微生物与生物能源.doc

微生物与生物能源的研究现状微生物与生物能源的研究现状摘要：对当今世界及中国的能源现状进行概括的总结，了解世界及中国能源的现状和面临的困难。分析微生物资源各种状态以及其发展，微生物与生物能源的关系。概括能源性微生物的种类，其产生能源的原理；综述常见的生物能源如燃料酒精、生物柴油和生物制氢的应用和开发现状。总结微生物能源在未来可以解决的能源问题，展望微生物能源的未来发展前景。关键词：能源现状微生物生物能源可再生能源燃料酒精生物柴油生物制氢 发展环保社会发展工业进程1当今世界及中国的能源状况。煤炭、石油、天然气，是当前人类生活中的主要能源。随着人类社会的发展和生活水平的提高，需要消耗的能量日益增多。可是这些大自然恩赐的能源物质是通过千万年的地壳变化而逐渐积累起来的，数量虽大，但毕竟有限。何况由于人类不合理得利用和开采这些资源，使不少的资源白白浪费。石油大战，煤炭争端以使世界的能源局势趋于更加不安定的状态，两伊战争，伊拉克战争这些地区的争端都显现出人类为了生存，为了自身国家的发展对短缺能源的争端越来越明显。而工业需要发展，人类需要进步，当今摆在人类面前的矛盾就是：人类对能源需求日益增加与世界能源日益减少的矛盾。人类生活中的主要能源在日益减少的同时摆在人类面前的还有由其引发地另一大难题：能源燃烧引发的环境污染问题。众所周知，煤炭和石油的燃烧会产生二氧化碳和其他的一些废弃物对环境造成很大的污染，对地球的长久发展造成很大的威胁。工业对燃料的需求越来越大，虽然各国都采取了一系列的措施减少废气物体的排放，但是由于各国经济实力的悬殊，尤其在发展中国家很少能够做到对废弃物体的回收和处理，伴随着工业发展温室效应，工业污染，大气环境污染等问题也越来越严重。能源已成为一个制约我国经济迅速发展的瓶颈。2003 年我国已成为仅次于美国的世界第二大能源消耗国。2004 年,中国进口原油112 亿t 。原油进口已成为我国能源安全的重大隐患。预计2010 年我国的原油加工量将达到217亿t ,而原油产量不会超过117 亿t。我国目前已探明的石油储量只够30 年开采,煤储量可开采100 年左右。因此新型能源的开发不但对我国国民经济的发展有重要推动作用, 而且已成为我国国家安全必须考虑的问题。针对世界能源的结构现状以及其引发的一系列环境问题已经引起了世界各国广泛的关注，人类在不断的探索努力，希望可以找到或者研发出一些新的，可以再生的能源来补充人类的能源需求甚至代替原有的传统能源。一场能源改革革命呼之欲出。2微生物的主要作用以及其与生物能源的关系微生物和动物、植物一样，是自然界三大物种之一。只是因为微生物个体过于微小，而不像一般动物和植物那样易让人们感知它的存在和功能，这不仅影响了人们对微生物的正确认识，也阻碍了对微生物技术开发的支持和投入。但是随着人类科学的进步，对微生物的研究越来越深入，使微生物更加能为人类所用。当今社会中微生物在工业、农业、医药、食品、能源等领域中所发挥的作用愈来愈令人瞩目。尤其是循环经济的建设，将离不开微生物的参与及其应用技术的发展和创新。微生物在循环经济发展中，还扮演着另一种十分重要的角色-污水和垃圾的处理者。几乎所有的污水处理都是靠微生物的作用完成的。污水和污物处理中既需要微生物分解和除掉各种有害物质，此外，还要靠微生物进行除臭。污水与污物的处理速度、处理效果取决于微生物的种类和功能。因化肥、农药、除草剂过量使用，导致的农田土壤污染已成为重疴沉疾，而土壤污染带给水果、蔬菜、粮食的污染对人类造成的危害更不可低估。净化土壤，也要靠微生物发挥作用。 用微生物生产抗菌素、有机酸、氨基酸、多元醇、黄朊胺、多肽、酒类、酱油、醋的历史十分悠久，作为一个生物界别，它的开发前景是不可限量的。