5-20 现代生物技术与能源ppt课件

1、5-201;.2煤炭石油不可再生能源天然气34太阳能风能水电能可再生能源生物能海洋能地热能5 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源6 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源7微生物与石油开采微生物与石油开采 微生物勘探石油微生物勘探石油 微生物二次采油微生物二次采油 微生物三次采油微生物三次采油8910微生物二次采油微生物二次采油 原理原理：利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸性物

2、质及H2、CO2及CH4等气体的生理特点。微生物产气可增加地层压力，提高采油率。酸性物质可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油便于开采。 效率效率：采油量可提高20%30%11 原理原理：选育或利用微生物分子生物学技术构建能产生大量酸性物质、CO2、甲烷以及高聚物、糖酯等表面活性剂等物质的菌株。让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压, 而且还能通过分泌的表面活性剂, 降低油层表面张力, 使原油从岩石中、沙土中松开, 黏度减低, 从而提高采油量。 效率效率：进一步提高采油量15%30%。微生物三次采油微生物三次采油121314 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物

3、乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源15 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源16 生产乙醇燃料的意义及生化机理生产乙醇燃料的意义及生化机理 乙醇替代石油的案例乙醇替代石油的案例 乙醇替代石油所用的原材料和所面临的问题乙醇替代石油所用的原材料和所面临的问题 纤维素发酵生产乙醇纤维素发酵生产乙醇17车用乙醇汽油车用乙醇汽油车用乙醇汽油车用乙醇汽油18生产乙醇燃料的意义及生化机理生产乙醇燃料的意义及生化机理意义意义：1 产能效率高；2 在燃烧期间不生

4、成有毒的一氧化碳，其污染程度低于其他常用燃料所造成的污染； 3 可通过微生物大量发酵生产，其成本相对较低。因而这项技术很容易被人们所采纳和推广。19生产乙醇燃料的意义及生化机理生产乙醇燃料的意义及生化机理生化机理生化机理： 乙醇发酵所需的原材料可选用，发酵所需的微生物主要是。酵母菌含有丰富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将蔗糖水解为单糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶是胞内参与乙醇发酵的多种酶的总称，单糖必须透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作用下进行厌氧发酵并转化成乙醇及CO2，而后乙醇及CO2通过细胞膜被排出体外。2021生化机理生化机理：如果是用类的多糖，则必须先水解成单糖后才能被发酵。

5、淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲霉，糖化后再接种酵母菌进行酒精发酵。酵母菌发酵乙醇的生化过程是采用厌氧途径。 工 业 发 酵 上 常 用 的 菌 株 有 ： 啤 酒 酵 母 (S.cereuisiae)中的德国1号和12号及台湾酵母、葡萄汁酵母(S. uvarum)等。生产乙醇燃料的意义及生化机理生产乙醇燃料的意义及生化机理2223乙醇替代石油的案例乙醇替代石油的案例太阳能转化为化学能的生物材料中最理想的是。据有关资料报道，每公顷耕地平均可产甘蔗干物质3540吨，所产生的能量相当于14.5吨石油或24-26吨煤所产生的热值。巴西是盛产甘蔗的国家，也是一个利用发酵工艺生产乙醇替代部分石油的典型国

6、家。 1980年，巴西每年大约有4000兆升的乙醇出口。 1985 年，巴西乙醇产量为11900 兆升，出售的汽车中的3/4是用乙醇作燃料的。在1000万辆汽车中有120万辆完全使用乙醇，其余的使用含23 乙醇的混合汽油。 1988 年, 88的新轿车的发动机都使用乙醇。24 靠种植65万公顷的甜高粱并用于发酵生产酒精，其产量可替代大约 45的石油。这65万公顷土地只相当该国领土面积的4，并不会影响用于产粮和饲养牲畜所需的土地。 非洲的早在1982年就投产生产乙醇并用 于燃料。它的年产量为1000万升。而该国每年所需 的汽油量仅5000万升，可满足市场所需汽油量的20。25 发达国家也种植一些

