10.生物技术与能源

1、学习目的 了解人类如何利用微生物发酵工程技术,提高石油的开采量、降低乙醇燃油及甲烷燃料的生产成本,并设法提高产量及减少环境污染;了解人工种植能产“石油”的树木及开发各种未来新能源的途径, 以满足人类需能的要求。 掌握目前人类如何利用生物技术提高产能量及开发新能源的基本知识。10 生物技术与能源10.1 微生物技术与石油开采10.1.1 微生物勘探石油 地震法、地球物理法和地球化学法 微生物石油勘探技术和优势 微生物石油勘探研究进展 生物技术与能源10 生物技术与能源 10.1.2 微生物辅助采油技术和优势 微生物石油勘探技术和实验依据 油区底土中的重烃含量与季节变化存在一 定联 系。 抗血清筛

2、选土壤中利用烃的微生物。 生物技术与能源10.1 微生物技术与石油开采 10.1.3 微生物二次采油技术 采油基本原理 微生物产气采油 采用效率和成本 生物技术与能源10.1 微生物技术与石油开采风能发电10.1.4 微生物三次采油原理与效率原理：利用微生物分子生物学技术构建能产生大量CO2和甲烷等气体的基因工程菌株或选育能提高产气量的高活性菌株。目的：目的是让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压, 而且还能分泌高聚物, 糖酯等表面活性剂, 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：进一步提高采油量15%30%。 生物技术与能源10.1 微生物技术

3、与石油开采10.2.1 生产乙醇燃料的生化原理 10.2.2 乙醇作为燃料的益处产能效率高 不生成一氧化碳 低成本 10.2 未来石油的替代物乙醇 生物技术与能源10 生物技术与能源乙醇燃料汽车10.2 未来石油的替代物乙醇 生物技术与能源 乙醇发酵常用原材料: 蔗糖或淀粉 微生物: 酵母菌 关键酶: 糖水解酶和酒化酶 酵母菌10.2.3 未来石油的替代物乙醇 A.用于化学工业的乙醇产量; B.用于汽油混合和替代品的乙醇产量 巴西的乙醇生产情况 产量（10亿升）生物技术与能源10.2 未来石油的替代物乙醇10.2.4 乙醇代替石油的困境生物技术与能源 生产乙醇燃料的原材料淀粉类 纤维素类 糖类

4、 其他玉米 木材 蔗糖 菜花高粱 木屑 甜高粱 葡萄小麦 废纸 糖蜜 香蕉大麦 森林残留物 甜菜 乳酪木薯 农业残留物 饲料甜菜 乳浆土豆 固体废物 甘蔗 硫化废物红薯 产品废物 葡萄糖 10.2 未来石油的替代物乙醇10.2.5 纤维素发酵生产乙醇 生产乙醇原材料化学降解技术 生产乙醇原材料酶解法降解技术 葡聚糖内切酶(ED)、 纤维二糖水解酶(CHB) -葡萄糖酶(GL) 微生物混合发酵法生物技术与能源巴西种植甘蔗发展乙醇燃料10.2.5 纤维素发酵生产乙醇基因工程技术 把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基因和一个-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。

5、 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。 生物技术与能源10.3.1 能产“石油”的灌木兰桉树油楠的乔木 银合欢树麻风树 黄鼠草 10.3 植物“石油” 生物技术与能源10 生物技术与能源麻风树(小桐子、青桐木 ）10.3 植物“石油” 常见产油的植物 向日葵、棕榈、椰子、花生、玉米、白菜、香蕉、胡萝卜、棉籽、油菜子和巴巴苏坚果 提高植物产油量的途径 增加脂肪酸合成底物来提高油脂合成水平。 增加油脂合成途径的关键酶的基因表达。 生物技术与能源10.3.2 油料植物10.3 植物“石油”10.3.3 藻类产油 生产生物柴油的方法:化学合成法、生物酶解法和工程藻类技术。 提

6、高工程小环藻产油的途径： 设法提高乙酰辅酶A羧化酶在微藻细胞中充分表达。 采用工程小环藻制造柴油的优势。生物技术与能源 10.4.1 生产甲烷的生化机理厌氧微生物生产甲烷途径 初步反应：利用芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)及变形杆菌属(Proteus)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。 10.4 传统可再生能源甲烷 生物技术与能源10 生物技术与能源沼气的成分 沼气是一种混合气体。它的主要成

