5-20 現(xiàn)代生物技術與能源ppt課件

1、5-201;.2煤炭石油不可再生能源天然氣34太陽能風能水電能可再生能源生物能海洋能地熱能5 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源6 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源7微生物與石油開采微生物與石油開采 微生物勘探石油微生物勘探石油 微生物二次采油微生物二次采油 微生物三次采油微生物三次采油8910微生物二次采油微生物二次采油 原理原理：利用微生物能在油層中發(fā)酵并產(chǎn)生大量的酸性物

2、質(zhì)及H2、CO2及CH4等氣體的生理特點。微生物產(chǎn)氣可增加地層壓力，提高采油率。酸性物質(zhì)可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油便于開采。 效率效率：采油量可提高20%30%11 原理原理：選育或利用微生物分子生物學技術構建能產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)、CO2、甲烷以及高聚物、糖酯等表面活性劑等物質(zhì)的菌株。讓這些工程菌能在油層中不僅產(chǎn)生氣體增加井壓, 而且還能通過分泌的表面活性劑, 降低油層表面張力, 使原油從巖石中、沙土中松開, 黏度減低, 從而提高采油量。 效率效率：進一步提高采油量15%30%。微生物三次采油微生物三次采油121314 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物

3、乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源15 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源16 生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理 乙醇替代石油的案例乙醇替代石油的案例 乙醇替代石油所用的原材料和所面臨的問題乙醇替代石油所用的原材料和所面臨的問題 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇17車用乙醇汽油車用乙醇汽油車用乙醇汽油車用乙醇汽油18生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理意義意義：1 產(chǎn)能效率高；2 在燃燒期間不生

4、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 可通過微生物大量發(fā)酵生產(chǎn)，其成本相對較低。因而這項技術很容易被人們所采納和推廣。19生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理生化機理生化機理： 乙醇發(fā)酵所需的原材料可選用，發(fā)酵所需的微生物主要是。酵母菌含有豐富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能將蔗糖水解為單糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶是胞內(nèi)參與乙醇發(fā)酵的多種酶的總稱，單糖必須透過細胞膜進入細胞內(nèi)，在酒化酶的作用下進行厭氧發(fā)酵并轉化成乙醇及CO2，而后乙醇及CO2通過細胞膜被排出體外。2021生化機理生化機理：如果是用類的多糖，則必須先水解成單糖后才能被發(fā)酵。

5、淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲霉，糖化后再接種酵母菌進行酒精發(fā)酵。酵母菌發(fā)酵乙醇的生化過程是采用厭氧途徑。 工 業(yè) 發(fā) 酵 上 常 用 的 菌 株 有 ： 啤 酒 酵 母 (S.cereuisiae)中的德國1號和12號及臺灣酵母、葡萄汁酵母(S. uvarum)等。生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機理2223乙醇替代石油的案例乙醇替代石油的案例太陽能轉化為化學能的生物材料中最理想的是。據(jù)有關資料報道，每公頃耕地平均可產(chǎn)甘蔗干物質(zhì)3540噸，所產(chǎn)生的能量相當于14.5噸石油或24-26噸煤所產(chǎn)生的熱值。巴西是盛產(chǎn)甘蔗的國家，也是一個利用發(fā)酵工藝生產(chǎn)乙醇替代部分石油的典型國

6、家。 1980年，巴西每年大約有4000兆升的乙醇出口。 1985 年，巴西乙醇產(chǎn)量為11900 兆升，出售的汽車中的3/4是用乙醇作燃料的。在1000萬輛汽車中有120萬輛完全使用乙醇，其余的使用含23 乙醇的混合汽油。 1988 年, 88的新轎車的發(fā)動機都使用乙醇。24 靠種植65萬公頃的甜高粱并用于發(fā)酵生產(chǎn)酒精，其產(chǎn)量可替代大約 45的石油。這65萬公頃土地只相當該國領土面積的4，并不會影響用于產(chǎn)糧和飼養(yǎng)牲畜所需的土地。 非洲的早在1982年就投產(chǎn)生產(chǎn)乙醇并用 于燃料。它的年產(chǎn)量為1000萬升。而該國每年所需 的汽油量僅5000萬升，可滿足市場所需汽油量的20。25 發(fā)達國家也種植一些

7、適合其本國氣候的燃料農(nóng)作物。像，也開始利用大量農(nóng)作物剩余物及森林的廢棄物發(fā)酵乙醇。1987年，美國用玉米作原料發(fā)酵生產(chǎn)大約3萬億升的乙醇，到1989年已達到32萬億升乙醇產(chǎn)量。2627擺脫石油缺乏的困境28 在當前世界人口相當密集的時代，可利用的土地資源日益減少，糧食供應仍是一大問題； 糧食成本較高，這樣就可能增加乙醇生產(chǎn)的成本，使乙醇價格明顯高于石油價格。29關鍵：高效地利用纖維素來代替糧食生產(chǎn)乙醇的工藝“生 物 技 術”30 酸、堿處理法酸、堿處理法 國內(nèi)許多生產(chǎn)乙醇的高活性菌株均不能直接利用纖維素作為發(fā)酵過程中所需的糖類物質(zhì)，必須對所含的纖維素進行一系列的酸、堿處理，并轉化成微生物可利用