7、适合其本国气候的燃料农作物。像，也开始利用大量农作物剩余物及森林的废弃物发酵乙醇。1987年，美国用玉米作原料发酵生产大约3万亿升的乙醇，到1989年已达到32万亿升乙醇产量。2627摆脱石油缺乏的困境28 在当前世界人口相当密集的时代，可利用的土地资源日益减少，粮食供应仍是一大问题； 粮食成本较高，这样就可能增加乙醇生产的成本，使乙醇价格明显高于石油价格。29关键：高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇的工艺“生 物 技 术”30 酸、碱处理法酸、碱处理法 国内许多生产乙醇的高活性菌株均不能直接利用纤维素作为发酵过程中所需的糖类物质，必须对所含的纤维素进行一系列的酸、碱处理，并转化成微生物可利用

8、的糖类。然后再使用微生物发酵生产乙醇。 缺点缺点：条件苛刻，对设备有很强的腐蚀作用，需要耐酸碱的设备；水解过程会生成有毒的分解产物如糖醛、酚类等物质；水解成本较高等。31 酶水解法酶水解法 需要葡聚糖内切酶(ED)(ED)、纤维二糖水解酶(CHB)(CHB)和- -葡萄糖酶(GL)(GL)这三种酶的协同作用才行。能产生这三种酶并被分泌到胞外的是真菌类微生物，如正青霉、木霉和疣孢青霉。显然，如利用上述菌株对纤维素进行直接发酵，就不需要对纤维素进行酸碱预处理。优点优点：这种发酵工艺所需的设备简单，成本低。缺点缺点：所获的乙醇产量不高，因而生产成本较高。32 混合发酵法混合发酵法热纤梭菌能直接分解纤

9、维素生成乙醇，但乙醇产量低(50)，而热硫化氢梭菌不能直接利用纤维素，但所产出的乙醇量相当高。因此，如把两者微生物进行混合直接发酵，其产率可达75以上。优点：优点：可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发的部分问题。33 基因工程技术基因工程技术既能直接利用纤维素又能高产乙醇的基因工程菌，也是潜在的最有发展前途的技术之一。目前基因工程菌的构建主要采用两种技术路线：把能水解纤维素的葡聚糖内切酶基因、纤维二糖水解酶、- -葡萄糖苷酶基因克隆在能产生乙醇的菌株中，并研究该菌株利用纤维素作原料的情况。把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维素，但不能生产乙醇的菌株中。例如，把运动发酵单胞菌的丙酮酸脱羧酶基因和

10、乙醇脱氢酶基因转移到不能生产乙醇的克雷伯氏氧化杆菌中就能直接发酵纤维素产生乙醇。34 新的纤维素乙醇厂的内部图示，该装置可以把农业纤维素废弃物转化为乙醇。在右边的那个发酵罐内部，生化酶可以有效降解纤维素。 面临困难面临困难：由于纤维素分子是一种异质结构的聚合物，水解速率远远低于淀粉和其他糖类化合物。直到现在，纤维乙醇还被限制在实验室生产或小规模示范性工厂阶段，在美国还没有商业运行规模的纤维乙醇生产厂，美国能源部正在资金支持12个甚至更多的公司建立纤维乙醇示范工厂或商业运营工厂。35 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲

11、烷与燃料源 未来新能源未来新能源36 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源37，是指那些可以直接生产工业用燃料油，或经发酵加工可生产燃料油的植物的总称。 现已发现的大量可直接生产燃料油的植物，主要分布在大戟科。这些“石油”植物能生产低分子氢化合物，加工后可合成汽油或柴油的代用品。38 20世纪70年代，石油输出国组织成员国因故决定临时停止向美国出口石油，以示制裁。美国加利福尼亚大学的化学家、诺贝尔化学奖得主梅尔温梅尔温卡卡尔文尔文突发奇想，决定寻找可能生产石油的植物，进而从地里种出石油来

