5-20 现代生物技术与能源课件

现代生物技术与能源5-205-20现代生物技术与能源煤炭

石油不可再生 能源天然气5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源太阳能

风能水电能可再生 能源 生物能海洋能 地热能5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与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5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源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。酸性物质可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油便于开采。效率：采油量可提高20%～30%5-20现代生物技术与能源原理：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的菌株。让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压,而且还能通过分泌的表面活性剂,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5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源未来石油的替代物—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5-20现代生物技术与能源车用乙醇汽油车用乙醇汽油5-20现代生物技术与能源

生产乙醇燃料的意义及生化机理意义：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，其成本相对较低。因而这项技术很容易被人们所采纳和推广。5-20现代生物技术与能源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，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。5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源生化机理：

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号及台湾酵母、葡萄汁酵母(S.uvarum)等。

生产乙醇燃料的意义及生化机理5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源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。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。

1980年，巴西每年大约有4000兆升的乙醇出口。

1985年，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。1988年,88％的新轿车的发动机都使用乙醇。5-20现代生物技术与能源•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％。5-20现代生物技术与能源•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。5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源摆脱石油缺乏的困境5-20现代生物技术与能源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。5-20现代生物技术与能源关键：高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇的工艺“生物技术”5-20现代生物技术与能源纤维素发酵生产乙醇•酸、碱处理法

国内许多生产乙醇的高活性菌株均不能直接利用纤维素作为发酵过程中所需的糖类物质，必须对所含的纤维素进行一系列的酸、碱处理，并转化成微生物可利用的糖类。然后再使用微生物发酵生产乙醇。

缺点：条件苛刻，对设备有很强的腐蚀作用，需要耐酸碱的设备；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。5-20现代生物技术与能源•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。优点：这种发酵工艺所需的设备简单，成本低。缺点：所获的乙醇产量不高，因而生产成本较高。5-20现代生物技术与能源•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。优点：可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发的部分问题。5-20现代生物技术与能源•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。5-20现代生物技术与能源•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。•面临困难：由于纤维素分子是一种异质结构的聚合物，水解速率远远低于淀粉和其他糖类化合物。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。5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源植物“石油”“石油”植物，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的植物的总称。

现已发现的大量可直接生产燃料油的植物，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的代用品。5-20现代生物技术与能源发现历程植物“石油”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的化学家、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"的植物，进而从地里"种"出石油来。它的胶汁的化学成分与柴油相似，无需加工提炼，即可充当柴油使用。三叶橡胶树5-20现代生物技术与能源植物“石油”•产“石油”的树木牛奶树油楠银合欢树三角大戟兰桉树麻风树5-20现代生物技术与能源油料植物向日葵油棕榈椰子花生油菜子巴巴苏坚果5-20现代生物技术与能源藻类产油

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》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％。5-20现代生物技术与能源5-20现代生物技术与能源最近美国西北太平洋国家实验室（PacificNorthwestNationalLaboratory）的科学家宣称，他们成功完善了一种将藻类转化为原油的新工艺，方法是对藻类原料进行30分钟的“高压蒸煮”。由此产生的是轻质低硫原油，可加入处理化石原油的炼油炉，得到进一步的提炼。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的过程。5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源甲烷与燃料源•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％。5-20现代生物技术与能源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。5-20现代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5-20现代生物技术与能源•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。5-20现代生物技术与能源应用举例•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113000m3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30～

35m3左右的液态肥，可为两台功率为140kW的发电机提供动力。5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源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5-20现代生物技术与能源未来新能源•氢能：氢气在然燃烧时