10.生物技術(shù)與能源

1、學(xué)習(xí)目的 了解人類如何利用微生物發(fā)酵工程技術(shù),提高石油的開采量、降低乙醇燃油及甲烷燃料的生產(chǎn)成本,并設(shè)法提高產(chǎn)量及減少環(huán)境污染;了解人工種植能產(chǎn)“石油”的樹木及開發(fā)各種未來新能源的途徑, 以滿足人類需能的要求。 掌握目前人類如何利用生物技術(shù)提高產(chǎn)能量及開發(fā)新能源的基本知識(shí)。10 生物技術(shù)與能源10.1 微生物技術(shù)與石油開采10.1.1 微生物勘探石油 地震法、地球物理法和地球化學(xué)法 微生物石油勘探技術(shù)和優(yōu)勢 微生物石油勘探研究進(jìn)展 生物技術(shù)與能源10 生物技術(shù)與能源 10.1.2 微生物輔助采油技術(shù)和優(yōu)勢 微生物石油勘探技術(shù)和實(shí)驗(yàn)依據(jù) 油區(qū)底土中的重?zé)N含量與季節(jié)變化存在一 定聯(lián) 系。 抗血清篩

2、選土壤中利用烴的微生物。 生物技術(shù)與能源10.1 微生物技術(shù)與石油開采 10.1.3 微生物二次采油技術(shù) 采油基本原理 微生物產(chǎn)氣采油 采用效率和成本 生物技術(shù)與能源10.1 微生物技術(shù)與石油開采風(fēng)能發(fā)電10.1.4 微生物三次采油原理與效率原理：利用微生物分子生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建能產(chǎn)生大量CO2和甲烷等氣體的基因工程菌株或選育能提高產(chǎn)氣量的高活性菌株。目的：目的是讓這些工程菌能在油層中不僅產(chǎn)生氣體增加井壓, 而且還能分泌高聚物, 糖酯等表面活性劑, 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：進(jìn)一步提高采油量15%30%。 生物技術(shù)與能源10.1 微生物技術(shù)

3、與石油開采10.2.1 生產(chǎn)乙醇燃料的生化原理 10.2.2 乙醇作為燃料的益處產(chǎn)能效率高 不生成一氧化碳 低成本 10.2 未來石油的替代物乙醇 生物技術(shù)與能源10 生物技術(shù)與能源乙醇燃料汽車10.2 未來石油的替代物乙醇 生物技術(shù)與能源 乙醇發(fā)酵常用原材料: 蔗糖或淀粉 微生物: 酵母菌 關(guān)鍵酶: 糖水解酶和酒化酶 酵母菌10.2.3 未來石油的替代物乙醇 A.用于化學(xué)工業(yè)的乙醇產(chǎn)量; B.用于汽油混合和替代品的乙醇產(chǎn)量 巴西的乙醇生產(chǎn)情況 產(chǎn)量（10億升）生物技術(shù)與能源10.2 未來石油的替代物乙醇10.2.4 乙醇代替石油的困境生物技術(shù)與能源 生產(chǎn)乙醇燃料的原材料淀粉類 纖維素類 糖類

4、 其他玉米 木材 蔗糖 菜花高粱 木屑 甜高粱 葡萄小麥 廢紙 糖蜜 香蕉大麥 森林殘留物 甜菜 乳酪木薯 農(nóng)業(yè)殘留物 飼料甜菜 乳漿土豆 固體廢物 甘蔗 硫化廢物紅薯 產(chǎn)品廢物 葡萄糖 10.2 未來石油的替代物乙醇10.2.5 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 生產(chǎn)乙醇原材料化學(xué)降解技術(shù) 生產(chǎn)乙醇原材料酶解法降解技術(shù) 葡聚糖內(nèi)切酶(ED)、 纖維二糖水解酶(CHB) -葡萄糖酶(GL) 微生物混合發(fā)酵法生物技術(shù)與能源巴西種植甘蔗發(fā)展乙醇燃料10.2.5 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇基因工程技術(shù) 把能水解纖維素的一個(gè)葡聚糖內(nèi)切酶基因和一個(gè)-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。

