4l4工學09第九章-生物技術(shù)與能源課件

第九章生物技術(shù)與能源第九章生物技術(shù)與能源1本章共2個學時,均為課堂講授教學目的和要求：了解掌握微生物與石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應用技術(shù)及應用進展。教學重點和難點：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應用技術(shù)。教學方法與手段：課堂教學與自學相結(jié)合第一節(jié)微生物與石油開發(fā)第二節(jié)生物技術(shù)與新能源復習與作業(yè)要求：自習為主考核知識點：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應用技術(shù)及應用進展。輔助教學活動：多媒體圖片或動畫輔助教學本章共2個學時,均為課堂講授2第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

——生物柴油

一、簡介含義：指動植物油與甲醇進行酯交換制造的脂肪酸甲酯，是一種潔凈的生物燃料第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

3柴油分子:15C碳鏈組成植物油:14C-18C碳鏈組成，兩者碳數(shù)相近。柴油分子:15C碳鏈組成4生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料。意義：生物柴油對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，推進能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實5二、生物柴油的優(yōu)勢（7條）：1、具有優(yōu)良的環(huán)保特性硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低；不含芳香族烷烴，廢氣對人體損害低。含氧量高，燃燒時排煙少，一氧化碳的排放少。生物降解性高。二、生物柴油的優(yōu)勢（7條）：62、低溫發(fā)動機啟動性能：無添加劑冷濾點達-20℃。3、潤滑性能：磨損率低，使用壽命長。4、安全性能：閃點高，不屬于危險品，在運輸、儲存、使用方面的安全性高。2、低溫發(fā)動機啟動性能：無添加劑冷濾點達-20℃。75、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命加長。6、可再生性能：可長期供應、永不會枯竭。7.無須改動柴油機，可直接添加使用無需其他設備和特殊技術(shù)。5、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催8三、生物柴油的生產(chǎn)方法1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油；2、利用"工程微藻"生產(chǎn)柴油。三、生物柴油的生產(chǎn)方法91、利用食用油生產(chǎn)生物柴油1）、化學合成法用動物和植物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者堿性催化劑和高溫(230～250℃)下進行轉(zhuǎn)酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。

