现代生物技术与能源

现代生物技术与能源煤炭石油不可再生能源天然气太阳能风能水电能可再生能源生物能海洋能地热能生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源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大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点微生物二次采油原理:利用微生物能在油层中发酵并产生大量得酸性物质及H2、CO2及CH4等气体得生理特点。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,降低原油得黏度,使原油便于开采。效率:采油量可提高20%～30%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得菌株。让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压,而且还能通过分泌得表面活性剂,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%。微生物三次采油生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源未来石油得替代物—乙醇生产乙醇燃料得意义及生化机理乙醇替代石油得案例乙醇替代石油所用得原材料和所面临得问题纤维素发酵生产乙醇车用乙醇汽油车用乙醇汽油生产乙醇燃料得意义及生化机理意义:产能效率高;在燃烧期间不生成有毒得一氧化碳,其污染程度低于

其她常用燃料所造成得污染;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。生产乙醇燃料得意义及生化机理生化机理:乙醇发酵所需得原材料可选用蔗糖,发酵所需得微生物主要就是酵母菌。酵母菌含有丰富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶就是胞外酶,能将蔗糖水解为单糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶就是胞内参与乙醇发酵得多种酶得总称,单糖必须透过细胞膜进入细胞内,在酒化酶得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。生化机理:如果就是用淀粉类得多糖,则必须先水解成单糖后才能被发酵。淀粉得糖化通常就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。

酵母菌发酵乙醇得生化过程就是采用厌氧途径。工业发酵上常用得菌株有:啤酒酵母(S、cereuisiae)中得德国1号和12号及台湾酵母、葡萄汁酵母(S、uvarum)等。生产乙醇燃料得意义及生化机理乙醇替代石油得案例巴西太阳能转化为化学能得生物材料中最理想得就是甘蔗。据有关资料报道,每公顷耕地平均可产甘蔗干物质35～40吨,所产生得能量相当于14、5吨石油或24-26吨煤所产生得热值。巴西就是盛产甘蔗得国家,也就是一个利用发酵工艺生产乙醇代部分石油得典型国家。1980年,巴西每年大约有4000兆升得乙醇出口。1985年,巴西乙醇产量为11900兆升,出售得汽车中得3/4就是用乙醇作燃料得。在1000

万辆汽车中有120万辆完全使用乙醇,其余得使用含23％乙醇得混合汽油。1988年,88％得新轿车得发动机都使用乙醇。乌拉圭靠种植65万公顷得甜高粱并用于发酵生产 酒精,其产量可替代大约45％得石油。这65万公 顷土地只相当该国领土面积得4％,并不会影响用 于产粮和饲养牲畜所需得土地。非洲得马拉维

在1982年就投产生产乙醇并用于燃料。她得年产量为1000万升。而该国每年所需

得汽油量仅5000万升,可满足市场所需汽油量得20％。发达国家也种植一些适合其本国气候得燃料农作物。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得废弃物发酵乙醇。1987年,美国用玉米作原料发酵生产大约3万亿升得乙醇,到1989年已达到32万亿升乙醇产量。摆脱石油缺乏得困境乙醇代替石油所用得原材料和所面临得困难在当前世界人口相当密集 得时代,可利用得土地资 源日益减少,粮食供应仍 就是一大问题;粮食成本较高,这样就可 能增加乙醇生产得成本, 使乙醇价格明显高于石油 价格。关键:高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇得工艺“生物技术”纤维素发酵生产乙醇酸、碱处理法国内许多生产乙醇得高活性菌株均不能直接利用纤维素作为发酵过程中所需得糖类物质,必须对所含得纤维素进行一系列得酸、碱处理,并转化成微生物可利用得糖类。然后再使用微生物发酵生产乙醇。缺点:条件苛刻,对设备有很强得腐蚀作用,需要耐酸碱得设备;水解过程会生成有毒得分解产物如糖醛、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)这三种酶得协同作用才行。能产生这三种酶并被分泌到胞外得就是真菌类微生物,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:这种发酵工艺所需得设备简单,成本低。缺点:所获得乙醇产量不高,因而生产成本较高。混合发酵法热纤梭菌能直接分解纤维素生成乙醇,但乙醇产量低(50％),而热硫化氢梭菌不能直接利用纤维素,但所产出得乙醇量相当高。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:可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发得部分问题。基因工程技术既能直接利用纤维素又能高产乙醇得基因工程菌,也就是潜在得最有发展前途得技术之一。目前基因工程菌得构建主要采用两种技术路线:①把能水解纤维素得葡聚糖内切酶基因、纤维二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶基因克隆在能产生乙醇得菌株中,并研