5、 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。 生物技術(shù)與能源10.3.1 能產(chǎn)“石油”的灌木蘭桉樹油楠的喬木 銀合歡樹麻風(fēng)樹 黃鼠草 10.3 植物“石油” 生物技術(shù)與能源10 生物技術(shù)與能源麻風(fēng)樹(小桐子、青桐木 ）10.3 植物“石油” 常見產(chǎn)油的植物 向日葵、棕櫚、椰子、花生、玉米、白菜、香蕉、胡蘿卜、棉籽、油菜子和巴巴蘇堅(jiān)果 提高植物產(chǎn)油量的途徑 增加脂肪酸合成底物來提高油脂合成水平。 增加油脂合成途徑的關(guān)鍵酶的基因表達(dá)。 生物技術(shù)與能源10.3.2 油料植物10.3 植物“石油”10.3.3 藻類產(chǎn)油 生產(chǎn)生物柴油的方法:化學(xué)合成法、生物酶解法和工程藻類技術(shù)。 提

6、高工程小環(huán)藻產(chǎn)油的途徑： 設(shè)法提高乙酰輔酶A羧化酶在微藻細(xì)胞中充分表達(dá)。 采用工程小環(huán)藻制造柴油的優(yōu)勢。生物技術(shù)與能源 10.4.1 生產(chǎn)甲烷的生化機(jī)理厭氧微生物生產(chǎn)甲烷途徑 初步反應(yīng)：利用芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)及變形桿菌屬(Proteus)等微生物把纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等很粗糙的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性的混合組分。 微生物發(fā)酵過程：低分子質(zhì)量的可溶性組分 通過微生物厭氧發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸。 甲烷形成：通過甲烷菌把這些有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為 甲烷及CO2。 10.4 傳統(tǒng)可再生能源甲烷 生物技術(shù)與能源10 生物技術(shù)與能源沼氣的成分 沼氣是一種混合氣體。它的主要成

7、分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氫（H2S）、氫（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等氣體。其中甲烷約占50-70%、二氧化碳約占30-40%，其他成分含量極少。沼氣的性質(zhì) 沼氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種簡單的碳?xì)浠衔?。它的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，不溶于水，比空氣輕一半，是一種無色、無味、無臭、無毒的可燃性氣體。沼氣未燃燒時(shí)略有蒜味或臭雞蛋氣味，是因?yàn)檎託庵泻猩倭苛蚧瘹錃怏w的緣故。 當(dāng)甲烷完全燃燒時(shí)，呈藍(lán)白色火焰，燃燒溫度可達(dá)1400， 每立方米甲烷氣體，完全燃燒發(fā)熱量為8717大卡。 每立方米人工沼氣的發(fā)熱量為5000大卡左右。相當(dāng)于1公斤優(yōu)質(zhì)煤或公斤汽油的發(fā)熱量。 一立

8、方米的人工沼氣，能供3-4口之家三餐飯菜的燃料，能使一盞60支光的沼氣燈照明6小時(shí)，能使一馬力的內(nèi)燃機(jī)工作2小時(shí)，能發(fā)電度。二、沼氣發(fā)酵微生物（細(xì)菌） 第一類叫發(fā)酵細(xì)菌。包括各種有機(jī)物分解菌，它們能分泌胞外酶，主要作用是將復(fù)雜的有機(jī)物分解成較為簡單的物質(zhì)。例如多糖轉(zhuǎn)化為單糖，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為肽或氨基酸，脂肪轉(zhuǎn)化為甘油和脂肪酸。第二類叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌。其主要作用是前一類細(xì)菌分解的產(chǎn)物進(jìn)一步分解成乙酸和二氧化碳。第三類細(xì)菌稱產(chǎn)甲烷菌。它們的作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳產(chǎn)生甲烷。在實(shí)際的發(fā)酵過程中這三類微生物既相互協(xié)調(diào)，又相互制約，共同完成產(chǎn)沼氣過程。 .發(fā)酵性細(xì)菌：一些不溶性物質(zhì)被發(fā)酵性細(xì)菌所分泌的

9、胞外酶水解為可 溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再將吸入細(xì)胞，發(fā)酵為 乙酸、丙酸、丁 酸等和醇類及一定量的H2及CO2以纖維素為例，反應(yīng)過程如下： （C6H10O5）+ nH2O n(C6H12O6)2 C6H12O6 CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物質(zhì)均不能被產(chǎn)甲烷菌所 利用，所以必須由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將其分解轉(zhuǎn)化為乙 酸、氫和二氧化碳 反應(yīng)過程如下： CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2.