生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。能源微生物是指：以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物。从现今的研究现状来看：根据安斯沃思（Ainsworth ）的分类系统，运用世界上主要依据的伯杰（Bergeys 1923-1957）细菌鉴定法和洛德（Lodder 1970）的酵母菌等鉴定法分类鉴定表明，能源性微生物的主要种类是：甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷八叠菌属（Methanosarcina）、甲烷球菌属（Methanoccus）等。乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属（Saccharomyces）、裂殖酵母菌属（Schizosaccharomyces）、假丝酵母属（Candida）、球拟酵母属（Torulopsis）、酒香酵母属（Brettanomyces）、汉逊氏酵母属（Hansenula）、克鲁弗氏酵母属（Kluveromyces）、毕赤氏酵母属（Pichia）、隐球酵母属（Cryptococcus）、德巴利氏酵母属（Debaryomyces）、卵孢酵母属（Oosporium）、曲霉属（Aspengillus）等。氢气产生菌的主要种类有红螺菌属（Rhodospirillum）、红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、红微菌属（Rhodomicrobium）、荚硫菌属（Thiocapsa）、硫螺菌属（Thiospirillum）、闪囊菌属（Lamprocystis）、网硫菌属（Thiodictyon）、板硫菌属（Thiopedia）、外硫红螺菌属（Ectothiorhodospira）、梭杆菌属（Fusobacterium）、埃希氏菌属（Escherichia）、蓝细菌类等。3 如何将微生物转化为生物能源要将生物质转化为能源，最有效的途径是微生物发酵：一是沼气发酵。（甲烷产生菌）微生物可通过厌氧发酵，把多种生物质(包括动物食用生物质后转化的粪便等)转化为能燃烧的甲烷。我国地少人多，生态脆弱，推广沼气发酵，不仅可以解决农民的燃料问题，而且有利于农村粪便的处理和环境的改善。城市利用工厂废料和垃圾发酵沼气，除了清洁环境外，也可为城市提供一定的能源。南阳酒精厂利用酒糟生产的沼气，曾解决了半个南阳市居民的燃气问题。二是酒精发酵。（乙醇产生菌）酒精生产在中国已有上百年的历史。为了解决石油紧缺的难题，巴西从上世纪70年代就开始利用甘蔗榨汁为原料，通过微生物发酵生产酒精代替汽油，现在年产汽车酒精1000万吨。美国从1978年至今，已通过十多项法案，从能源、交通、税收、环保等方面对汽车使用酒精给予支持，用粮食和秸杆生产的酒精量已达512万吨。我国从2001年起在南阳、吉林、哈尔滨建设了以陈粮为原料的酒精生产工厂，总规模已接近100万吨。我国每年产生的秸杆等生物质高达11亿吨以上，但利用生物质生产酒精的技术，至今还没能进入生产实践。三是氢燃料的研发。（氢气产生菌）氢气是可用于汽车的新能源之一。用微生物发酵法生产氢的研究，上世纪 70年代就已经在日本起步，我国科学院微生物所、清华大学等研究机构和单位正在对这方面进行研究攻关。另外再现今的各种研究中我们还惊喜地发现，科学家们在利用电池制作的原理制造出了微生物电池。电池有很多种类，燃料电池是这个家族中的后起之秀。一般电池是由正极、负极、电解质三部分构成，燃料电池也是这样：让燃料在负极的一头发生化学反应，失去电子；让氧化剂在正极的一头发生反应，得到从负极经过导线跑过来的电子。