微生物与能源

1、微生物与能源占毅 张西桥微生物产甲烷 1.理机 2.应用 3.限制 沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程，这一过程的发酵和发展是五大类群微生过程，这一过程的发酵和发展是五大类群微生物生命活动的结果。它们是：物生命活动的结果。它们是：发酵性细菌、产发酵性细菌、产氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂不机物的降解，到甲烷物质转化作用。从复杂不机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用完成的形成，就是由它

2、们分工合作和相互作用完成的。的。 在沼气发酵过程中，在沼气发酵过程中，五大类群细菌构成五大类群细菌构成一条食物链一条食物链，从各类群细菌的生理代谢产物或，从各类群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度（它们的活动对发酵液酸碱度（pH）的影响来）的影响来看，沼气发酵过程可分为看，沼气发酵过程可分为产酸阶段产酸阶段和和产甲烷阶产甲烷阶段段。前三群细菌的活动可使有机物形成各种有。前三群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌不产甲烷菌。后二群。后二群细菌的活动可使各种有机转化成甲烷，因此，细菌的活动可使各种有机转化成甲烷，因此，将其统称为将其统称为产

3、甲烷菌产甲烷菌。 不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养 不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境态环境 不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质 产酸阶段的细菌有：梭菌属（Clostridium）；芽孢杆菌（Bacillus）；葡萄球菌属（Staphlococccus）；变形杆菌属（Froteis）；杆菌属(Bacterium)。 产甲烷阶段菌： 产甲烷杆菌 （ Methanobacterium ）； 甲烷短杆菌（Methanobrevibacterium ）； 甲烷球菌（ Methanococci ）； 甲烷微

4、球菌（ Methanomicrobium ）二阶段理论三阶段理论 四阶段理论应用限制 设备较复杂，建设投资较高；要求高标准的施工、管理和保养； 由于厌氧菌繁殖速度慢，工艺启动时间长。且产量受地区与季节的影响。微生物产醇 乙醇燃料具有许多优点，主要是： 产能效率高。 污染程度轻，在燃烧期间 不产生有毒的CO。 可通过微生物发酵大量生产，成本相对较低。 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、树叶和杂草等。 水解过程 淀粉 酸解或酶解 戊糖和己糖 木质纤维素 预处理酵解过程 酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇： 乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属（Saccha

5、romyces）、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。应用限制 热值较低，加大了生产成本。 需要更高效更清洁的能源微生物产氢 目前世界氢产量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

6、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。直接光合产氢 这一光合系统中,具有两个独立但协调起作用的光合作用中心；接收太阳能分解水产生H+、电子和 O2的光合系统( PS)以及产生还原剂用来固定 CO2 的光合系统( PS)。PS产生的电子由铁氧化还原蛋白携带经由 PS和PS到达产氢酶，H+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成H2

7、14。产氢酶是所有生物产氢的关键因素，绿色植物由于没有产氢酶,所以不能产生氢气，这是藻类和绿色植物光合作用过程的重要区别所在光发酵产氢 有机物 光能异养型微生物 氢气光能 光合细菌无PSII光合系统，无法利用水来产生氢离子。 利用光能将有机物分解，产生氢离子和高能电子。产氢酶再利用这些中间产物和ATP来产生氢气。 应用于处理有工业机废水 暗发酵产氢厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气；温度范围25-80，或超高温80 乙酸为终产物时：C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2丁酸为终产物时：C6H12O6 + 2H2O CH3CH2CH2COOH + 2H2 +

8、 2CO2 缺点：产氢速率明显受pH H2、CO2分压的影响。 优点：利用厌氧细菌发酵纤维素、半纤维素、木质素降解后的小分子有机物，具有环境、经济效益。微生物燃料电池 MFC 燃料电池用氢、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。 在阳极池，溶液或污泥中的营养物在催化剂作用下生成质子、电子和代谢产物，通过载体运送到电极表面，再经过外电路转移到阴极；在阴极，处于氧化态的物质与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应生成水，就这样通过电

9、子的不断转移来产生电能。产电微生物菌种 Electricigens:指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成co2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长。 产电微生物种类：大肠杆菌、普通变形杆菌、枯草芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、嗜水气单胞菌等，从中选择产电效率高且可以建立互利共生关系的菌种电子传递机理 细胞膜直接传递电子-无介体 其电子直接从微生物细胞膜传递到电极，呼吸链中细胞色素及醌类物质是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。 由中间体传递电子-有介体 微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物

10、质，对电子传递造成很大阻力，需要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极。吸附在脱硫弧菌(Desulfovibrodesulfricans)细胞膜上与碳聚合膜交结的紫精染料，可以调节电子在细菌细胞与电极间的转移。在微生物燃料电池中加入适当的介体，会显著改善电子的转移速率。 一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的电子传递介体，其中，较为典型的是硫堇、吩嗪、Fe(III)、EDTA和中性红等。虽然硫堇很适合于用作电子传递介体，但是当以硫堇作介体时，由于其在生物膜上容易发生吸附而使电子传递受到一定程度的抑制，导致微生物燃料电池的工作效率降低。氧化还原介体的功能依赖于电极反应的动力学参数， 可利用生物废物有机物发电，清洁环保，它能够直接利用生 物废物和有机物产生电能，产出的能量可以用作污水处理厂的运行，或者在电力市场出售； 将底物直接转化为电能，能量转化率高。在厌氧处理过程中，产生的沼气燃烧发电时，以电能输出的能量至多只能占输入能量的13。虽然通过热能形式可以回收一部分能量，但总的效率仍然停留在30。而由于微生物燃料电池的能量转化没有中间过程，因此能量转化效率相应升高，实际