生物技术与能源课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,生物技术与能源,生物技术与能源,1,煤炭,石油,不可再生,能源,天然气,煤炭石油天然气,2,太阳能,风能,水电能,可再生,能源,生物能,海洋能,地热能,太阳能风能可再生海洋能,3,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,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,4,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,微生物与石油开采 微生物勘探石油 微生物二次采油 微生,5,微生物勘探石油,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。,这种依季节而变的起因是由于微生物活动引,起的。因而提出了油气田中的气态烃可借扩,散方式抵达地面，及地表底土中存在能利用,气态烃为碳源的微生物等看法。此外，这些,菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对,应的关系，所以可作为勘探地下油气田的,指,示菌,。从20世纪40年代到60年代期间，随着,微生物培养技术,及菌数测定方法的不断改,进，利用微生物勘探石油这项技术得到迅速,发展。,微生物勘探石油1937年，地质科学工作者在进行直接分析底土(,6,石油中的甲烷、乙烷和丙烷组成了石油中的,气相成分。在石油蕴藏地区，这些气体可以冒到,地表，并能为专一的烃利用细菌的生长提供营养。,所以，当一些地方发现有这类细菌大量生长时，,就提示着这些地区附近可能有石油沉积。但甲烷,分解细菌并不是一个良好的指示菌，因为在生物,学的许多代谢过程中，均能产生甲烷，故甲烷的,存在并不提示着一定有石油存在。而乙烷由于生,物学上并不大量产生，因此，乙烷的出现就指示,着有石油蕴藏在附近地区。所以,乙烷分解细菌,常,作为探明石油矿藏的一个指标。,微生物勘探石油,石油中的甲烷、乙烷和丙烷组成了石油中的微生物勘探石油,7,微生物二次采油,基本原理：,利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸,性物质及H,2,、CO,2,及CH,4,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。而且微,生物产生的酸性物质可溶于原油中，降低原油的,黏度，使原油能从岩层缝隙中流出而聚集，便于,开采。此外，微生物还可产生表面活性剂，降低,油水的表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短,链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输,油通道。,微生物二次采油基本原理：利用微生物能在油层中发酵并产生大量的,8,微生物二次采油,微生物二次采油,9,例如，磺弧菌属和梭状芽胞杆菌属中的许多微生物,能在油层上生长繁殖，它能代谢产生一定量的酸及,H,2,、CO,2,等气体，改,善油层的黏度及增加气压，从,而使油田中剩余的油继续向上喷。试验结果表明，,微生物技术处理后的采油量可提高20 25，,有时甚至高达3034。,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。澳大利亚联邦科学,研究院和工业研究所组织的地学勘探部也曾利用细,菌发酵工艺使油井产量提高近50，并使增产率保,持了一年。英国某公司也曾在英格兰南部的石油开,发区中用细菌发酵技术使产油率提高近20。,微生物二次采油, 例如，磺弧菌属和梭状芽胞杆菌属中的许多微生物H2、CO2,10,基本原理：,主要是利用微生物分子生物学技术，来构建能产生大量,CO,2,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，把这些菌体连同它们所需的培养基一起注入到油,层中，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。,此外，利用微生物发酵产物作为稠化水驱油的目的是进,一步降低石油与水之间的黏度差，减轻由注人的水不均匀推,进所产生的死油块现象，让注入水在渗透率不一致的油层中,均匀推进，增加水驱的扫油面积，从而提高油田的采油率并,还能延长油井的寿命。,微生物三次采油,基本原理：主要是利用微生物分子生物学技术，来构建能产生大量C,11,微生物三次采油,在油层中就地生长的细菌的代谢物驱替原油示意图,微生物三次采油在油层中就地生长的细菌的代谢物驱替原油示意图,12,本源微生物驱油原理示意图,本源微生物驱油原理示意图,13,微生物三次采油,地层堵塞,是降低采油量的一种常见的现象，其原因是在注入油田的水,中含有各种各样的微生物，其中能利用石油的微生物种类较多，再加上油,田中存在着某些微生物生长的良好环境，因而大量菌体繁殖及菌体代谢产,物的沉积，造成了地层渗透率发生变化，并造成地层堵塞，影响产油量。,影响地层渗透率的主要菌群有硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌、硫细菌,等，其中影响最大的是硫酸盐还原菌。该菌能把硫酸盐还原成H,2,S。H,2,S与,亚铁化合生成FeS黑色沉淀。此外，该菌还能使硫酸盐和含钙的盐类生成,白色的硫酸钙沉淀。这些沉淀物很容易引起地层堵塞现象，它不仅影响采,油量，还可能使整个油井报废。,消除微生物所造成的地层堵塞,的有效方法之一是采用酸化的方法，在,注入油田的水中加入能产酸并能在地层发酵生长的微生物，通过微生物代,谢产酸来消除地层堵塞现象。此外也可以用产酸菌大量发酵含酸性的代谢,产物，例如柠檬酸等，然后把这酸性物质加入到即将注人油田的水中，提,高注入水的酸度，从而减轻地层堵塞现象，提高采油率。,微生物三次采油地层堵塞是降低采油量的一种常见的现象，其原因,14,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,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,15,生产乙醇燃料的意义及生化机理,意义：,产能效率高,；,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；,可通过微生物大量发酵生产，其,成本相对低,些。因而,这项技术很容易被人,们所采纳和推广。