微生物与能源1

1、 能源危机能源危机 无论是煤炭、石油还是天然气，作为无论是煤炭、石油还是天然气，作为不可再生的天然的化石能源，其资源总量不可再生的天然的化石能源，其资源总量是有限的。据测算，以目前的开采速率，是有限的。据测算，以目前的开采速率，这三种天然一次能源的供应，石油还能维这三种天然一次能源的供应，石油还能维持约持约40年，天然气年，天然气(常规常规)约约65年，煤炭年，煤炭250300年。年。 生物能源生物能源n生物能源生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源的能源,包括生物质能、生物液体燃料及利用生物包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精

2、、生物柴油、生物质气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。化及液化燃料、生物制氢等。n能源微生物是指：能源微生物是指：以甲烷产生菌、乙醇产生菌和以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物。氢气产生菌为代表的能源性微生物。n1.基本原理n2.微生物乙醇n3.微生物甲烷 1.基本原理基本原理1.1微生物的直接作用微生物的直接作用n微生物在岩石表面上生长繁殖，占据孔隙空间，微生物在岩石表面上生长繁殖，占据孔隙空间，用物理的方法驱出石油。用物理的方法驱出石油。1.2 微生物可改变原油的组成微生物可改变原油的组成, 使其变成低黏使其变成低黏度的原油度的原油n微

3、生物以石油中的正构烷烃作为碳源而生长繁殖微生物以石油中的正构烷烃作为碳源而生长繁殖, 从而改变原油的碳链组成。从而改变原油的碳链组成。n微生物的增加能大大减少储层、井眼和设备表面微生物的增加能大大减少储层、井眼和设备表面的原油结蜡的温度和压力。的原油结蜡的温度和压力。n微生物生长时释放出的生物酶微生物生长时释放出的生物酶,可降解原油可降解原油, 使原使原油碳链断裂油碳链断裂, 高碳链原油变为低碳链原油高碳链原油变为低碳链原油, 使重组使重组分减少分减少, 轻质组分增加轻质组分增加, 凝固点和黏度均可降低凝固点和黏度均可降低, 不仅改善原油在油层中的流动性不仅改善原油在油层中的流动性, 而且会使

4、原油而且会使原油品质得到改善。品质得到改善。1.3微生物代谢产物可改变驱油环境微生物代谢产物可改变驱油环境n(1) 生物表面活性剂。生物表面活性剂。n微生物活性剂组分主要为十六烷酸、十七烷酸和微生物活性剂组分主要为十六烷酸、十七烷酸和十八烷酸十八烷酸, 它会降低油水界面压力它会降低油水界面压力, 减小水驱油毛减小水驱油毛管力。同时生物表面活性剂会改变油藏岩石润湿管力。同时生物表面活性剂会改变油藏岩石润湿性性, 从亲油变成亲水从亲油变成亲水, 使吸附在岩石表面上的油膜使吸附在岩石表面上的油膜脱落脱落, 油藏残余油饱和度降低油藏残余油饱和度降低, 从而提高采收率。从而提高采收率。n(2) 生物气。

5、生物气。n绝大多数微生物在代谢过程中都会产生气体绝大多数微生物在代谢过程中都会产生气体, 如如二氧化碳、氢气、甲烷等二氧化碳、氢气、甲烷等, 这些气体都能够使油这些气体都能够使油层部分增压并降低原油黏度层部分增压并降低原油黏度, 提高原油流动能力。提高原油流动能力。溶解岩石中的碳酸盐溶解岩石中的碳酸盐, 增加渗透率增加渗透率, 使石油膨胀、使石油膨胀、体积增大体积增大, 有利于驱出原油有利于驱出原油, 增加产量。增加产量。n(3) 酸和有机溶剂。酸和有机溶剂。n微生物产生的酸主要是相对低分子量的有机酸微生物产生的酸主要是相对低分子量的有机酸(甲甲酸、丙酸酸、丙酸) , 也有部分无机酸也有部分无