同普通电池一样，这时候导线里就有电流通过。燃料电池可以用氢、联氨、甲醇、甲醛、甲烷、乙烷等作燃料，以氧气、空气、双氧水等为氧化剂。现在我们可以利用微生物的生命活动产生的所谓电极活性物质作为电池燃料，然后通过类似于燃料电池的办法，把化学能转换成电能，成为微生物电池。4.常见的生物能源如燃料酒精、生物柴油和生物制氢的应用和开发现状。1 燃料酒精燃料酒精是清洁汽油的主要代替物。美国在燃料酒精上投入大量的财力和物力。2001 年美国的乙醇产量为496 万t ,其中Archer Daniels Midland 公司占40 % ,Cargill 、Williams 能源、High Plaints、MidwestGrain Processors A.E.Staley 公司占17 % ,其他公司占43 %;2002 年又有10 套乙醇装置投产,增加能力93 万t/ a 。2003 年还有12 套装置投产,将使美国燃料乙醇的总装置力达到约840 万t/ a1 。巴西、美国早已成为发展燃料酒精的典范。目前,许多农业资源丰富的国家如英国、荷兰、德国、奥地利、泰国、南非的政府均已制定规划,积极发展燃料酒精工业。目前燃料酒精的生产方法根据原料区分有:糖类、谷物淀粉类和纤维素类。用糖类如糖蜜生产酒精是工艺最为简单、成本最为低廉的方法。目前在南美洲巴西、阿根廷等国广泛使用。以谷物淀粉作原料生产酒精是目前北美和欧洲等国广泛使用的方法,美国2002 年以淀粉为原料生产的酒精价格达到0126401396 美元/ L 。以植物秸秆等纤维素为原料生产酒精是最具挑战性的课题,也是美国能源部重点支持的项目,因为美国每年产生的生物质量达到218 亿t 。目前用纤维素制造乙醇的关键问题是纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。目前纤维素原料的预处理技术主要有化学法和酶法。化学法一般采用酸水解法。目前应用抗酸膜将纤维素物质酸解物中的糖和酸分离,一方面获得由纤维素降解产生的糖,另一方面则回收盐酸和硫酸。利用这一技术,从木材酸解生产葡萄糖的费用与淀粉水解生产葡萄糖的费用大体相当。酶法水解的关键是纤维素酶的成本。2001 年美国Iogen 公司在纤维素酶的开发上有了较大突破,建立了世界最大的纤维素处理装置。该实证装置处理量为112 万115 万t/ a ,燃料酒精产量为300 万400 万L/ a 。预计其成本可以降到0129 美元/ L ,可与以谷物淀粉为原料生产的酒精相竞争1 。利用秸秆等农作物发酵制备酒精的另一个问题是如何利用植物纤维原料中的戊糖(约占20 %30 %) 。20 世纪80 年代以前人们认为木糖(戊糖) 不能被酵母发酵,直到1980 年Wang 等提出木糖可以被一些微生物发酵生成酒精后,国际上掀起了一股木糖酒精发酵菌株的研究热潮,迄今已发现100 多种微生物可代谢木糖生成酒精,包括细菌、丝状真菌和酵母2 。特别是生物基因工程的发展,产生了大量可利用木糖的基因工程菌3 。人们对同时糖化与发酵( simultaneous saccharifi2cation and fermentation ,SSF) 的酒精生产工艺进行优化,在增加起始反应的细胞浓度方面效果显著,但在增加纤维素酶使用量方面成效甚微。Wu 等4 设计了一个非同温SSF 乙醇发酵生产工艺,可以节约纤维素酶30 %40 % ,同时酒精的产量和产率均显著提高。2 生物柴油生物柴油是采用来自动物或植物脂肪酸单酯包括脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯及脂肪酸丙酯等与甲醇(或乙醇) 经酯交换反应而得到的长链脂肪酸甲(乙)酯,是一种可以替代普通石油柴油的可再生的清洁燃料。