1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油10特點：甲醇或乙醇可循環(huán)使用設備與一般制油設備相同產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油主要問題：成本高，75%是原料成本。解決方案：基因工程方法研究高油含量的植物采用工業(yè)廢油和廢煎炸油。特點：11其他缺點：工藝復雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有醇回收裝置，能耗高。色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。其他缺點：122）、生物酶法合成：用動物油脂和低碳醇通過脂肪酶進行轉(zhuǎn)酯化反應，制備相應的脂肪酸甲酯及乙酯。優(yōu)點：條件溫和、醇用量小、無污染排放。2）、生物酶法合成：13主要問題：對甲醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低，一般僅為40%-60%。酶的使用壽命短。副產(chǎn)物甘油和水難于回收。主要問題：142、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油1）、歸屬：“硅藻類”的一種“工程小環(huán)藻”。2）、脂質(zhì)含量：天然微藻：5%-20%?！肮こ涛⒃濉保?gt;60%。3）、脂質(zhì)含量高的原因：乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因在微藻細胞中的高效表達，增加脂質(zhì)積累。2、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油154）、優(yōu)越性生產(chǎn)能力高、用海水作為天然培養(yǎng)基；比陸生植物單產(chǎn)油脂高幾十倍；生產(chǎn)的生物柴油不含硫，不排放有毒害氣體，排入環(huán)境中也可被微生物降解，不污染環(huán)境.4）、優(yōu)越性16目前熱點：發(fā)展富含油質(zhì)的微藻或者“工程微藻”是生產(chǎn)生物柴油的一大趨勢。選擇合適的載體，使ACC基因在細菌、酵母和植物中充分表達，修飾ACC基因獲得超量表達。目前熱點：17第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：狹義的新能源：可再生能源廣義新能源包括：1、高效利用能源；2、資源綜合利用；3、可再生能源；4、代替能源；5、核能；6、節(jié)能。第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：181、高效利用能源中國的能源綜合利用效率為35%，丹麥的能源綜合利用效率超過60%。1）熱電聯(lián)產(chǎn)：丹麥沒有一個火力發(fā)電項目不供熱，也沒有一個工業(yè)供熱鍋爐不發(fā)電。通過化石燃料轉(zhuǎn)換能源的綜合利用效率一般超過70%，是提高全社會能源利用效率的重要技術(shù)。丹麥的熱電聯(lián)產(chǎn)燃燒利用多種燃料，秸稈、樹枝、垃圾、天然氣和煤炭等資源，基本上是有什么燒什么，什么便宜燒什么，既通過能源梯級利用提高了能源的綜合利用效率。1、高效利用能源192）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。優(yōu)點是靠近需求側(cè)，將輸送損耗降至最低，并充分利用了低品位的熱能。2）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。203）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。利用太陽能和風能制氫，利用生物細菌制氫，還僅僅停留在設想或初級試驗階段，缺乏廣泛的經(jīng)濟性和可操作性?，F(xiàn)實的技術(shù)方向還是如何利用天然氣、煤氣化、甲醇、乙醇等能源，特別有前途的是利用廢棄在地下煤炭資源進行地下可控氣化再制氫技術(shù)3）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。212、資源綜合利用1）、瓦斯主要成分：甲烷，與天然氣相同，只是濃度低。煤礦中瓦斯的產(chǎn)量有限，不能大規(guī)模利用，只能采用分布式能源解決方案，就近利用瓦斯發(fā)電。2、資源綜合利用222）城市垃圾和污水可制造沼氣，或轉(zhuǎn)換成有機可燃物質(zhì)焚燒增加能源供應，減少環(huán)境污染。2）城市垃圾和污水233、可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)的可再生能源：大型風力發(fā)電場規(guī)?；乃芾靡恍﹪疫M行規(guī)?；奶柲芾?。分布式能源：樓宇式的光電、光熱和直接光能，以及儲光等能源利用系統(tǒng)，以減少對外部能源的消耗；水源、地源、空氣源、污水源和排氣源熱泵能量回收技術(shù)對于樓宇建筑空調(diào)的能源供應系統(tǒng)；小型風力發(fā)電或光電系統(tǒng)對于獨立能源用戶的電力供應等。3、可再生能源244、核能沒有二氧化碳的排放問題，如果不出事故，將會是非常清潔的能源4、核能255、節(jié)能國際上稱節(jié)能為煤炭、石油、可再生能源、核能之后的第五能源6、替代能源利用秸稈替代煤炭利用生物柴油或乙醇替代石油；利用太陽能熱水器替代電力或燃氣熱水器等。5、節(jié)能26燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)制造乙醇技術(shù)分為三類：一是使用玉米或者小麥等糧食作物；二是用紅薯、木薯、甜高粱等非主糧等；第三類則是農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物生產(chǎn)，統(tǒng)稱為纖維素燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)27最為成熟的是玉米或小麥技術(shù)為了保證玉米的糧食供應，我國已叫停的玉米制乙醇項目。2007年6月7日，國務院通過《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》指出發(fā)展可再生能源“不得占用耕地，不得大量消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境”。生物燃料乙醇生產(chǎn)在“十一五”期間將堅持“因地制宜，非糧為主”，重點支持以薯類、甜高粱及纖維資源等非糧產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最為成熟的是玉米或小麥技術(shù)28纖維素盡管有原料廣泛且不受季節(jié)約束的優(yōu)勢，但也有不足之處。秸稈是糧食的廢棄品，分散在農(nóng)村地區(qū)，由于秸稈的形狀較長，運輸起來并不方便，因此如果要建乙醇加工廠，最好的辦法就是在各個鄉(xiāng)設立一個加工基地。纖維素盡管有原料廣泛且不受季節(jié)約束的優(yōu)勢，但也有不足之處。29大腸桿菌被發(fā)現(xiàn)于1885年，對人和動物有病原性，會引起嚴重腹瀉和敗血癥。所以家長經(jīng)常教育自己的孩子病從口入，飯前和手不干凈的時候一定要勤洗。不過最新研究表明，大腸桿菌能在一定程度上解決石油能源的危機。美國加里福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）的科學家JamesLiao和他的團隊利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，對大腸桿菌進行“感化教育”。改良后的細菌在消耗有機物后，可生成擁有較長碳鏈的酒精。需要重點指出的是，乙醇（酒精）無法取代燃油最重要的原因就在于，乙醇分子中能產(chǎn)生燃燒能量的碳原子過少。含有4個碳原子的丁醇，一度被視為汽油替代燃料的有力競爭者。但經(jīng)過JamesLiao團隊改良的大腸桿菌能產(chǎn)生擁有5個碳原子的戊醇，這與汽油中的氫氧化物分子所含的7個碳原子更為接近，甚至可以直接代替汽油應用在汽車和飛機上。改良版大腸桿菌作為生物酒精工廠，在低成本生成替代燃料的同時，還可以用于制造聚合物和藥物。其中的聚合物可以廣泛代替須從石油中提煉的塑料制品，緩解石油資源需求的壓力。大腸桿菌被發(fā)現(xiàn)于1885年，對人和動物有病原性，會引起嚴重腹30第九章生物技術(shù)與能源第九章生物技術(shù)與能源31本章共2個學時,均為課堂講授教學目的和要求：了解掌握微生物與石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應用技術(shù)及應用進展。教學重點和難點：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應用技術(shù)。教學方法與手段：課堂教學與自學相結(jié)合第一節(jié)微生物與石油開發(fā)第二節(jié)生物技術(shù)與新能源復習與作業(yè)要求：自習為主考核知識點：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應用技術(shù)及應用進展。輔助教學活動：多媒體圖片或動畫輔助教學本章共2個學時,均為課堂講授32第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