,生产乙醇燃料的意义及生化机理一氧化碳，其污染程度低于其他,16,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或淀粉，,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CO,2,，而后乙醇及CO,2,通,过细胞膜被排出体外。,生产乙醇燃料的意义及生化机理生化机理：,17,生化机理：,通常乙醇发酵所需的原料依所使用的菌株而,定。己糖发酵所用的菌株主要是酵母菌，可进行,发酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳,糖也能被利用。一般认为半乳糖比另外三种糖更,难发酵。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3%号、,葡萄,汁酵母,(S. uvarum)等。,生产乙醇燃料的意义及生化机理,生化机理：通常乙醇发酵所需的原料依所使用的菌株而工 业,18,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,。它产能有效系数高达2.6(理论值6.0,)。据有关资料报道，每公顷耕地平均可产甘,蔗干物质3540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。早,在80年代初，巴西每年大约有4000兆升的乙醇,出口。到1985 年止，巴西乙醇产量为11 900 兆,升，出售的汽车中的34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 。 到 1988 年,时，88的新轿车的发动机都使用乙醇。,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,19,生物技术与能源课件,20, 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,的马拉维杜瓜酒厂早在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。,乙醇替代石油的案例, 乌拉圭靠种植65万公顷的甜高粱并用于发酵生产 非洲的马,21, 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。, 根据有关研究报道，用乙醇来代替汽油的作法还有许多间,接好处。如把乙醇加入到汽油中，可消除对十四乙基化合,物的需求，这种做法很显然对减缓地球升温起到积极的作,用。此外，用乙醇发动机作为动力机，消耗的乙醇燃料所,排出的CO、碳氢化合物和氧化氮含量，比使用汽油发动机,所排放出的量分别减少57、64及13。, 因而可知，使用乙醇燃料不仅仅起着,替代石油,的作用，而,且对,环境保护,也起,到积极的作用。,乙醇替代石油的案例, 发达国家也种植一些适合其本国气候的燃料农作物。像澳 根,22,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。,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,23,关键：如能发明高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇的工艺,“,生 物 技 术,”,乙醇代替石油所用的原材料和,所面临的困难,关键：如能发明高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇的工艺“生,24,纤维素发酵生产乙醇, 酸、碱处理法,条件苛刻，对设备有很强的腐蚀作用，需要耐酸的设,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。, 酶水解法,需要葡聚糖内切酶,(ED),、纤维二糖水解酶,(CHB),和,-,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。这种发酵工艺所需的设备简单，成,本低，但不足之处是所获的乙醇产量不高，因而生产成本较,高。,纤维素发酵生产乙醇 酸、碱处理法条件苛刻，对设备有很强,25, 混合发酵法,可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发的部分问,题。例如，热纤梭菌能分解纤维素，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。,纤维素发酵生产乙醇, 混合发酵法可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发的部,26,纤维素发酵生产乙醇, 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：,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。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。,纤维素发酵生产乙醇 基因工程技术既能直接利用纤维素又能,27, 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。, 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。,纤维素发酵生产乙醇, 新的纤维素乙醇厂的内部图示，该装 直到现在，纤维乙醇还,28,摆脱石油缺乏的困境,摆脱石油缺乏的困境,29,植,物,“,石,油,”, 产,“,石,油,”,的,灌,木,牛奶树,三角大戟,兰桉树,可比巴,银合欢树,植物“石油” 产“石油”的灌木牛奶树三角大戟银合欢树,30,油料植物, 向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和巴巴苏坚,果,油料植物 向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和巴巴苏坚果,31,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，英国新科学家曾报道，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，研究目标是想在,2010,年前，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,。,藻类产油 藻类能产生大量的脂类，可用来制造柴油及汽油。,32,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,。, 甲烷被认为是起着温室效应的主要气体之一。