10、耗氫產(chǎn)乙酸菌：它們既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代謝糖類生 成乙酸。 2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O C6H12O6 3CH3COOH .產(chǎn)甲烷菌（食氫、食乙酸）：它們在厭氧條件下將前三群細(xì)菌代謝的 終產(chǎn)物，在沒有外源受氫體的情況下，把乙酸 和H2/CO2轉(zhuǎn)化成CH4/ CO2。產(chǎn)甲烷菌廣泛存在于水底 沉積物和動(dòng)物消化道等極端厭氧的環(huán)境中。 生成CH4的主要反應(yīng)如下： CH3COOH CH4 + CO2 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH 3CH4+ CO2 + 2H2O各種發(fā)酵性細(xì)菌 玉米秸發(fā)酵時(shí)

11、的發(fā)酵性細(xì)菌 食氫產(chǎn)甲烷菌甲烷八疊球菌甲烷絲菌 （二）沼氣發(fā)酵微生物的作用 1、不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供營養(yǎng)； 2、不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧環(huán)境； 3、不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌清除有毒物質(zhì)； 4、不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌共同維持環(huán)境中適宜的酸堿度。 （三）沼氣發(fā)酵微生物的特點(diǎn) 1、分布廣，種類多 上至萬米的高空，下至2千米的地層深處都有微生物的蹤跡；沼氣微生物在自然界分布也很廣，種類達(dá)200-300種。 2、繁殖快，代謝強(qiáng) 產(chǎn)酸菌在生長旺盛時(shí)，20分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)就可以繁殖一代，產(chǎn)甲烷菌繁殖速度較慢，約為產(chǎn)酸菌的1/15。 3、適應(yīng)性強(qiáng)，容易培養(yǎng) 與高等生物相比，多種微生物適應(yīng)性較強(qiáng)，并且

12、容易培養(yǎng)。例如，沼氣池里的微生物在10-60C條件下，都能進(jìn)行沼氣發(fā)酵。 人工制取沼氣的基本條件是： 一、適宜的發(fā)酵原料 二、質(zhì)優(yōu)足量的菌種 三、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境 四、適宜的發(fā)酵溫度 五、適度的發(fā)酵濃度 六、適宜的酸堿度 三、沼氣發(fā)酵過程目前公認(rèn)的沼氣發(fā)酵過程復(fù)雜有機(jī)物（多糖、脂類、蛋白質(zhì)等）可溶性物質(zhì)（糖類、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOHCH4H2O丙酸、丁酸等長鏈脂肪酸CH4CO2第一階段是含碳有機(jī)聚合物的水解。纖維素、半纖維素、果膠、淀粉、脂類、蛋白質(zhì)等非水溶性含碳有機(jī)物，經(jīng)細(xì)菌水解發(fā)酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量較小的化合物，以及氫氣和二氧化碳；第二階段是各種水溶性產(chǎn)物經(jīng)微生

13、物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氫氣和二氧化碳；第三階段是產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化甲烷底物生成CH4和CO2。另外，在沼氣發(fā)酵過程中還存在某些逆向反應(yīng)，即由小分子合成大分子物質(zhì)的微生物過程。傳統(tǒng)可再生能源甲烷 家庭式甲烷發(fā)酵生產(chǎn)示意圖生物技術(shù)與能源發(fā)酵池結(jié)構(gòu)沼氣池組成與功能1981年組織出版了農(nóng)村家用沼氣池標(biāo)準(zhǔn)化選型圖集（ZC-813），1985年出版了農(nóng)村家用水壓沼氣池標(biāo)準(zhǔn)圖集（GB4750-84），大力推廣“圓、小、淺”的“三結(jié)合”（氣、肥、衛(wèi)）水壓式沼氣池。 傳統(tǒng)可再生能源甲烷原材料與甲烷產(chǎn)量生物技術(shù)與能源 農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量 原料名稱 每噸干物質(zhì)產(chǎn)沼氣量（m3） 甲烷含量/% 豬