和普通柴油相比,生物柴油具有以下优点:以可再生的动物及植物脂肪酸单酯为原料,可减少对石油的需求量和进口量;环境友好,采用生物柴油的尾气中有毒有机物、颗粒物和CO2 + CO 的排放量分别为普通柴油的10 %、20 %和10 % ,无SO2 和铅等有毒物的排放;混合生物柴油可将排放物的含硫体_积分数从500 10 - 6降低到5 10 - 65 。美国是最早研究生物柴油的国家,其总生产能力达30 万t/ a ,对生物柴油的税率为零。与普通柴油相比,目前使用生物柴油的主要问题是成本较高。为降低成本,在普通柴油中加入10 %20 %的纯生物柴油,如美国B20 混合生物柴油是添加20 %纯生物柴油的柴油,尾气污染物排放可降低50 %以上。1992 年美国能源部及环保局都提出以生物柴油作为燃料,克林顿总统1999 年专门签署了开发生物质能的法令,其中B20 混合生物柴油被列为重点发展的清洁能源之一。日本1995 年开始研究生物柴油,在1999 年建立了259 L/ d 用煎炸油为原料生产生物柴油的工业化实验装置,可降低原料成本。目前日本生物柴油年产量可达40 万t 。德国目前已拥有8 个生物柴油的工厂,2000 年生物柴油产量达25 万t ,拥有300 多个生物柴油加油站,并且制定了生物柴油的标准DIN V51606 ,对生柴油不收税。法国目前已拥有7 个生物柴油的企业。法国在Renault 车中进行了生物柴油的试验,通过10 万km的燃烧试验,证明生物柴油是可以用于普通柴油动机的,其使用的标准是在普通石油柴油中添加5 %的生物柴油。法国对生物柴油的税率为零。2001 年世界上生物柴油的产量已达200 万t 。主要分布在欧洲和美国等发达国家。目前生物柴油主要是用化学法生产,即用动物或植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在碱性催化剂及高温(230250 ) 条件下,酯交换生成长链脂肪酸甲(乙) 酯6 。普通的化学法合成生物柴油有以下缺点:工艺复杂,醇须过量,后续须有相应的醇回收装置,能耗高;色泽深,因脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；生成过程有废碱液排放。采用超临界体系可以直接反应,避免碱法容易皂化的问题7 。为解决上述问题,人们开始研究用生物酶法合成生物柴油,即动植物油脂和低碳醇通过脂肪酶进法合成生物柴油具有条件温和,醇用量小,无污染物排放等优点。日本的Yuji Shimada 等人利用Novozym 435( Candida Antarctica) 脂肪酶在分段反应器中通过流加甲醇生产生物柴油,产品中脂肪酸甲酯的体积分数可以达到93 %以上,并且经过100 天的反应,酶不会失活8 。我国目前生物柴油刚刚开始,其中北京化工大学开展的酶法合成生物柴油研究,采用自己开发的酵母脂肪酶, 其生物柴油转化率已达到96 % ,固定化酶半衰期达200 h 以上9 。酶法合成生物柴油的关键是高效的脂肪酶,表1 列出了主要的脂肪酶10 。表1 用于生物柴油合成的脂肪酶脂肪酶原料油反应形式转化率/ % 研究者专一性Candida Antarctica植物油固定床反应器,2 步转化9597Watanabe11 脂肪酶Candida Antarctica废油固定床反应器,2 步转化93Shimada 等8 Candida sp.豆油膜反应器,石油醚作溶剂96Tan10 Geotrichum candidum植物油固定床反应器62Okumura 等12 Cryptococcus spp. S - 2植物油搅拌式反应器8085Kamini 等13 1,3- 专一Rhizopus oryzae豆油游离酶反应90Kaieda 等14 性脂肪酶Rhizopus oryzae植物油固定化细胞反应器Ban 等15 P. cepacia植物油游离酶反应93Kaieda 等14 Rhizomucor mier (Lipozyme) 植物油固定床反应器92Selmi 等16 3 生物制氢氢气是目前最理想的清洁燃料之一。