋白生物转化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

41、85Founded in 1895Waterloo单单细细胞胞蛋蛋白白生生物物转转化化的的综综合合流流程程图图86Founded in 1895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87Founded in 18953.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 88Founded in 1895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 89Founded in 1895单细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

42、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 90Founded in 1895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 91Founded in 1895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 92Founded in 1895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 93