它很有可能,对未来温室效应起着总效应的,18,20,的作用。,甲烷与燃料源 甲烷气可产生机械能，电能及热能。目前甲烷,33,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：,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。,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。,甲烷形成：,通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲,烷及,CO,2,。,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。,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,34,家庭式甲烷发酵生产示意图,农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量,家庭式甲烷发酵生产示意图农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量,35,应用举例, 我国,是沼气生产量最大的国家，生产量高达,7,10,6,生物气,单位，相当于,2.2,10,7,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,.,应用举例 我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达71,36,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,20,000kWh,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,113,000 m,3,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,吨固态肥及,30,35 m,3,左右的液态肥，可为两台功率为,140kW,的发电机,提供动力。,应用举例 在 美 国 加 州 ， 采 用 牛 粪 生,37,未来新能源, 氢能,：燃,烧产物为水，无污染,未来新能源 氢能：燃烧产物为水，无污染,38,产氢的微生物,1942,年,Gafron,和,Rubin,发现珊列藻,(Sceaedesmas),可产氢。, 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、项圈藻届、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。, 产氢的,非光合微,生物,可分为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、克氏杆菌等，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。, 把产氢基因克隆到水生藻类中能使之大幅度地提高产氢量。,产氢的微生物 1942年Gafron和Rubin发现珊,39,产氢生化机制, 20世纪60年代初期就已经证实用,人工电子供体,、含有,氢化,酶,的细菌提取物、从菠菜中分离出的,叶绿体,混合后能产生,氢气。,叶绿体膜及氢化酶混合后的产氢机制,提高产氢量的关键措施是寻找对氧不敏感的氢化酶，,eg. 产碱杆菌属的氢化酶,产氢生化机制 20世纪60年代初期就已经证实用人工电子供体,40,应用实例,Weissman,和,Benemam,把,项圈藻,固定于圆筒形的容器中能连续产,氢,18,天；而,Jeffries,等也利用此藻,研究生产氢气长达,30,天。, 用光照射固定化的叶绿体时可连续生成,10,mol H2,mg,叶绿素。固定化氢产生菌用于反应体系进行连续生产氢,气，其产氢量为,20mlJ(minkg,凝胶湿重,),。,应用实例 Weissman和Benemam把项圈藻固定,41,生物燃料电池, 定义：所谓微生物电池就是利用微生物的,代谢产物作为物理电极活性物质，引起原,物理电极的电极电位偏移，增加电位差，,从而获得电能的装置。,以酶为基础的生物燃料电池,生物燃料电池 定义：所谓微生物电池就是利用微生物的以酶为基,42,生物燃料电池, 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,0.30.5 V的开路电压和0.2 mA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。, 从20世纪50年代起，随着人类在,航天研究领域的迅速发展对,生物燃料电池研究的兴趣随之增高，其原因之一是考虑将来,人类在进行太空飞行时，将如何及时处理在飞行中的生活垃,圾，并产生电能，因而各种各样的生物燃料电池不断地研究,和报道。,生物燃料电池 1910年，英国植物学家Potter把酵,43,产物生物燃料电池, 利用微生物发酵并分泌出具有电极活性的代谢产物,(,例如,H,2,),来构,成不同的电极电位，并提供电能。,氢氧型大肠杆菌电池装置,产物生物燃料电池 利用微生物发酵并分泌出具有电极活性的代,44,产物生物燃料电池, 美国宇航局曾为了解决宇宙飞船中宇航员排泄物的处理问,题，采用,芽孢杆菌,处理尿液，使尿酸分解而生成尿素。然,后用,尿素酶,分解尿素成氨，氨能使铂电极产生电流。粗估,22g,尿液能获得,47W,的电能。, 此外，如用,100,克分子重量的椰子汁作产气假单胞菌发酵,的原料并产生甲酸的代谢产物，其产物可产生,lOmA,的电,流，相应的电量可使半导体收音机连续工作,2,天。,产物生物燃料电池 美国宇航局曾为了解决宇宙飞船中宇航员,45,去极化生物燃料电池, 去极化生物燃料电池是利用分别固定在电极上的微生物、,酶、组织、细胞及抗体等生物组分，参与电化学反应并提,供的电压和电能。,1：固定化大肠杆菌电极（阳极）,2：碳电极（阴极）,3：葡萄糖液,4：磷酸缓冲液,5：隔膜,6：电流计,7：记录仪,固定化大肠杆菌电池,去极化生物燃料电池 去极化生物燃料电池是利用分别固定在电,46,再生生物燃料电池, 再生生物燃料电池是利用生物组分将原有,的电化学活性的化合物再生，这些再生的,化合物再与电极发生相互作用并产生一定,的电压和电流。,再生生物燃料电池 再生生物燃料电池是利用生物组分将原有,47,思考题, 1、简述开发新能源的重要性。, 2、如何用微生物勘探石油和提高采油量？, 3、简述乙醇燃料替代石油的依据。, 4、谈谈你对未来能源的见解。,思考题 1、简述开发新能源的重要性。 2、如何用微生物勘,48,