第14章利用细菌生产生物燃料的脂质段愿教程.doc

PAGE  PAGE 171 第十四章 利用细菌生产生物燃料的脂质 摘要 由于能源价格的上涨导致了化石能源的短缺和环保意识的增强，使得从可再生资源中获取生物能源的需求急剧增加，特别是原油的需求。人们希望保留其流动性而不是旨在通过大规模的环境、经济和社会矛盾方面所付出的代价。因此，生物燃料的生产是很有前途的解决方案。本章节将讨论的是用作生物燃料的油脂的菌类产物。例如脂肪酸甲基酯乙基酯这些酯基代替品，通常指定为生物柴油；这些酯表现出一些优良特征，例如可生物降解，无毒，含硫量低和含芳香化合物少。现在，各类的植物油通过化学上的碱性催化或者酶催化的酯交换反应生产的生物柴油，已经被广泛的作为可再生能源使用。用存在于细胞内作为化合物的储存的微生物来源油来代替植物油的使用。在本章我们将会着重介绍体内脂质的合成和细菌的生产，同样也会引入细菌酰基转移酶——对于甘油三酯和蜡酯生物合成的关键酶。我们将会回顾尝试在大肠杆菌菌株中建立脂肪酸乙酯的形成和讨论这个所谓微生物柴油的前景。 前言 生物技术生产的在细菌中存储的化合物，例如 HYPERLINK /search/zh/%E8%81%9A%E7%BE%9F%E9%93%BE%E7%83%B7%E9%85%B8 聚羟基脂肪酸，特别是由于其可以生物降解使得利用率大大增加。一个突出的例子是3－羟基丁酸和3－羟基戊酸的共聚物，被英国帝国化学工业公司用做商业开发而且以“Biopol”为名字在市场上销售。除了这些已经被调查出的细菌储存化合物，其它细胞内的储存化合物，例如藻青素，三酰基甘油和蜡酯已经成为了科学和生物工程上的青睐物。由于公众意识到石油储量正在递减，石油燃料气体排放造成的环境恶化后果，能源价格特别是原油价格的上涨以及环保意识的提高使得燃料的代替品受到越来越广泛的关注。因此，生物燃料的密集研究特别是生物柴油的研究已经开始进行。生物柴油具有许多优良的特征，比如它的可生物降解性，无毒性，含硫量低，含芳香化合物少以及由于它所获得的可再生资源表现出的环境友好性。一般来说，三酰基甘油和游离脂肪酸分别通过酯交换（图14.1A）和酯化作用（图14.1B）和短链醇（例如甲醇）反应生产出生物柴油，例如脂肪酸甲酯和副产品甘油。酸根的长度取决于经常以三酰基甘油为代表的脂质的生物来源。来自不同来源的三酰基甘油作为替代燃料用于柴油机中在许多研究中都有描述。 A H2C—OCO—R1 催化 R1—OCO—R‵ H2C—OH HC—OCO—R2 ＋ R‵—OH R2—OCO—R‵ ＋ HC—OH H2C—OCO—R3 酯交换 R3—OCO—R‵ H2C—OH 三酰基甘油 脂质 甘油 B 催化 HOOC—R4 ＋ R‵—OH R4 —OCO—R‵ ＋ H2O 脂肪酸 醇类 酯化作用 脂质 水 图14.1 三酰基甘油和游离脂肪酸分别通过酯交换（A）和酯化作用（B）和短链醇反应生产出生物柴油。R1到R4代表脂肪酸侧链，R‵代表醇侧链。 除了蜡酯和甾基酯外，三酰基甘油还作为中性脂质出现在植物、动物、酵母菌、真菌和细菌内。在植物中，三酰基甘油作为细胞内主要的储存脂质出现在种子里。有趣地是，希蒙得木种子以长链蜡酯为储存脂质。动物身体细胞内脂质的主要组分是三酰基甘油和甾基酯，主要发生在肝细胞和脂肪细胞中。积累于酵母菌和丝状真菌中的脂质体类似于那些存在于植物和动物内的脂质。细菌同样储存了相当数量的脂质比如三酰基甘油和甾基酯。 因此，生物柴油可以通过油的来源和通过酯交换过程中的催化剂划分为：（1）植物油、动物油、微生物油或废油脂与脂肪同石化甲醇进行酯交换过程；（2）植物油、动物油、微生物油或废油脂与脂肪通过脂肪酶、整个细胞或者生化醇类、石化醇类进行生物催化进行的酯交换过程；（3）微生物生物柴油产品，包括通过酯交换过程后醇类的合成。最后一种是自从Kalscheuer等等报道其合成而广受关注从而被人认知的微生物柴油。 碱+甲醇 脂肪酸甲酯 净化 生物柴油 （上层） 植物，动物，微生物废油脂 反应产物 酯交换 A 固定化或者来自细菌酵母菌真菌的游离脂肪酶醇类 甘油 甘油 （下层） 回收 FAAE 净化 生物柴油 （上层） 反应产物 酯交换 植物，动物，微生物废油脂 甘油 甘油 （下层） B 基体培养 脂肪酸乙酯的提取与纯化 生物量 FAAE 油脂或脂肪酸葡