7、分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等气体。其中甲烷约占50-70%、二氧化碳约占30-40%，其他成分含量极少。沼气的性质 沼气的主要成分是甲烷，甲烷是一种简单的碳氢化合物。它的化学性质极为稳定，不溶于水，比空气轻一半，是一种无色、无味、无臭、无毒的可燃性气体。沼气未燃烧时略有蒜味或臭鸡蛋气味，是因为沼气中含有少量硫化氢气体的缘故。 当甲烷完全燃烧时，呈蓝白色火焰，燃烧温度可达1400， 每立方米甲烷气体，完全燃烧发热量为8717大卡。 每立方米人工沼气的发热量为5000大卡左右。相当于1公斤优质煤或公斤汽油的发热量。 一立

8、方米的人工沼气，能供3-4口之家三餐饭菜的燃料，能使一盏60支光的沼气灯照明6小时，能使一马力的内燃机工作2小时，能发电度。二、沼气发酵微生物（细菌） 第一类叫发酵细菌。包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。 .发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的

9、胞外酶水解为可 溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为 乙酸、丙酸、丁 酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例，反应过程如下： （C6H10O5）+ nH2O n(C6H12O6)2 C6H12O6 CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所 利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙 酸、氢和二氧化碳 反应过程如下： CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2.

10、耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代谢糖类生 成乙酸。 2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O C6H12O6 3CH3COOH .产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的 终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸 和H2/CO2转化成CH4/ CO2。产甲烷菌广泛存在于水底 沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。 生成CH4的主要反应如下： CH3COOH CH4 + CO2 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH 3CH4+ CO2 + 2H2O各种发酵性细菌 玉米秸发酵时

11、的发酵性细菌 食氢产甲烷菌甲烷八叠球菌甲烷丝菌 （二）沼气发酵微生物的作用 1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养； 2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境； 3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质； 4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。 （三）沼气发酵微生物的特点 1、分布广，种类多 上至万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹；沼气微生物在自然界分布也很广，种类达200-300种。 2、繁殖快，代谢强 产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。 3、适应性强，容易培养 与高等生物相比，多种微生物适应性较强，并且

12、容易培养。例如，沼气池里的微生物在10-60C条件下，都能进行沼气发酵。 人工制取沼气的基本条件是： 一、适宜的发酵原料 二、质优足量的菌种 三、严格的厌氧环境 四、适宜的发酵温度 五、适度的发酵浓度 六、适宜的酸碱度 三、沼气发酵过程目前公认的沼气发酵过程复杂有机物（多糖、脂类、蛋白质等）可溶性物质（糖类、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOHCH4H2O丙酸、丁酸等长链脂肪酸CH4CO2第一阶段是含碳有机聚合物的水解。纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳；第二阶段是各种水溶性产物经微生

13、物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳；第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。传统可再生能源甲烷 家庭式甲烷发酵生产示意图生物技术与能源发酵池结构沼气池组成与功能1981年组织出版了农村家用沼气池标准化选型图集（ZC-813），1985年出版了农村家用水压沼气池标准图集（GB4750-84），大力推广“圆、小、浅”的“三结合”（气、肥、卫）水压式沼气池。 传统可再生能源甲烷原材料与甲烷产量生物技术与能源 农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量 原料名称 每吨干物质产沼气量（m3） 甲烷含量/% 猪

14、粪 600 55 牲畜粪便 300 60 酒厂废水 500 48 废物污泥 400 50 麦秆 300 60 青草 630 70传统可再生能源甲烷10.4.2 应用举例 我国是沼气生产最大量的国家，生产量高达7106生物气单位，相当于22106吨煤的能量。 印度也是一个生产沼气的大国。按印度现有沼气的发展计划及规模，预测到2015年前，可建立1千万2千万个沼气池，到时印度的燃料源很可能以沼气为主。生物技术与能源10.5.1 氢能10.5.1.1 产氢的微生物生物质制氢技术 以生物质为原料利用热物理化学原理与技术制氢，如生物质气化制氢，超临界转化制氢，高温分解制氢；基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇转

15、化制氢。 利用生物途径转换制氢,如微生物发酵、直接生物光分解等。 生物技术与能源10 生物技术与能源10.5 未来新能源10.5.1.1 产氢的微生物常见的放氢微生物 产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类 藻类：颤藻属(Oscilayoria) 螺藻属(Spirulina) 念珠藻属(Nostoc) 项圈藻属(Anabaena) 非藻类：绿硫菌属(Chlorobium) 红硫菌属(Chromatium) 红螺菌属(Rhodospirillum)生物技术与能源 颤藻10.5.1.1 产氢的微生物常见产氢的非光合微生物 厌氧菌： 巴氏梭菌、产气微球菌、雷氏丁酸杆菌、克氏杆菌等。 兼性厌氧菌： 大肠杆