6、机酸(硫酸硫酸) , 它们能溶解它们能溶解碳酸盐碳酸盐, 一方面增加孔隙度一方面增加孔隙度, 提高渗透率提高渗透率; 另一方另一方面面, 释放二氧化碳释放二氧化碳, 提高油层压力提高油层压力,降低原油黏度降低原油黏度, 提高原油流动能力。提高原油流动能力。n产生的醇、有机酯等有机溶剂产生的醇、有机酯等有机溶剂, 可以改变岩石表可以改变岩石表面性质和原油物理性质面性质和原油物理性质, 使吸附在孔隙岩石表面使吸附在孔隙岩石表面的原油被释放出来的原油被释放出来, 并易于采出地面。并易于采出地面。 n(4) 生物聚合物生物聚合物n微生物在油藏高渗透区的生长、繁殖及产生聚合微生物在油藏高渗透区的生长、繁

7、殖及产生聚合物物, 使其能够有选择地堵塞大孔道使其能够有选择地堵塞大孔道,降低水油比。降低水油比。在水驱中增加水的黏度在水驱中增加水的黏度, 降低水相的流动性降低水相的流动性, 减少减少过早的水淹过早的水淹, 增大扫油效率。增大扫油效率。n在地层中产生的生物聚合物在地层中产生的生物聚合物, 能在高渗透地带控能在高渗透地带控制流度比制流度比, 调整注水油层的吸水剖面调整注水油层的吸水剖面, 增大扫油面增大扫油面积积, 提高采收率。提高采收率。n微生物注入水驱油层后微生物注入水驱油层后, 生长繁殖的菌体和代谢生长繁殖的菌体和代谢产物与重金属形成沉淀物产物与重金属形成沉淀物, 具有高效堵水作用具有高

8、效堵水作用, 封封堵率可达到堵率可达到99% (纯菌体的封堵效果只能达到纯菌体的封堵效果只能达到25% )，提高原油产量和采收率，提高原油产量和采收率, 由于封堵了高渗由于封堵了高渗透条带透条带, 还有助于减少注水量。还有助于减少注水量。微生物生产乙醇微生物生产乙醇n石油是当今世界最主要的能源，但是它是石油是当今世界最主要的能源，但是它是一种一种不可再生的化石燃料不可再生的化石燃料。n乙醇很可能是未来的石油替代物。乙醇很可能是未来的石油替代物。 n乙醇用作燃料，具有许多优点，主要是：乙醇用作燃料，具有许多优点，主要是：n产能效率高。产能效率高。n污染程度轻，在燃烧期间污染程度轻，在燃烧期间 不

9、产生有毒的不产生有毒的CO。n可通过微生物发酵大量生产，成本相对较低。可通过微生物发酵大量生产，成本相对较低。n用作发酵的原料较多，而且可以废物利用，如用作发酵的原料较多，而且可以废物利用，如农作物秸秆、玉米芯、稻草、纤维素、蔗渣、树农作物秸秆、玉米芯、稻草、纤维素、蔗渣、树叶和杂草等。叶和杂草等。 n淀粉或糖类为原料：理想，但成本高淀粉或糖类为原料：理想，但成本高n木质纤维素木质纤维素：纤维素、半纤维素、木质素：纤维素、半纤维素、木质素n酸解或酶解酸解或酶解 五碳糖和六碳糖五碳糖和六碳糖 发酵成乙醇发酵成乙醇1.乙醇糖发酵原理乙醇糖发酵原理n酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，其生酵母菌在

10、厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，其生化过程主要由化过程主要由两个阶段两个阶段组成。组成。n第一阶段第一阶段葡萄糖通过糖酵解途径葡萄糖通过糖酵解途径(EMP(EMP途径途径) )分解成分解成丙酮酸。丙酮酸。n第二阶段第二阶段丙酮酸由脱羧酶催化生成乙醛和二氧化丙酮酸由脱羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛进一步被还原成乙醇。葡萄糖发酵成乙碳，乙醛进一步被还原成乙醇。葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为：醇的总反应式为： C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量能量2.木质纤维素的预处理木质纤维素的预处理n木质纤维素成分复杂且稳定，存在许多物理和化木质纤维素成分复杂且稳定，存在许多物理和化学的屏障，不能迅速完

