生物技术与能源.ppt

1、2020/7/10,1,生物技术与能源,授课教师 朱飞舟 Ph.D 中南大学生物科学与技术学院生化系,2020/7/10,2,本章概要,生物技术在能源生产中的应用,生物能源的概念及种类,2020/7/10,3,什么是能源？,生命的能源 机械的能源 不可再生能源：石油、煤炭、天然气 可再生能源：太阳能、风能、地热能、水能、生物质能,2020/7/10,4,1 微生物技术与石油开采 1.1 勘探石油的方法 地震法、地球物理法和地球化学法 微生物法,一、生物技术在能源生产中的应用,2020/7/10,5,油区底土中的重烃含量与季节变化存在一 定联 系，这种联系与微生物相关。 抗血清筛选土壤中利用烃的

2、微生物。,1.2 微生物石油勘探技术的实验依据,2020/7/10,6,采油基本原理：油层自身（一次）或外在的压力(二次） 强化注水，增加压力（由30%增加到40-50%） 微生物产气，增加压力（由30%增加到50-65%） 采用效率和成本,1.3 微生物二次采油技术,2020/7/10,7,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

3、采油量15%30%。,1.4 微生物三次采油原理与效率,2020/7/10,8,2 微生物与天然气生产,微生物转化难开采劣质油为天然气 微生物转化难开采煤为天然气,2020/7/10,9,生物质能：通过各种物理、化学、生物的方法将生物质转化成的能源物质。 如乙醇、丁醇、生物油、生物柴油、生物甲烷、生物氢气、生物电等。,二、生物能源,2020/7/10,10,From Sunlight to Renewable Bioenergy,2020/7/10,11,2020/7/10,12,Biomass Fuel Production,2020/7/10,13,1 未来石油的替代物乙醇,乙醇燃料汽车,

4、乙醇作为燃料的益处 不含有毒物质 不生成一氧化碳,2020/7/10,14,糖代谢与乙醇生成,1.1 生产乙醇燃料的生化原理,2020/7/10,15,糖代谢与肌肉组织乳酸形成,2020/7/10,16,糖代谢与酵母乙醇发酵,2020/7/10,17,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,1.3 传统的乙醇发酵,2020/7/10,18,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,产量（10亿升）,巴西早期乙醇生产情况,2020/7/10,19,1.4 乙醇代替石油的困境第二代燃料乙醇,2020/7/10,20,生产乙醇原材料化学

5、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,巴西种植甘蔗发展乙醇燃料,1.5 纤维素发酵生产乙醇,2020/7/10,21,Biomass Processing,2020/7/10,22,Cellulose and hemicellulose degradation by microbial cellulase and hemicellulase Clellulase may be isolated from fungi, yeast and bacteria.,Microbes in Bioethanol P

6、roduction,2020/7/10,23,Microbes in Bioethanol Production,Pichia stipitis is a fungus that ferments xylose to ethanol, and degrades lignin and cellulose for the potential conversion of biomass to ethanol. The highest yields for the conversion of biomass to ethanol are expected to come from microorgan

7、isms such as P. stipitis that can ferment the sugar xylose.,The lack of industrial-grade microorganisms for converting biomass into fuel ethanol has traditionally been cited as a major technical roadblock to develop a bioethanol industry.,2020/7/10,24,3C5H10O5 5C2H5OH + 5CO2,酵母木糖代谢的途径比葡萄糖代谢的途径复杂得多,酵

8、母木糖代谢产生酒精的理论得率为0. 46 克酒精/ 克木糖,葡萄糖酒精发酵的理论得率:0. 51 克酒精/ 克葡萄糖。,2020/7/10,25,Bioethanol Process,2020/7/10,26,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。 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。,基因工程技术,2020/7/10,27,1.6 五元糖的利用菌株的筛选,植物纤维原料中戊聚糖占20 %30 % 筛选方法(1) 从自然界中筛选戊糖发酵菌种。(2) 采用定向培育技术, 通过对已有菌株的长期