14、糞 600 55 牲畜糞便 300 60 酒廠廢水 500 48 廢物污泥 400 50 麥稈 300 60 青草 630 70傳統(tǒng)可再生能源甲烷10.4.2 應(yīng)用舉例 我國是沼氣生產(chǎn)最大量的國家，生產(chǎn)量高達(dá)7106生物氣單位，相當(dāng)于22106噸煤的能量。 印度也是一個(gè)生產(chǎn)沼氣的大國。按印度現(xiàn)有沼氣的發(fā)展計(jì)劃及規(guī)模，預(yù)測到2015年前，可建立1千萬2千萬個(gè)沼氣池，到時(shí)印度的燃料源很可能以沼氣為主。生物技術(shù)與能源10.5.1 氫能10.5.1.1 產(chǎn)氫的微生物生物質(zhì)制氫技術(shù) 以生物質(zhì)為原料利用熱物理化學(xué)原理與技術(shù)制氫，如生物質(zhì)氣化制氫，超臨界轉(zhuǎn)化制氫，高溫分解制氫；基于生物質(zhì)的甲烷、甲醇、乙醇轉(zhuǎn)

15、化制氫。 利用生物途徑轉(zhuǎn)換制氫,如微生物發(fā)酵、直接生物光分解等。 生物技術(shù)與能源10 生物技術(shù)與能源10.5 未來新能源10.5.1.1 產(chǎn)氫的微生物常見的放氫微生物 產(chǎn)氫的光合微生物可分為藻類及非藻類 藻類：顫藻屬(Oscilayoria) 螺藻屬(Spirulina) 念珠藻屬(Nostoc) 項(xiàng)圈藻屬(Anabaena) 非藻類：綠硫菌屬(Chlorobium) 紅硫菌屬(Chromatium) 紅螺菌屬(Rhodospirillum)生物技術(shù)與能源 顫藻10.5.1.1 產(chǎn)氫的微生物常見產(chǎn)氫的非光合微生物 厭氧菌： 巴氏梭菌、產(chǎn)氣微球菌、雷氏丁酸桿菌、克氏桿菌等。 兼性厭氧菌： 大腸桿

16、菌、嗜水氣單胞菌、軟化芽胞桿菌、多粘芽胞桿菌等。 生物技術(shù)與能源10.5.1 氫能10.5.1.2 產(chǎn)氫生化機(jī)理 葉綠體膜及氫化酶等組分混合反應(yīng)產(chǎn)氫示意圖生物技術(shù)與能源生物制氫方法的介紹1.直接光解技術(shù)（綠藻） 在厭氧條件下，綠藻既可以利用氫作為電子供體用于二氧化碳的固定或釋放氫氣 由于氧對氫酶的嚴(yán)重抑制，必須將光合放氧和光合放氫在時(shí)間上或空間上分開，可以通過部分抑制PSII光化學(xué)活性來實(shí)現(xiàn)：元素調(diào)控，如：硫、磷PSII抑制劑，如：DCMU、CCCP、FCCP代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii產(chǎn)氫速率為：7.95mmol H2/L ,100h.2.間接光解產(chǎn)氫（藍(lán)

17、細(xì)菌）藍(lán)細(xì)菌主要分為：藍(lán)綠藻、藍(lán)藻綱類、藍(lán)藻類固氮酶：催化還原氮?dú)獬砂?，氫氣作為副產(chǎn)物產(chǎn)生吸氫酶：氧化由固氮酶催化產(chǎn)生的氫氣可逆氫酶：能夠氧化合成氫氣總反應(yīng)式為：12H2O + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2代表性菌（藻）株：Anabaena variablilis 4.2 umol H2/mg chla/h3.光發(fā)酵產(chǎn)氫（無硫紫細(xì)菌） 無硫紫細(xì)菌在缺氮條件下，用光能和還原性底物產(chǎn)生氫氣 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2代表菌株為：Rh

18、odospirillum rubrumL: 180 ml H2/L of culture/h; : 3.6-4.0 L H2/L or immobilized culture/h 已有將這類微生物光發(fā)酵產(chǎn)氫用于處理有機(jī)廢水的實(shí)例4.光合異養(yǎng)微生物水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣 一些光合異養(yǎng)微生物在暗條件下能夠利用CO做為單一碳源，產(chǎn)生ATP的同時(shí)釋放出H2、CO2 CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g) (1) Rubrivivax gelatinosus CBS 不僅可以在暗條件下進(jìn)行CO-水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，而且能利用光能固定CO2將CO同化為細(xì)胞質(zhì)；即使在有其他有機(jī)底物的情況下，其