究该菌株利用纤维素作原料得情况。②把能产生乙醇得基因克隆到能降解纤维素,但不能生产乙醇得菌株中。例如,把运动发酵单胞菌得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得克雷伯氏氧化杆菌中就能直接发酵纤维素产生乙醇。新得纤维素乙醇厂得内部图示,该装 置可以把农业纤维素废弃物转化为乙 醇。在右边得那个发酵罐内部,生化 酶可以有效降解纤维素。面临困难:由于纤维素分子就是一种异质结构得聚合物,水解速率远远低于淀粉和其她糖类化合物。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得纤维乙醇生产厂,美国能源部正在资金支持12个甚至更多得公司建立纤维乙醇示范工厂或商业运营工厂。生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源植物“石油”“石油”植物,就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得植物得总称。现已发现得大量可直接生产燃料油得植物,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得代用品。植物“石油”发现历程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得化学家、诺贝尔化学奖得主梅尔温·卡尔文突发奇想,决定寻找可能生产"石油"得植物,进而从地里"种"出石油来。三叶橡胶树她得胶汁得化学成分与柴油相似,无需加工提炼,即可充当柴油使用。植物“石油”产“石油”得树木牛奶树油楠银合欢树三角大戟兰桉树麻风树油料植物向日葵油棕榈椰子花生油菜子巴巴苏坚果藻类产油藻类能产生大量得脂类,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得太阳能研究所用一个直径20m得池塘养殖藻类,

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,开发能产更多得油脂类得藻类,研究目标就是用藻类生产得汽油能提供美国机动车所用燃料总量得8％～10％。最近美国西北太平洋国家实验室(Pacific

NorthwestNational

Laboratory)得科学家宣称,她们成功完善了一种将藻类转化为原油得新工艺,方法就是对藻类原料进行30分钟得“高压蒸煮”。由此产生得就是轻质低硫原油,可加入处理化石原油得炼油炉,得到进一步得提炼。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得过程。生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源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得辅助性燃料。天然气气源就是由远古时代得生物群体衍变而来,通过钻井开采获得得,就是一种不可再生得能源。在地表也存在甲

烷,她主要来自于天然得湿地、稻根及动物得肠道内发酵

而释放得,其相对总量大约分别为20％、20％及15％。家养得牲畜就是动物释放甲烷得主要来源,大约占所有动物释放甲烷量得75％。而人类仅占0、4％。生产甲烷得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得有机物转化成可溶性得混合组分。②微生物发酵过程:低相对分子质量得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,甲烷生产就是一个复杂得过程,有若干种厌氧菌参与该反应过程。农村常用发酵生产甲烷得原料及沼气产量我国就是沼气生产量最大得国家,生产量高达7×106生物气单位,相当于2、2×107吨煤得能量。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得造价,很可能会低于一辆自行车得价格。据报道国内农村正在使用得厌氧发酵反应器(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。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20000kW·h得电能。美国一牧场建立一座反应发酵池,主体就是一个宽30m,长213m得密封池,利用牧场粪便和其她有机废物等,每天可处理1640吨厩肥,每天可为牧场提供113000

m3得甲烷,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30～

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m3左右得液态肥,可为两台功率为140kW得发电机提供动力。生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源生物技术与能源微生物与石油开采未来石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷与燃料源未来新能源未来新能源氢能:氢气在然燃烧时产生得热量相当于汽油得3倍, 并且燃烧产物为水,无污染。产氢得微生物1942年Gafron和Rubin发现珊列藻(Sceaedesmas)可产氢。产氢得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