生物技术与能源

关于生物技术与能源第1页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五煤炭

石油不可再生 能源天然气第2页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五太阳能

风能水电能可再生 能源 生物能海洋能 地热能第3页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五生物技术与能源微生物与石油开采未来石油的替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源第4页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五微生物与石油开采•微生物勘探石油•微生物二次采油•微生物三次采油第5页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五微生物勘探石油1937年，地质科学工作者在进行直接分析底土(原生风化土)中的烃含量(气测法)，并用于判断地下油气的储存量时，发现油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。这种依季节而变的起因是由于微生物活动引起的。因而提出了油气田中的气态烃可借扩散方式抵达地面，及地表底土中存在能利用气态烃为碳源的微生物等看法。此外，这些菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对应的关系，所以可作为勘探地下油气田的指示菌。从20世纪40年代到60年代期间，随着微生物培养技术及菌数测定方法的不断改进，利用微生物勘探石油这项技术得到迅速发展。第6页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五

石油中的甲烷、乙烷和丙烷组成了石油中的气相成分。在石油蕴藏地区，这些气体可以冒到地表，并能为专一的烃利用细菌的生长提供营养。所以，当一些地方发现有这类细菌大量生长时，就提示着这些地区附近可能有石油沉积。但甲烷分解细菌并不是一个良好的指示菌，因为在生物学的许多代谢过程中，均能产生甲烷，故甲烷的存在并不提示着一定有石油存在。而乙烷由于生物学上并不大量产生，因此，乙烷的出现就指示着有石油蕴藏在附近地区。所以乙烷分解细菌常作为探明石油矿藏的一个指标。微生物勘探石油第7页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五微生物二次采油基本原理：利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸性物质及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。而且微生物产生的酸性物质可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油能从岩层缝隙中流出而聚集，便于开采。此外，微生物还可产生表面活性剂，降低油水的表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油通道。第8页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五微生物二次采油第9页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五•例如，磺弧菌属和梭状芽胞杆菌属中的许多微生物 能在油层上生长繁殖，它能代谢产生一定量的酸及H2、CO2等气体，改善油层的黏度及增加气压，从而使油田中剩余的油继续向上喷。试验结果表明，微生物技术处理后的采油量可提高20％～25％，有时甚至高达30％～34％。•美国德克萨斯州一口40年井龄的油井中，加入蜜糖 和微生物混合物，然后封闭，经细菌发酵后，井内 压力增加，出油量提高近5倍。澳大利亚联邦科学 研究院和工业研究所组织的地学勘探部也曾利用细 菌发酵工艺使油井产量提高近50％，并使增产率保 持了一年。英国某公司也曾在英格兰南部的石油开 发区中用细菌发酵技术使产油率提高近20％。微生物二次采油第10页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五基本原理：主要是利用微生物分子生物学技术，来构建能产生大量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，把这些菌体连同它们所需的培养基一起注入到油层中，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。

此外，利用微生物发酵产物作为稠化水驱油的目的是进一步降低石油与水之间的黏度差，减轻由注人的水不均匀推进所产生的死油块现象，让注入水在渗透率不一致的油层中均匀推进，增加水驱的扫油面积，从而提高油田的采油率并还能延长油井的寿命。微生物三次采油第11页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五微生物三次采油在油层中就地生长的细菌的代谢物驱替原油示意图第12页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五本源微生物驱油原理示意图第13页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五微生物三次采油

地层堵塞是降低采油量的一种常见的现象，其原因是在注入油田的水中含有各种各样的微生物，其中能利用石油的微生物种类较多，再加上油田中存在着某些微生物生长的良好环境，因而大量菌体繁殖及菌体代谢产物的沉积，造成了地层渗透率发生变化，并造成地层堵塞，影响产油量。影响地层渗透率的主要菌群有硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌、硫细菌等，其中影响最大的是硫酸盐还原菌。该菌能把硫酸盐还原成H2S。H2S与亚铁化合生成FeS黑色沉淀。此外，该菌还能使硫酸盐和含钙的盐类生成白色的硫酸钙沉淀。这些沉淀物很容易引起地层堵塞现象，它不仅影响采油量，还可能使整个油井报废。

消除微生物所造成的地层堵塞的有效方法之一是采用酸化的方法，在注入油田的水中加入能产酸并能在地层发酵生长的微生物，通过微生物代谢产酸来消除地层堵塞现象。此外也可以用产酸菌大量发酵含酸性的代谢产物，例如柠檬酸等，然后把这酸性物质加入到即将注人油田的水中，提高注入水的酸度，从而减轻地层堵塞现象，提高采油率。第14页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五未来石油的替代物—乙醇•生产乙醇燃料的意义及生化机理•乙醇替代石油的案例•乙醇替代石油所用的原材料和所面临的问题•纤维素发酵生产乙醇第15页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五

生产乙醇燃料的意义及生化机理意义：产能效率高； 在燃烧期间不生成有毒的一氧化碳，其污染程度低于其他常用燃料所造成的污染；

可通过微生物大量发酵生产，其成本相对低些。因而这项技术很容易被人们所采纳和推广。第16页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五生产乙醇燃料的意义及生化机理•生化机理： 乙醇发酵所需的原材料可选用蔗糖或淀粉，发酵所需的微生物主要是酵母菌。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。第17页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五生化机理：