12、。它的胶汁的化学成分与柴油相似，无需加工提炼，即可充当柴油使用。三叶橡胶树三叶橡胶树39 产产“石石油油”的树木的树木牛奶树牛奶树油楠油楠银合欢树银合欢树三角大戟三角大戟兰桉树兰桉树麻风树麻风树40油料植物油料植物向日葵向日葵油棕榈油棕榈椰子椰子花生花生油菜子油菜子巴巴苏坚果巴巴苏坚果41藻类产油藻类产油 藻类能产生大量的脂类，可用来制造柴油及汽油。 早期英国新科学家报道，美国设在科罗拉多州 的太阳能研究所用一个直径20m的池塘养殖藻类， 年产藻4吨多，可产油3000多升。目前，这个研究 组正从分子生物学角度，开发能产更多的油脂类的 藻类，研究目标是用藻类生产的汽油能提供美国机动 车所用燃料总

13、量的810。4243 最近美国西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory） 的科学家宣称，他们成功完善了一种将藻类转化为原油的新工艺，方法是对藻类原料进行30分钟的“高压蒸煮”。由此产生的是轻质低硫原油，可加入处理化石原油的炼油炉，得到进一步的提炼。 在实验室通过高温高压模拟地球在几百万年中将藻类转化为石油的过程。44 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源45 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇

14、 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源46 甲烷气可产生机械能、电能及热能。目前甲烷已作为一种燃料源，并可通过管道进行输送，供给家庭及工业使用或转化成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。 天然气气源是由远古时代的生物群体衍变而来，通过钻井开采获得的，是一种不可再生的能源。在地表也存在甲烷，它主要来自于天然的湿地、稻根及动物的肠道内发酵而释放的，其相对总量大约分别为20、20及15。家养的牲畜是动物释放甲烷的主要来源，大约占所有动物释放甲烷量的75。而人类仅占0.4。47生产甲烷的生化机制生产甲烷的生化机制 厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产甲烷。整个发酵过程分为三个主要

15、步骤：初步反应：利用芽孢杆菌属、假单胞菌属及变形杆菌属等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组分。微生物发酵过程：低相对分子质量的可溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成有机酸。甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲烷及CO2。显然，甲烷生产是一个复杂的过程，有若干种厌氧菌参与该反应过程。48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49 我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7106 生物气单位，相当于2.2107吨煤的能量。如按目前国内物价分析，在农村建造一个粪便发酵池来生产沼气供家庭使用的造价，很可能会低于一辆自行车的价格。据报道国

16、内农村正在使用的厌氧发酵反应器(沼气池) 超过500 万个。此外，工厂和大型畜牧场还有 10000个大中型沼气池。50应用举例应用举例 在 美 国 加 州 ， 采 用 牛 粪 生 产 甲 烷 能 给 一 个 工 厂 提 供 20000kWh的电能。美国一牧场建立一座反应发酵池，主体是一个宽30m，长213m的密封池，利用牧场粪便和其他有机废物等，每天可处理1640吨厩肥，每天可为牧场提供113000 m3的甲烷，足够一万户居民使用。 日本曾研究开发了一套“本地能源综合利用机械系统”。该 系统由沼气发酵反应器、发电设备、废物预处理器及有机肥 料制作设备组成。这个系统每天可处理 34吨固态肥30

17、35 m3左右的液态肥，可为两台功率为140kW的发电机提供 动力。51 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源52 微生物与石油开采微生物与石油开采 未来石油的替代物未来石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷与燃料源甲烷与燃料源 未来新能源未来新能源53未来新能源未来新能源 氢能：氢气在然燃烧时产生的热量相当于汽油的3倍， 并且燃烧产物为水，无污染。54产氢的微生物产氢的微生物 1942年Gafron和Rubin发现珊列藻(Sceaedesmas)可产氢。 产氢的生物可分为藻类及非藻类。 藻类藻类有颤藻属、螺藻属、念珠藻属、项圈藻属、小球藻属 、珊列藻属及衣藻属等。 非藻类微非藻类微生物生物可分为厌氧菌厌氧菌及兼性厌氧菌兼性厌氧菌。前者有巴氏梭菌、产气微球菌、雷氏丁酸杆菌、克氏杆菌等，后者有大肠杆菌、嗜水气单胞菌、软化芽胞杆菌、多黏芽胞杆菌等。 把产氢基因克隆到水生藻