生物技术与能源

延安大学教学课件——生物技术概论生物技术与能源

目标要求①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。②了解人工种植能产“石油”的树木及开发各种未来新能源等途径，以满足人类需能的要求。③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。教学内容一、微生物技术与石油开采二、未来石油的替代物——乙醇三、植物“石油”四、甲烷与燃料源五、未来的新能源石油的原料是生物的尸体在地球上发现3000种以上的碳氢化合物，石油是由其中350种左右的碳氢化合物形成的，比石油更轻的碳氢化合物则成为天然气。石油是怎样形成的？一、微生物技术与石油开采1．1微生物勘探石油采取地震法、地球物理法及地球化学法

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。一、微生物技术与石油开采1957年有人报道，用微生物勘探确认的16个油矿中，其中有13个有开采价值的油气田及3个无开采价值的油气田，油气区准确率100％，有投产价值的准确率也高达80％左右一、微生物技术与石油开采1966年，Butler报道了把能利用气态烃的氧化菌的细胞浆提取液注入动物体内，并提取含抗体的血清，紧接着用抗血清与待测土壤洗涤液作用。如果能得到正的结果，则表示土壤中存在利用烃的微生物，从而进一步判断地下是否存在油气田。强化注水是二次采油广泛应用的有效增产措施，注水的主要目的是进一步提高油层的压力。多年来现场开采的增产的实例已证实了用注水法能使采油量由原来占油田储存油气量的30％提高到40％～50％左右一、微生物技术与石油开采1．2微生物二次采油基本要点是：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。增加地层压力降低原油的黏度降低油水的表面张力一、微生物技术与石油开采采油微生物应具备的生物学特性

采油微生物可以降低油—水界面和油—岩石界面的张力，降低原油黏度，由此改变原油的性质。因此，注入油层的采油微生物必须具备如下的基本生物特征。

①厌氧或兼性厌氧。在地层无氧条件下能生长繁殖并进行厌氧发酵，在地上有氧条件下也能生长繁殖。

②在油层高温、高压、高盐等极端环境下能生长繁殖并代谢，且生长速度比油层中本来存在的微生物生长速度快。

一、微生物技术与石油开采③采油微生物最好能以油层中存在的烃类作碳源，能以储油层内的无机盐作为氮源或营养元素，以减少成本。

④采油微生物必须与其注入油层的环境条件相配伍相适应。能在油层内运移，能生长繁殖，并产生有机、气体、表面活性剂、生物聚合物、有机溶剂等多种代谢产物。

能在50°C以上的温度及缺氧条件下生长的中度嗜盐细菌，是用于微生物采油的最有力的竞争者。

一、微生物技术与石油开采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倍一、微生物技术与石油开采1．3微生物三次采油利用微生物分子生物学技术

——基因工程菌株大量产生CO2和甲烷高聚物，糖酯一、微生物技术与石油开采早期，有人利用乳酸杆菌属(Lactobacillus)中的一些菌株发酵葡萄糖，生成葡聚糖；肠膜状明串珠菌发酵生产葡聚糖。把葡聚糖加人注入油田的水中，使油、水之间的黏度差降低，从而提高产量。一、微生物技术与石油开采1981年，美国因利用微生物发酵技术而多产油2000万桶，价值6亿美元。1989年，据前苏联《能源》刊物介绍，他们的科学家已经提出了有效开采石油的新技术二、未来石油的替代物——乙醇2．1生产乙醇燃料的意义及其生化机制二、未来石油的替代物——乙醇二、未来石油的替代物——乙醇二、未来石油的替代物——乙醇二、未来石油的替代物——乙醇二、未来石油的替代物——乙醇二、未来石油的替代物——乙醇乙醇作为燃料的益处有：①产能效率高；②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③可通过微生物大量发酵生产，其成本相对低些。三、植物“石油”3．1产“石油”的灌木植物界中有许多能产“石油”的植物。这些植物都是橡胶树的近缘，所含的汁液不仅丰富，而且有较高比例的碳氢化合物，如对这些液汁进行适当地加工后，可与汽油混合作为动力机的燃料。牛奶树三角大戟三、植物“石油”近期，在欧洲用改良的油菜种子油作为一种内燃机燃料的替代物，并获得相当可观的利润。这种内燃机油的反应是在NaOH催化剂的作用下进行的，其反应温度为5℃。1吨的菜籽油与0．1吨乙醇反应可产生1吨的脂和0．1吨甘油。四、传统可再生能源——甲烷全球最大的畜禽类沼气发电厂日前在我国诞生并正式发电，该项目由蒙牛乳业集团投资4500万元在呼和浩特蒙牛澳亚国际牧场建成。该厂年发电量可达1000万度，并从发电当天起直接接入国家电网。2008.03四、传统可再生能源——甲烷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。甲烷正在从西伯利亚冻土带的湖泊中冒出。

四、传统可再生能源——甲烷①初步反应：利用芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudonmnas)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。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。四、传统可再生能源——甲烷③甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲烷及CO2。四、传统可再生能源——甲烷四、传统可再生能源——甲烷四、传统可再生能源——甲烷我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7X106生物气单位，相当于2.2X107吨煤的能量。在美国加州，采用牛粪生产甲烷能给一个工厂提供20000kW·h的电能菲律宾的一家农工业联合企业拥有近4x105m2的稻田和经济林，养100头牛、25000头猪和11000只鸭，且设有养鱼塘、肉食品加工厂等.每天可生产2000m3沼气五、未来的新能源5.1氢能原因是氢气在燃烧时，除了释放发热量相当于汽油的3倍之外，其燃烧剩余物均为水，不会造成环境污染，堪称为绿色燃料发现：1942年Gafron和Rubin发现珊列藻可产氢又发现：许多光合微生物及非光合微生物也能产氢五、未来的新能源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、项圈藻属、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五、未来的新能源生活习性：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、多黏芽胞杆菌等五、未来的新能源5.2生物燃料电池五、未来的新能源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1962年，Rohrback用葡萄糖为原料，利用丁酸杆菌发酵所产生的氢来构建氢—氧型微生物电池，但所获的电流仍然很低五、未来的新能源按生物燃料电池的构造不