能源微生物学绪论.ppt

能源微生物学 北方民族大学生物科学与工程学院 授课教师 : 刘雅琴 E-mail: qq: 531453557 Tel: 13995380981 课程编号： 12100690 课程名称：能源微生物学 课程类型：专业选修课（限选） 总 学 时： 32学时 学 分： 2学分 先修课程：微生物学、生物化学、发酵工程 课程的目的与任务 以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源 微生物在环境保护、非再生能源节约和有关领域综合效益提 高等方面，都有直接而显著的促进作用，能源微生物的开发 利用将极大促进生物能源产业的发展。 能源微生物学 是 研究能源微生物的种类、及其结构、形态、生理生化、生态 分布等的基础知识与基本理论，以及能源微生物在能源转化 中的作用等。涵盖利用微生物技术转化可再生能源的基础理 论、基本工艺、应用情况和发展前景。通过本课程的学习， 可拓宽学生的知识面，使学生了解生物技术发展的一个新领 域，培养学生独立思考的能力。 课程简介 当前全球面临的能源和环境危机，将微生物技术与 可再生能源转化有机结合起来。本课程从实用的角度出 发，内容主要包括能源微生物概述、生物沼气、生物氢 气、生物乙醇、生物柴油、生物燃料电池等方面。是使 学生系统了解可再生能源生物转化的新技术、新材料、 新方法、新进展的集理论性和实践性为一体的一门课程。 教学安排与学时分配（共 32学时） 4 第七章 生物采油 4 第六章 生物柴油 4 第五章 生物燃料乙醇 4 第四章 生物氢气 4 第三章 生物沼气 2 第二章 生物炼制与可再生资源 2 第一章 能源微生物学绪论 学时 内容 第八章 生物燃料电池 第七章 煤炭的生物转化技术 4 4 采用讲授与课堂讨论相结合的教学方式。课外学生完 成课程作业，阅读与本课程相关的期刊论文 5-10篇。 主要教学方式： 考查，采用提交论文的形式（论文成绩占 60%，听课、 课堂讨论及作业成绩占 40%） 考核评分方式： 教 材： 参考书： 可再生能源的微生物转化技术 ，宋安东主编，科学出版社， 2009年。 1. 生物能源技术与工程化 ，张百良著，科学出版社， 2009年。 2. 石油微生物开采技术 ，张廷山等编著，化学工业出版社， 2009 年 。 3. 沼气发酵微生物学 ，钱泽澍、闵航编著，浙江科学技术出版社， 1986年。 4. 现代工业微生物学 ，姚汝德编著，华南理工大学出版社， 2001年。 第一章 绪论 1.1能源状况 1.1.1世界能源状况 能源是人类文明的先决条件，是经济增长和社会发 展的重要物质基础。能源安全是一个国家或地区实现经济 持续发展和社会进步所必需的保障。 狭义的能源安全指的是液体燃料 的供应安全，主要指石油供应安全。 在 20世纪的社会发展史中，以石油为主的化石能源占据 着举足轻重的地位。即，石油的供应与一个国家的外交、军 事和经济等领域息息相关；石油中断供应时，外交和军事手 段是解决经济问题的根本途径。 据统计，人类每年消耗的能源已经超过 87亿吨石油当量， 而且不断增长，预计到 2015年达到 112亿 172亿吨石油当量。 但资料表明， 1991年全球石油储量为 1330亿吨，按每年 30亿 吨消费计算，全球石油仅能维持到 2050年。 过去的 200多年，建立在石油、煤炭、天然气等化石燃 料基础的能源体系极大地推动了人类社会的发展。人类所需 的能量 80%以上来源仍然是石油、煤和天然气。 化石燃料消费的增加，有两个突出问题摆在我们面前： 造成环境污染日益严重； 地球上现存的化石燃料总有一天要枯竭。 化石燃料日益枯竭和环境问题的日趋严重，使人们对不 可再生的化石燃料储量的有限性和使用的局限性有了深刻的 认识。能源问题是当今世界各国都面临的关系国家安全和经 济社会可持续发展的中心议题，已经成为全球关注的焦点。 人们开始把目光转移到有利于社会可持续发展的可再生 能源体系 目前，世界能源发展已经步入一个崭新的时期，能源结 构将呈现多元化的发展趋势： 即世界能源结构正在经历由化石能源消耗为主向可再生 能源为主的变革。 根据国际能源机构（ International Energy Agency,IEA） 预测，在未来的能源结构中，石油和煤炭的比例将逐渐下降， 天然气、核能和可再生能源比例将逐渐上升。 生物质能作为世界一次能源消费中的第四大能源，是唯一 可存储和运输的可再生能源，在能源系统中占有重要地位。 生 物质资源 是生物质能的主要存在的载体，并且在可再生能源结 构体系中占相当大的比例。 生物质资源 主要包括农作物秸秆、能源作物、畜禽粪便和 农产品加工业副产品等，且取之不尽、用之不竭，具有广阔的 发展空间和潜力。 1.1.2 中国能源现状 中国已探明的石油可采储量约 62亿吨，已累计采出 34.6亿 吨，剩余 27.4亿吨。中国石油的消费，现仍以每年 13%的速度 激增，按目前的采油量计算，可供开采 17年。 进入 20世纪 90年代，中国的国民经济按年均 9.7%的速度增 长，原油消费按年均 5.77%的速度增加，而同期国内原油的增 长速度仅为 1.67%，导致中国自 1993年开始成为石油的净进口 国，且进口量逐年增大。 2006年，我国进口原油已达到 1.4亿吨，石油的对外依存 度到达到 47%。 进口石油耗去中国大量的外汇。 