通常乙醇发酵所需的原料依所使用的菌株而定。己糖发酵所用的菌株主要是酵母菌，可进行发酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳糖也能被利用。一般认为半乳糖比另外三种糖更难发酵。如果是用淀粉类的多糖，则必须先水解成单糖后才能被发酵。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3%号、葡萄汁酵母(S.uvarum)等。生产乙醇燃料的意义及生化机理第18页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五乙醇替代石油的案例•巴西

太阳能转化为化学能的生物材料中最理想的是甘蔗。它产能有效系数高达2.6％(理论值6.0％)。据有关资料报道，每公顷耕地平均可产甘蔗干物质35～40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家。早在80年代初，巴西每年大约有4000兆升的乙醇出口。到1985年止，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。到1988年时，88％的新轿车的发动机都使用乙醇。第19页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五第20页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五•乌拉圭靠种植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。•非洲的马拉维杜瓜酒厂早在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％。乙醇替代石油的案例第21页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五•发达国家也种植一些适合其本国气候的燃料农作物。像澳 大利亚、美国、瑞士和法国，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。•根据有关研究报道，用乙醇来代替汽油的作法还有许多间 接好处。如把乙醇加入到汽油中，可消除对十四乙基化合 物的需求，这种做法很显然对减缓地球升温起到积极的作 用。此外，用乙醇发动机作为动力机，消耗的乙醇燃料所 排出的CO、碳氢化合物和氧化氮含量，比使用汽油发动机 所排放出的量分别减少57％、64％及13％。•因而可知，使用乙醇燃料不仅仅起着替代石油的作用，而且对环境保护也起到积极的作用。乙醇替代石油的案例第22页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五乙醇代替石油所用的原材料和所面临的困难•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。第23页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五关键：如能发明高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇的工艺“生物技术”乙醇代替石油所用的原材料和所面临的困难第24页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五纤维素发酵生产乙醇•酸、碱处理法

条件苛刻，对设备有很强的腐蚀作用，需要耐酸的设备；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。•酶水解法

需要葡聚糖内切酶(ED)、纤维二糖水解酶(CHB)和β-葡萄糖酶(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。这种发酵工艺所需的设备简单，成本低，但不足之处是所获的乙醇产量不高，因而生产成本较高。第25页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五•混合发酵法

可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发的部分问题。例如，热纤梭菌能分解纤维素，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。纤维素发酵生产乙醇第26页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五纤维素发酵生产乙醇•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： ①把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基因和一个β-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。 ②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。第27页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五•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。•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。纤维素发酵生产乙醇第28页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五摆脱石油缺乏的困境第29页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五植物“石油”•产“石油”的灌木牛奶树三角大戟兰桉树可比巴银合欢树第30页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五油料植物•向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和巴巴苏坚果第31页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五藻类产油•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》曾报道，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，研究目标是想在2010年前，用 藻类生产的汽油能提供美国机动车所用燃料总量 的8％～10％。第32页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五甲烷与燃料源•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％。•甲烷被认为是起着温室效应的主要气体之一。它很有可能对未来温室效应起着总效应的18％～20％的作用。第33页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五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步骤：①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。②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。③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。第34页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五家庭式甲烷发酵生产示意图农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量第35页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五应用举例•我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7×106生物气 单位，相当于2.2×107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.第36页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五应用举例•在美国加州，采用牛粪生产甲烷能给一个工厂提供20 000kW·h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113 000m3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3～4吨固态肥及

30～35m3左右的液态肥，可为两台功率为140kW的发电机 提供动力。第37页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五未来新能源•氢能：燃烧产物为水，无污染第38页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五产氢的微生物•1942年Gafron和Rubin发现珊列藻(Sceaedesmas)可产氢。•产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类。藻类有颤藻属、 螺藻属、念珠藻属、项圈藻届、小球藻属、珊列藻属及 衣藻属等。非藻类放氢微生物有绿硫菌属、红硫菌属和红 螺菌属等。•产氢的非光合微生物可分为厌氧菌及兼性厌氧菌。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类中能使之大幅度地提高产氢量。第39页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五产氢生化机制•20世纪60年代初期就已经证实用人工电子供体、含有氢化 酶的细菌提取物、从菠菜中分离出的叶绿体混合后能产生 氢气。叶绿体膜及氢化酶混合后的产氢机制提高产氢量的关键措施是寻找对氧不敏感的氢化酶，eg.产碱杆菌属的氢化酶第40页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五应用实例•Weissman和Benemam把项圈藻固定于圆筒形的容器中能连续产氢18天；而Jeffries等也利用此藻研究生产氢气长达30天。•用光照射固定化的叶绿体时可连续生成10μmolH2／mg叶绿素。固定化氢产生菌用于反应体系进行连续生产氢气，其产氢量为20mlJ(min·kg凝胶湿重)。第41页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五生物燃料电池•定义：所谓微生物电池就是利用微生物的 代谢产物作为物理电极活性物质，引起原 物理电极的电极电位偏移，增加电位差， 从而获得电能的装置。以酶为基础的生物燃料电池第42页，共48页，2022年，5月20日，11点8分，星期五生物燃料电池•1910年，英国植物学家Potter把酵母或大肠杆菌放人含有葡萄糖的培养基中进行厌氧培养，其产物在铂电极上能显示出0.3～0.5V的开路电压和0.2mA的低电流。•