11、成酸水解或酶促反应，因学的屏障，不能迅速完成酸水解或酶促反应，因此，必须经过此，必须经过预处理预处理。n方法：方法：物理法；化学法；生物学方法物理法；化学法；生物学方法n物理法：物理法：降低结晶度，破坏木质素和半纤维素的降低结晶度，破坏木质素和半纤维素的结合层。结合层。n化学方法：化学方法：降低结晶度，溶解脱除木质素的作降低结晶度，溶解脱除木质素的作用。用。n微生物方法：微生物方法：微生物产生分解木质素酶微生物产生分解木质素酶3.木质纤维素的糖化木质纤维素的糖化n分解成甜味产物的过程分解成甜味产物的过程 。n酸水解酸水解n酶水解酶水解4.发酵生产乙醇发酵生产乙醇n4.1纤维素发酵生产乙醇纤维素

12、发酵生产乙醇n纤维素经预处理后，释放出的葡萄糖可进入乙醇纤维素经预处理后，释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径。发酵途径。4.2半纤维素发酵生产乙醇半纤维素发酵生产乙醇n经过预处理以及糖化处理后，半纤维素被水解成经过预处理以及糖化处理后，半纤维素被水解成了各种单糖，了各种单糖，D-木糖约占木糖约占90%。n木糖一方面在木糖异构酶作用下产生木酮糖进入木糖一方面在木糖异构酶作用下产生木酮糖进入戊糖途径生产乙醇；戊糖途径生产乙醇；n另一方面在木糖还原酶作用下产生木糖醇，然后另一方面在木糖还原酶作用下产生木糖醇，然后在木糖醇脱氢酶作用下产生木酮糖进入戊糖途径在木糖醇脱氢酶作用下产生木酮糖进入戊糖途径产生乙

13、醇。产生乙醇。4.3发酵方式发酵方式n4.3.1纤维素直接发酵法纤维素直接发酵法n4.3.2间接发酵法间接发酵法n4.3.3同步糖化发酵法同步糖化发酵法4.3.2间接发酵法间接发酵法n首先用纤维素酶将纤维素分解，收集酶解液作为首先用纤维素酶将纤维素分解，收集酶解液作为酵母的基质生产乙醇。酵母的基质生产乙醇。4.3.3同步糖化发酵法同步糖化发酵法n纤维素的酶水解过程和糖的乙醇发酵过程在同一纤维素的酶水解过程和糖的乙醇发酵过程在同一容器内同时进行。容器内同时进行。n优点：优点：酶水解产物葡萄糖不断被发酵成乙醇，从酶水解产物葡萄糖不断被发酵成乙醇，从而解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制，有利于而解除了

14、葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制，有利于酶水解反应的进行，从而提高了糖化和发酵效率；酶水解反应的进行，从而提高了糖化和发酵效率；工艺上采用一步发酵法，简化了工艺，减少设备工艺上采用一步发酵法，简化了工艺，减少设备投资，生产中能耗低。投资，生产中能耗低。 微生物产甲烷微生物产甲烷n沼气的主要成分是甲烷沼气的主要成分是甲烷。n沼气由沼气由5080甲烷、甲烷、2040二氧化碳、二氧化碳、05氮气、小于氮气、小于1的氢气、小于的氢气、小于04的的氧气与氧气与013硫化氢等气体组成硫化氢等气体组成 。由于沼。由于沼气含有气含有少量硫化氢少量硫化氢，所以，所以略带臭味略带臭味。n其特性与其特性与天然气天然气相似

15、。空气中如含有相似。空气中如含有8.620.8（按体积计）的沼气时（按体积计）的沼气时,就会形成就会形成爆炸性爆炸性的混合气的混合气体。体。n甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。量空气混合后即对燃烧。n每立方米每立方米纯甲烷纯甲烷的发热最为的发热最为 34000焦耳，每立方焦耳，每立方米米沼气沼气的发热量约为的发热量约为2080023600焦耳。即焦耳。即1立立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性

16、能较好，是一种很好的清洁燃料。好，是一种很好的清洁燃料。 沼气（沼气（biogas） (甲烷，甲烷，methane) 甲烷发酵属于厌氧消化甲烷发酵属于厌氧消化(anaerobic digestion)处理，是有机处理，是有机物厌氧分解过程中的主要过程。利用厌氧菌将工厂废水、下水物厌氧分解过程中的主要过程。利用厌氧菌将工厂废水、下水污泥中所含有的有机物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯污泥中所含有的有机物进行分解，不用对培养基进行灭菌和纯种培养和接种操作。它可以作为好氧处理的前阶段处理。种培养和接种操作。它可以作为好氧处理的前阶段处理。 一、一、 甲烷发酵机理甲烷发酵机理 甲烷发酵是甲烷发酵是厌