这是一个严峻的事实：国际经验表明，当一个国家石 油进口量超过 5000万吨，国际石油市场行情的变化就会影 响该国家的经济运行；超过 1亿吨，石油的安全问题就要由 外交、军事的手段来保证。国际惯例表明，当一个国家石 油的对外依存度超过 30%时，该国的石油安全是很危险的。 因此，从现阶段起，中国的石油安全问题实际已成为维系 国家和民族安危的大问题。 21世纪的今天，随着经济的迅猛发展，中国已跃升为世界 第二大能源消费国，已经成为全球进程中的一个重要支点，其 经济循环也日益融入世界经济体系中。 中国每年石油开采总量基本增幅很小，完全不能满足社会 发展的需要（见图 1.1）；而每年的石油净进口总量却在迅猛 递增（见图 1.2）。与此同时，以化石燃料为主的能源结构也 带来日益严重的环境问题。 中国原油总产量统计图 0 50 100 150 200 250 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 年份 原油总产量/百万吨 系列2 中国石油净进口量统计图 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 年份 净进口量/百万吨 系列1 1.2 微生物能源转化技术 1.2.1解决中国能源安全问题的途径 国际上解决能源安全问题的途径主要是建立战略石油储备， 即储存多余的石油来保障在石油危机时国家社会和企业的石油 供给。 根据中国的国情，中国解决能源安全问题主要有： 节能技术推广 可以缓解但不能彻底解决能源安全问题； 石油进口多元化和建立战略石油储备 石油进口多元化仅 能在一定程度和一定范围内解决能源问题；建立战略石油储备 是一个系统工程，需要政府为主的庞大资金投入； 目前最有效的途径是 能源供给多元化 ，而利用生物技术开发 的可再生能源是多元化能源体系中的关键部分。 1.2.2 利用微生物技术转化可再生能源 不管是液态的如乙醇、生物柴油、丁醇还是气态的如沼气 和氢气，均可来自于生物资源。通过 生物技术的方法 ，利用 能 源微生物 如产 乙醇菌、产丁醇菌、产甲烷菌、产氢菌 等对生物 质进行发酵生产。 生物燃料乙醇、生物沼气已成为当前可再生能源的重要组成 部分 生物氢气被认为是最有发展潜力、最清洁的能源 生物丁醇是刚刚引起重视的具有很高燃值的液态生物燃料。 随着生物酶技术的应用，生物柴油的转化可以不通过碱法 皂化，也可以不通过化学催化剂转酯化而可直接通过脂肪酶 的生产和应用来进行酶法转化。 燃料电池是一种将持续供给的 燃料 和 氧化剂 中的化学能连 续不断地转化成电能的电化学装臵。 生物燃料包括氢气、甲 醇、甲烷 可以通过生物技术的方法生产供应给燃料电池系统， 也可在燃料电池系统中直接配套生物燃料的发酵装臵，将生 物燃料的制取与电能的获得偶联起来。 石油工业与生物技术之间有着密切的联系。微生物活动与 石油地质学和地球化学之间有很强的相关关系： 可以通过微生物的种类、数量来勘探石油； 微生物的存在与活动对石油的开采有很强的推动作用， 可以通过微生物的生长、代谢产生一系列的物质来提高石油的 开采率； 抑制有害于石油工业的微生物的活动对提升油的品质、 提高油的产量有很重要的作用。 利用生物技术手段将煤炭变成高附加值的化工品或油类物质， 尤其是对低级的褐煤、风化煤的转化更为重要，这是一项重要 的矿业生物工程，更是一项生物技术能源领域的应用体现。 1.2.3 开发利用可再生生物能源的意义 许多国家和地区都已经开始利用可再生能源，这主要是由 于开展此项活动会产生重大的经济效益、社会效益和生态效益。 减少石油的需求量。 可再生能源可以替代先进车辆使用的石 油燃料。在常规的汽油中调和至少 10%或更高含量的乙醇形成的 乙醇汽油可以正常驱动机动车。生物柴油可以和石油柴油以任 意比例勾兑，纯的生物柴油甚至可以直接在常规的发动机上使 用。这样就可以减少石油的消耗，从而缓解能源紧张局面。 改善空气质量，降低温室气体的排放。 煤的燃烧向大气中排 放了大量的 SO2、 H2S、 CO2和 NOx等气体，造成酸雨和温室效应； 石油的燃烧也向空气中排放大量的 CO2，加重了地球的温室效应； 机动车排放的尾气，向大气环境中排放了大量的重金属铅。 与汽油和柴油相比，乙醇和生物柴油可显著减少温室气 体的排放。 使用从谷物生产的乙醇可降低温室气体排放量 30%左右，使用从甜菜和甘蔗生产的乙醇可分别降低温室气 体排放量 42%和 80%左右，使用从纤维素原料生产的乙醇可 降低温室气体排放量 60% 65%，使用从油菜获得的生物柴 油可降低温室气体排放量 55% 60%。特别是用纤维素来生 产乙醇是世界各国看好的重要可再生能源利用方法之一，甚 至有人认为这种乙醇的使用可实现碳的全部封闭循环，实现 温室气体的零排放，同时使用可再生能源可以降低空气中 CO、 SO2和颗粒物的含量。 改善车辆使用性能。 乙醇的辛烷值很高，可以用来提高汽油 的辛烷值，这样就可以减少过去传统提高辛烷值的物质甲基叔 丁基醚的使用，从而降低了铅的排放，减少环境污染。 有利于农业的发展。利用农作物，如玉米、小麦（用于生产 乙醇）、大豆和油菜（用于生产生物柴油），为农民增加了额 外的农产品市场，对农村经济发展起到了积极作用。利用农林 废弃物、农村和城市垃圾来生产沼气、乙醇等可以在减少环境 污染的同时补充能源的供应。