9、驯化筛选从而得到所需菌株。(3) 采用原生质体融合技术。(4) 基因工程在菌种选育上的应用。 能利用五元糖的微生物：细菌、酵母、真菌，及其重组体。,2020/7/10,28,Sources of Lignocellulosic(木质纤维素） Digesting Microorganisms, Such As Termites and Bettles,2020/7/10,29,2 生物柴油（Biodiesel）,由生物油脂转化而成的柴油相当产物 反应式：甘油三酯 脂肪酸短链醇酯+甘油 生物柴油于1988年由欧洲聂尔公司发明，1991年正式工业规模生产。2001年欧洲产量为78万吨，02年达到10

10、6.5，2003年142.8万吨。并计划在2010达到830万吨，2020年达到柴油市场份额为20%,2020/7/10,30,2.1 生物柴油的原料,动物油 植物油 微生物油脂,生产生物柴油的方法: 化学催化合成法 生物酶解法,2020/7/10,31,How a Beverly Hills doctor powered his SUV using his patients spare tires Superboat Burns Human Fat to Zip Around World,Give blood, save lives; give fat, save the planet？,2

11、020/7/10,32,10.4.2 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,2.2 植物“石油”,麻风树(小桐子、青桐木 ）,2020/7/10,33,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。,2.3 油料植物,2020/7/10,34,植物和光合微生物油脂制备生物柴油的比较,2020/7/10,35,2.4 产油微生物,异养型：以糖类、淀粉、纤维素水解液为营养合成类脂 自养型：利用太阳能，以二氧化碳为碳源合成类脂,

12、2020/7/10,36,异养型微生物,非光合作用产油微生物：细菌、酵母、真菌。 原料：淀粉、糖、纤维素水解液,2020/7/10,37,光合微生物包括光合细菌和微藻 提高工程小环藻产油的途径： 设法提高乙酰辅酶A羧化酶或其他脂肪酸合成相关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。,自养型微生物-光合作用微生物,2020/7/10,38,Photosynthetic Microbes As Feedstock for Biodiesel Production,Rhodopseudomonas palustris: Photosynthetic bacterium,Like pla

13、nts, a large collection of microorganisms are capable of photosynthesis, including the purple bacteria, the green bacteria, heliobacteria, the cyanobacteria and algae,2020/7/10,39,2.5 工程细菌产油,通过基因改造大肠杆菌，直接合成单脂肪酸甲酯、或脂肪酸乙醇酯（生物柴油）,2020/7/10,40,3.1 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(Pseud

14、omonas)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。,3 传统可再生能源甲烷,2020/7/10,41,家庭式甲烷发酵生产示意图,发酵池结构,3.2 甲烷发酵,2020/7/10,42,原材料与甲烷产量,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

15、 青草 630 70,3.3 甲烷生产原料,2020/7/10,43,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。,3.4 甲烷应用实例,2020/7/10,44,3.5 微生物转化残油和劣质煤生产甲烷,残留于岩石和沙土里的石油（没有开采价值） 没有开采价值的劣质煤,2020/7/10,45,4 生物电生物燃料电池,Microbial fuel cell (MFC),Chemical energy,Electr

16、ical energy,Microbes,Organic compounds,2020/7/10,46,Schematic of a microbial fuel cell (MFC). Bacteria attached to the cathode remove electrons from an organic electron donor (or fuel) and transfer them to the anode. The electrons move through the electrical circuit to the anode, where they reduce O

17、2 to H2O. To maintain electroneutrality, protons (Ht) or other ions move between the anode and cathode via the aqueous solution. Bioelectrical energy is harvested from the flow of electrons from the cathode to anode.,微生物电池的原理,2020/7/10,47,电子传递介质介导的生物电池,2020/7/10,48,没有电子传递介质的生物电池,2020/7/10,49,植物微生物燃料

18、电池,2020/7/10,50,生物燃料电池应用,废水、污水治理 车用电池,2020/7/10,51,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。,5 未来新能源-氢能,2020/7/10,52,产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类 常见产氢非光合微生物 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： 大肠杆菌、嗜水气单胞菌、软化芽胞杆菌、多粘芽胞杆菌等。,颤藻,5.1 常见的产氢微生物,2020/7/10,53,叶绿体膜及氢化酶等组分混合反应产氢示意图,5.2 产氢生化机理,2020/7/10,54,5.3 产氢新技术微生物电解电池,Schematic of a microbial electrolytic cell (MEC). An MEC is similar to an MFC, except that O2 is excluded from the cathode compartm