19、也能夠很好利用CO（2） Rubrivivax gelatinosus CBS 能夠100%轉(zhuǎn)換氣態(tài)的CO成H2；（3）這類微生物的氫酶具有很強(qiáng)的耐氧性，在空氣中充分?jǐn)嚢钑r(shí)氫酶的半衰期為21h.代表性菌株：Rubrivivax gelatinosus CBS 96mmol H2/mg cdw/h5.暗發(fā)酵制氫 厭氧細(xì)菌利用有機(jī)底物進(jìn)行暗發(fā)酵產(chǎn)生氫氣；溫度范圍25-80，或超高溫80 (1)當(dāng)乙酸為終產(chǎn)物時(shí)：C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2(2)當(dāng)丁酸為終產(chǎn)物時(shí)：C6H12O6 + 2H2O CH3CH2CH2COOH + 2H2 + 2CO2 當(dāng)H2、C

20、O2分壓增加，產(chǎn)氫速率明顯降低，合成更多與產(chǎn)氫競爭的底物 氫氣產(chǎn)生速率與：pH、水力停留時(shí)間、 氫分壓等有很大關(guān)系 利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后的小分子有機(jī)物，具有很強(qiáng)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益10.5.1 氫能應(yīng)用實(shí)例 產(chǎn)氫細(xì)菌連續(xù)流富集裝置 A：配水箱； B：計(jì)量泵； C：反應(yīng)器； D：攪拌機(jī)； E： 氣體流量計(jì)； F： 堿收集瓶生物技術(shù)與能源40L生物制氫及氫能電能轉(zhuǎn)化一體化系統(tǒng)450L生物制氫反應(yīng)器 世界首例發(fā)酵法生物制氫生產(chǎn)線在哈爾濱啟動(dòng) 由哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪教授承擔(dān)的國家“863”計(jì)劃“有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫技術(shù)生產(chǎn)性示范工程”，己在哈爾濱國際科技城日產(chǎn)1200立方米氫氣

21、生產(chǎn)示范基地一次啟動(dòng)成功。 優(yōu)勢明顯：以太陽能為能源、以水為原料，能量消耗小，生產(chǎn)過程清潔，受到各國生物制氫單位的關(guān)注。現(xiàn)況無奈：目前光合微生物制氫離實(shí)用化還有相當(dāng)距離，光能轉(zhuǎn)化率低，要大量制氫，就需要很大的受光面積，還沒有滿意的產(chǎn)氫藻。仍有希望：但普遍認(rèn)為，光合生物制氫很有發(fā)展前景。據(jù)美國太陽能研究中心估算，如果光能轉(zhuǎn)化率能達(dá)到10%，就可以同其他能源競爭。開發(fā)中國的生物制氫技術(shù)需要做到以下的政策和軟件支持： (1)鼓勵(lì)宣傳。人是生物能源的生產(chǎn)主體和消費(fèi)主體，有必要通過輿論宣傳加強(qiáng)人們對生物能源的認(rèn)識(shí)；（2）加大政府投資和扶持。在新的生物能源初始商業(yè)化階段要進(jìn)行減免稅等優(yōu)惠政策；（3）借鑒國外經(jīng)驗(yàn)。充分調(diào)動(dòng)地方和工業(yè)界的積極性（4）加強(qiáng)高校對生物能源的教育及研究。 隨著人們對生物能源的認(rèn)識(shí)不斷加深，政府扶持力度的加大和研究的深人，生物制氫綠色能源生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)展現(xiàn)出它更大的開發(fā)潛力和應(yīng)用價(jià)值。10.5 未來新能源10.5.2 生物燃料電池10.5.2.1 產(chǎn)物生物燃料電池 氫氧型大腸桿菌電池裝置（引自 施安輝，1990） 生物技術(shù)與能源用微生物當(dāng)作觸媒的微生物燃料電池系統(tǒng)用微生物產(chǎn)物當(dāng)作燃料的微生物燃料電