16、菌、嗜水气单胞菌、软化芽胞杆菌、多粘芽胞杆菌等。 生物技术与能源10.5.1 氢能10.5.1.2 产氢生化机理 叶绿体膜及氢化酶等组分混合反应产氢示意图生物技术与能源生物制氢方法的介绍1.直接光解技术（绿藻） 在厌氧条件下，绿藻既可以利用氢作为电子供体用于二氧化碳的固定或释放氢气 由于氧对氢酶的严重抑制，必须将光合放氧和光合放氢在时间上或空间上分开，可以通过部分抑制PSII光化学活性来实现：元素调控，如：硫、磷PSII抑制剂，如：DCMU、CCCP、FCCP代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii产氢速率为：7.95mmol H2/L ,100h.2.间接光解产氢（蓝

17、细菌）蓝细菌主要分为：蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类固氮酶：催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生吸氢酶：氧化由固氮酶催化产生的氢气可逆氢酶：能够氧化合成氢气总反应式为：12H2O + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2代表性菌（藻）株：Anabaena variablilis 4.2 umol H2/mg chla/h3.光发酵产氢（无硫紫细菌） 无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产生氢气 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2代表菌株为：Rh

18、odospirillum rubrumL: 180 ml H2/L of culture/h; : 3.6-4.0 L H2/L or immobilized culture/h 已有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机废水的实例4.光合异养微生物水气转化反应产生氢气 一些光合异养微生物在暗条件下能够利用CO做为单一碳源，产生ATP的同时释放出H2、CO2 CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g) (1) Rubrivivax gelatinosus CBS 不仅可以在暗条件下进行CO-水-气转换反应，而且能利用光能固定CO2将CO同化为细胞质；即使在有其他有机底物的情况下，其

19、也能够很好利用CO（2） Rubrivivax gelatinosus CBS 能够100%转换气态的CO成H2；（3）这类微生物的氢酶具有很强的耐氧性，在空气中充分搅拌时氢酶的半衰期为21h.代表性菌株：Rubrivivax gelatinosus CBS 96mmol H2/mg cdw/h5.暗发酵制氢 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 (1)当乙酸为终产物时：C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2(2)当丁酸为终产物时：C6H12O6 + 2H2O CH3CH2CH2COOH + 2H2 + 2CO2 当H2、C

20、O2分压增加，产氢速率明显降低，合成更多与产氢竞争的底物 氢气产生速率与：pH、水力停留时间、 氢分压等有很大关系 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，具有很强的环境、经济效益10.5.1 氢能应用实例 产氢细菌连续流富集装置 A：配水箱； B：计量泵； C：反应器； D：搅拌机； E： 气体流量计； F： 碱收集瓶生物技术与能源40L生物制氢及氢能电能转化一体化系统450L生物制氢反应器 世界首例发酵法生物制氢生产线在哈尔滨启动 由哈尔滨工业大学任南琪教授承担的国家“863”计划“有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程”，己在哈尔滨国际科技城日产1200立方米氢气

21、生产示范基地一次启动成功。 优势明显：以太阳能为能源、以水为原料，能量消耗小，生产过程清洁，受到各国生物制氢单位的关注。现况无奈：目前光合微生物制氢离实用化还有相当距离，光能转化率低，要大量制氢，就需要很大的受光面积，还没有满意的产氢藻。仍有希望：但普遍认为，光合生物制氢很有发展前景。据美国太阳能研究中心估算，如果光能转化率能达到10%，就可以同其他能源竞争。开发中国的生物制氢技术需要做到以下的政策和软件支持： (1)鼓励宣传。人是生物能源的生产主体和消费主体，有必要通过舆论宣传加强人们对生物能源的认识；（2）加大政府投资和扶持。在新的生物能源初始商业化阶段要进行减免税等优惠政策；（3）借鉴国外经验。充分调动地方和工业界的积极性（4）加强高校对生物能源的教育及研究。 随着人们对生物能源的认识不断加深，政府扶持力度的加大和研究的深人，生物制氢绿色能源生产技术将会展现出它更大的开发潜力和应用价值。10.5 未来新能源10.5.2 生物燃料电池10.5.2.1 产物生物燃料电池 氢氧型大肠杆菌电池装置（引自 施安辉，1990） 生物技术与能源用微生物當作觸媒的微生物燃料電池系統用微生物產物當作燃料的微生物燃料電