以氢气作为下一代能源替代品已成为许多汽车制造商如通用汽车(General Motors) 、奔驰(Benz) 等公司和石油生产商如壳牌(Shell) 等公司关注的热点。氢燃料电池电动汽车已投入市场。氢气的制备方法有太阳能制氢、水电解法制氢、天然气或工业尾气分离制氢和生物制氢等。目前工业化的制氢方法为天然气或尾气分离制氢和水电解法制氢。从目前世界氢产量来看,96 %是由天然的碳氢化合物如天然气、煤和石油产品中提取的,4 %是采用水电解法制取的。化学方法制氢要消耗大量的矿物资源,而且再生产过程中产生的污染物对地球环境造成破坏。利用生物方法进行氢气生产,受到世人关注。生物制氢包括生物质气化制氢和微生物发酵制氢2 种。利用生物质如秸秆等裂解气化制备氢气是一种非常有前景的氢气生产方法,目前国外已完成中试。微生物发酵制氢是另一种有前景的。氢气产生菌生产的能源物质氢气，目前主要是应用于燃料电池方面。由于许多自养性和异养性微生物产氢的机制和条件还在研究过程中，所以该类微生物能源的使用尚处于试验阶段。已有的研究结果表明，氢气产生菌在含有葡萄糖培养基的10 L发酵罐中，产H2速度最高可达1823Lh，并进而利用所产生的H2推动功率为3.13.5 V燃料电池的工作。4微生物能源的发展前景。微生物也就是我们熟知的细菌，通过科学家的研究和发展可以用来把各种各样的物质转化成我们开动汽车和给家庭供暖的燃料，甚至可以转化成我们的玩具所需要的电能。设想一下吧：手机永远也不会断电了，因为手机电池中的数百万个微小细菌不断咀嚼着丰盛的午餐，从而源源不断地释放出电能。这听起来太离谱了是吧？但是通过这些年的研究和发展我们非常愿意看到这样的事情发生，而且凭借当今的技术微生物转化为能源也不会是一件非常困难的事情。微生物能源具有了传统能源没有的价值，不论是它的含量还是对环境的影响，这样一种利用纯天然微生物自身的发酵产生的能源的燃烧产生的气体对地球的环境影响将比传统能源的影响小很多，而且由于地球上的微生物资源的数量巨大繁衍速度快，这些能源的源泉的保证使人类不用担心它会迅速的枯竭。所有这些能源科技会在未来某一天成为现实，这多亏了地球上的最小的生物-微生物孜孜不倦地工作。微生物能源转化是在类似科技中最快速的一种方法。在众多的微生物能源科技当中，微生物是用原始的有机物制造燃料的，也就是靠把存储在大量生物当中的化学能量以比如乙醇或氢气的形式释放出来。我国虽已探明煤储量6000亿t，石油70亿t，水力发电6.8亿kw，但由于1978年以来我国总的能源利用率已超过30，能源分布不均匀，能源产量低和农村能源供应短缺等因素，致使能源供应趋于紧张。开发利用微生物能源，在这方面可以起到显著的缓解作用。特别是在农村年产稻壳3225万t，玉米芯1250万t，甘蔗渣400万t，棉籽壳200万t，糠醛渣30万t，人畜粪便1380万t的条件下，可用微生物作用年产沼气达14.28108m3，相当于25.94106t标准煤，从而彻底改变现在农村能源短缺的状况。我国现在因利用能源而导致严重的环境污染，例如烟尘和SO2年排放量为2857万t，燃烧后的垃圾排放为年均573000万t，因薪柴之用破坏森林植被导致每年土壤流失50亿t。利用微生物生产能源和对其进行利用，不仅没有环境污染问题出现，而且还可使目前污染严重的环境状况得以缓解。更有发展前景的是生产和使用微生物能源，可以治理污染变废为宝及获得综合效益。例如用我国年产木材采伐废物1000万t，油茶壳