17、氧菌厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂将碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂的有机物最终分解成甲烷和的有机物最终分解成甲烷和CO2，甲烷发酵不是由单一的甲甲烷发酵不是由单一的甲烷产生菌所能完成的，甲烷发酵至少由三个阶段组成烷产生菌所能完成的，甲烷发酵至少由三个阶段组成： 第一个阶段是有机聚合物水解生成单体化合物，进而分第一个阶段是有机聚合物水解生成单体化合物，进而分解成各种脂肪酸、解成各种脂肪酸、CO2和和H2； 第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成乙酸第二阶段是各类脂肪酸进行分解，生成乙酸、 CO2和和H2； 第三个阶段是由乙酸和第三个阶段是由乙酸和CO2及及H2反应生成甲烷；反应生成甲烷； 前

18、两个阶段前两个阶段也可统称为也可统称为产酸阶段产酸阶段，产酸阶段也叫，产酸阶段也叫液化阶液化阶段段，参与这一阶段反应的微生物大部分是兼性厌氧细菌，只，参与这一阶段反应的微生物大部分是兼性厌氧细菌，只有少数的原生动物有少数的原生动物、霉菌和酵母参与这一反应。发酵液中这霉菌和酵母参与这一反应。发酵液中这一类非甲烷产生菌的数量大体上与甲烷产生菌相等。一类非甲烷产生菌的数量大体上与甲烷产生菌相等。沼气发酵的三个阶段沼气发酵的三个阶段 沼气：混合可燃气体沼气：混合可燃气体甲烷、甲烷、H H2 2、NN2 2、COCO2 2水解水解产酸产酸产气产气 二、甲烷发酵的微生物二、甲烷发酵的微生物产酸阶段也叫液化

19、阶段，参与的微生物大部分是兼性厌氧产酸阶段也叫液化阶段，参与的微生物大部分是兼性厌氧菌，只有少量的原生动物、霉菌和酵母参与这一反应。菌，只有少量的原生动物、霉菌和酵母参与这一反应。产酸阶段的细菌有：产酸阶段的细菌有：梭菌属（梭菌属（Clostridium）；芽孢杆菌（）；芽孢杆菌（Bacillus）；葡萄球菌属（）；葡萄球菌属（Staphlococccus）；变形杆菌属（）；变形杆菌属（Froteis）；杆菌属）；杆菌属(Bacterium)。甲烷产生阶段主要是甲烷产生菌参与。甲烷产生阶段主要是甲烷产生菌参与。甲烷菌是严格厌氧甲烷菌是严格厌氧菌，不产孢子。菌，不产孢子。 采用新的厌气培养技术，

20、可以分离得到采用新的厌气培养技术，可以分离得到20种以上的甲烷产种以上的甲烷产生菌。生菌。 产甲烷杆菌（产甲烷杆菌（ Methanobacterium ）；）； 甲烷短杆菌（甲烷短杆菌（Methanobrevibacterium ）；）； 甲烷球菌（甲烷球菌（ Methanococci ）；）； 甲烷微球菌（甲烷微球菌（ Methanomicrobium ）等细菌。）等细菌。各种甲烷菌之间在各种甲烷菌之间在RNA排列顺序上都很相似，排列顺序上都很相似，它们都是具它们都是具有嗜盐性，而且比典型的细菌耐温和耐酸有嗜盐性，而且比典型的细菌耐温和耐酸。所以有人将甲烷菌。所以有人将甲烷菌和嗜盐菌、嗜热菌、嗜酸菌等一起分类属于和嗜盐菌、嗜热菌、嗜酸菌等一起分类属于古细菌古细菌。甲烷菌和非甲烷菌叫沼气菌（甲烷菌和非甲烷菌叫沼气菌（biogas producing bacteria）。发酵液中非甲烷产生菌的数量与甲烷产生菌相等，达。发酵液中非甲烷产生菌的数量与甲烷产生菌相等，达106108个个/ml。甲烷发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动甲烷发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。如果平衡遭到破坏，沼气发酵就受到影响，甚至停止。态平衡。如果平衡遭到破坏，沼气发酵就受到影响，甚至停止。 三、甲烷发酵的各种条件三、甲烷发酵的各种条件n1)菌