8、的糖類。然后再使用微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。 缺點缺點：條件苛刻，對設備有很強的腐蝕作用，需要耐酸堿的設備；水解過程會生成有毒的分解產(chǎn)物如糖醛、酚類等物質(zhì)；水解成本較高等。31 酶水解法酶水解法 需要葡聚糖內(nèi)切酶(ED)(ED)、纖維二糖水解酶(CHB)(CHB)和- -葡萄糖酶(GL)(GL)這三種酶的協(xié)同作用才行。能產(chǎn)生這三種酶并被分泌到胞外的是真菌類微生物，如正青霉、木霉和疣孢青霉。顯然，如利用上述菌株對纖維素進行直接發(fā)酵，就不需要對纖維素進行酸堿預處理。優(yōu)點優(yōu)點：這種發(fā)酵工藝所需的設備簡單，成本低。缺點缺點：所獲的乙醇產(chǎn)量不高，因而生產(chǎn)成本較高。32 混合發(fā)酵法混合發(fā)酵法熱纖梭菌能直接分解纖

9、維素生成乙醇，但乙醇產(chǎn)量低(50)，而熱硫化氫梭菌不能直接利用纖維素，但所產(chǎn)出的乙醇量相當高。因此，如把兩者微生物進行混合直接發(fā)酵，其產(chǎn)率可達75以上。優(yōu)點：優(yōu)點：可避免用酸堿法或酶法水解纖維素時所引發(fā)的部分問題。33 基因工程技術基因工程技術既能直接利用纖維素又能高產(chǎn)乙醇的基因工程菌，也是潛在的最有發(fā)展前途的技術之一。目前基因工程菌的構建主要采用兩種技術路線：把能水解纖維素的葡聚糖內(nèi)切酶基因、纖維二糖水解酶、- -葡萄糖苷酶基因克隆在能產(chǎn)生乙醇的菌株中，并研究該菌株利用纖維素作原料的情況。把能產(chǎn)生乙醇的基因克隆到能降解纖維素，但不能生產(chǎn)乙醇的菌株中。例如，把運動發(fā)酵單胞菌的丙酮酸脫羧酶基因和

10、乙醇脫氫酶基因轉移到不能生產(chǎn)乙醇的克雷伯氏氧化桿菌中就能直接發(fā)酵纖維素產(chǎn)生乙醇。34 新的纖維素乙醇廠的內(nèi)部圖示，該裝置可以把農(nóng)業(yè)纖維素廢棄物轉化為乙醇。在右邊的那個發(fā)酵罐內(nèi)部，生化酶可以有效降解纖維素。 面臨困難面臨困難：由于纖維素分子是一種異質(zhì)結構的聚合物，水解速率遠遠低于淀粉和其他糖類化合物。直到現(xiàn)在，纖維乙醇還被限制在實驗室生產(chǎn)或小規(guī)模示范性工廠階段，在美國還沒有商業(yè)運行規(guī)模的纖維乙醇生產(chǎn)廠，美國能源部正在資金支持12個甚至更多的公司建立纖維乙醇示范工廠或商業(yè)運營工廠。35 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲

11、烷與燃料源 未來新能源未來新能源36 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源37，是指那些可以直接生產(chǎn)工業(yè)用燃料油，或經(jīng)發(fā)酵加工可生產(chǎn)燃料油的植物的總稱。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的大量可直接生產(chǎn)燃料油的植物，主要分布在大戟科。這些“石油”植物能生產(chǎn)低分子氫化合物，加工后可合成汽油或柴油的代用品。38 20世紀70年代，石油輸出國組織成員國因故決定臨時停止向美國出口石油，以示制裁。美國加利福尼亞大學的化學家、諾貝爾化學獎得主梅爾溫梅爾溫卡卡爾文爾文突發(fā)奇想，決定尋找可能生產(chǎn)石油的植物，進而從地里種出石油來

12、。它的膠汁的化學成分與柴油相似，無需加工提煉，即可充當柴油使用。三葉橡膠樹三葉橡膠樹39 產(chǎn)產(chǎn)“石石油油”的樹木的樹木牛奶樹牛奶樹油楠油楠銀合歡樹銀合歡樹三角大戟三角大戟蘭桉樹蘭桉樹麻風樹麻風樹40油料植物油料植物向日葵向日葵油棕櫚油棕櫚椰子椰子花生花生油菜子油菜子巴巴蘇堅果巴巴蘇堅果41藻類產(chǎn)油藻類產(chǎn)油 藻類能產(chǎn)生大量的脂類，可用來制造柴油及汽油。 早期英國新科學家報道，美國設在科羅拉多州 的太陽能研究所用一個直徑20m的池塘養(yǎng)殖藻類， 年產(chǎn)藻4噸多，可產(chǎn)油3000多升。目前，這個研究 組正從分子生物學角度，開發(fā)能產(chǎn)更多的油脂類的 藻類，研究目標是用藻類生產(chǎn)的汽油能提供美國機動 車所用燃料總

