5-20 现代生物技术与能源

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,*,现代,生物技术与,能源,5-20,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,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,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%,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、,CO,2,、,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,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,植物,“,石油,”,甲烷与燃料源,未来新能源,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,车用乙醇汽油,车用乙醇汽油,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。,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,CO,2,，而后乙醇及,CO,2,通过细胞膜被排出体外。,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,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。,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,。,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。,摆脱石油缺乏的困境,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。,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,”,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。,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。,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。,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。,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：,把能水解纤维素的葡聚糖内切酶基因、纤维二糖水解,酶、,-,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。,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。,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,植物,“,石油,”,甲烷与燃料源,未来新能源,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。,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,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,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,。,最近美国西北太平洋国家实验室（,Pacific Northwest National Laboratory,） 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。,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,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,。,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,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。,农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量,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,在 美 国 加 州 ， 采 用 牛 粪 生 产 甲 烷 能 给 一 个 工 厂 提 供,20000kWh,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,113000 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,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。,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,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的热量相当于汽油的,3,倍，,并且燃,烧产物为水，无污染。,产氢的微生物,1942,年,Gafron,和,Rubin,发现珊列藻,(Sceaedesmas),可产氢。,产氢的生物可分为藻类及非藻类。,藻类,有颤藻属、螺藻属、念珠藻属、项圈藻属、小球藻属 、,珊列藻属及衣藻属等。,非藻类微,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,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。,课堂测试,例举两个现代生物技术在人类应对能源危机中的应用实例。,写好：学号,-,院系,-,班级,-,姓名,