13、量的810。4243 最近美國西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory） 的科學家宣稱，他們成功完善了一種將藻類轉化為原油的新工藝，方法是對藻類原料進行30分鐘的“高壓蒸煮”。由此產(chǎn)生的是輕質(zhì)低硫原油，可加入處理化石原油的煉油爐，得到進一步的提煉。 在實驗室通過高溫高壓模擬地球在幾百萬年中將藻類轉化為石油的過程。44 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源45 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇

14、 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源46 甲烷氣可產(chǎn)生機械能、電能及熱能。目前甲烷已作為一種燃料源，并可通過管道進行輸送，供給家庭及工業(yè)使用或轉化成為甲醇作為內(nèi)燃機的輔助性燃料。 天然氣氣源是由遠古時代的生物群體衍變而來，通過鉆井開采獲得的，是一種不可再生的能源。在地表也存在甲烷，它主要來自于天然的濕地、稻根及動物的腸道內(nèi)發(fā)酵而釋放的，其相對總量大約分別為20、20及15。家養(yǎng)的牲畜是動物釋放甲烷的主要來源，大約占所有動物釋放甲烷量的75。而人類僅占0.4。47生產(chǎn)甲烷的生化機制生產(chǎn)甲烷的生化機制 厭氧微生物可通過厭氧發(fā)酵途徑生產(chǎn)甲烷。整個發(fā)酵過程分為三個主要

15、步驟：初步反應：利用芽孢桿菌屬、假單胞菌屬及變形桿菌屬等微生物把纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等很粗糙的有機物轉化成可溶性的混合組分。微生物發(fā)酵過程：低相對分子質(zhì)量的可溶性組分通過微生物厭氧發(fā)酵作用轉化成有機酸。甲烷形成：通過甲烷菌把這些有機酸轉化為甲烷及CO2。顯然，甲烷生產(chǎn)是一個復雜的過程，有若干種厭氧菌參與該反應過程。48農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量49 我國是沼氣生產(chǎn)量最大的國家，生產(chǎn)量高達7106 生物氣單位，相當于2.2107噸煤的能量。如按目前國內(nèi)物價分析，在農(nóng)村建造一個糞便發(fā)酵池來生產(chǎn)沼氣供家庭使用的造價，很可能會低于一輛自行車的價格。據(jù)報道國

16、內(nèi)農(nóng)村正在使用的厭氧發(fā)酵反應器(沼氣池) 超過500 萬個。此外，工廠和大型畜牧場還有 10000個大中型沼氣池。50應用舉例應用舉例 在 美 國 加 州 ， 采 用 牛 糞 生 產(chǎn) 甲 烷 能 給 一 個 工 廠 提 供 20000kWh的電能。美國一牧場建立一座反應發(fā)酵池，主體是一個寬30m，長213m的密封池，利用牧場糞便和其他有機廢物等，每天可處理1640噸廄肥，每天可為牧場提供113000 m3的甲烷，足夠一萬戶居民使用。 日本曾研究開發(fā)了一套“本地能源綜合利用機械系統(tǒng)”。該 系統(tǒng)由沼氣發(fā)酵反應器、發(fā)電設備、廢物預處理器及有機肥 料制作設備組成。這個系統(tǒng)每天可處理 34噸固態(tài)肥30

17、35 m3左右的液態(tài)肥，可為兩臺功率為140kW的發(fā)電機提供 動力。51 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源52 微生物與石油開采微生物與石油開采 未來石油的替代物未來石油的替代物乙醇乙醇 植物植物“石油石油” 甲烷與燃料源甲烷與燃料源 未來新能源未來新能源53未來新能源未來新能源 氫能：氫氣在然燃燒時產(chǎn)生的熱量相當于汽油的3倍， 并且燃燒產(chǎn)物為水，無污染。54產(chǎn)氫的微生物產(chǎn)氫的微生物 1942年Gafron和Rubin發(fā)現(xiàn)珊列藻(Sceaedesmas)可產(chǎn)氫。 產(chǎn)氫的生物可分為藻類及非藻類。 藻類藻類有顫藻屬、螺藻屬、念珠藻屬、項圈藻屬、小球藻屬 、珊列藻屬及衣藻屬等。 非藻類微非藻類微生物生物可分為厭氧菌厭氧菌及兼性厭氧菌兼性厭氧菌。前者有巴氏梭菌、產(chǎn)氣微球菌、雷氏丁酸桿菌、克氏桿菌等，后者有大腸桿菌、嗜水氣單胞菌、軟化芽胞桿菌、多黏芽胞桿菌等。 把產(chǎn)氫基因克隆到水生藻