——生物柴油

一、簡介含義：指動植物油與甲醇進行酯交換制造的脂肪酸甲酯，是一種潔凈的生物燃料第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

33柴油分子:15C碳鏈組成植物油:14C-18C碳鏈組成，兩者碳數(shù)相近。柴油分子:15C碳鏈組成34生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料。意義：生物柴油對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，推進能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實35二、生物柴油的優(yōu)勢（7條）：1、具有優(yōu)良的環(huán)保特性硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低；不含芳香族烷烴，廢氣對人體損害低。含氧量高，燃燒時排煙少，一氧化碳的排放少。生物降解性高。二、生物柴油的優(yōu)勢（7條）：362、低溫發(fā)動機啟動性能：無添加劑冷濾點達-20℃。3、潤滑性能：磨損率低，使用壽命長。4、安全性能：閃點高，不屬于危險品，在運輸、儲存、使用方面的安全性高。2、低溫發(fā)動機啟動性能：無添加劑冷濾點達-20℃。375、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命加長。6、可再生性能：可長期供應、永不會枯竭。7.無須改動柴油機，可直接添加使用無需其他設備和特殊技術(shù)。5、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催38三、生物柴油的生產(chǎn)方法1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油；2、利用"工程微藻"生產(chǎn)柴油。三、生物柴油的生產(chǎn)方法391、利用食用油生產(chǎn)生物柴油1）、化學合成法用動物和植物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者堿性催化劑和高溫(230～250℃)下進行轉(zhuǎn)酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。

1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油40特點：甲醇或乙醇可循環(huán)使用設備與一般制油設備相同產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油主要問題：成本高，75%是原料成本。解決方案：基因工程方法研究高油含量的植物采用工業(yè)廢油和廢煎炸油。特點：41其他缺點：工藝復雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有醇回收裝置，能耗高。色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。其他缺點：422）、生物酶法合成：用動物油脂和低碳醇通過脂肪酶進行轉(zhuǎn)酯化反應，制備相應的脂肪酸甲酯及乙酯。優(yōu)點：條件溫和、醇用量小、無污染排放。2）、生物酶法合成：43主要問題：對甲醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低，一般僅為40%-60%。酶的使用壽命短。副產(chǎn)物甘油和水難于回收。主要問題：442、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油1）、歸屬：“硅藻類”的一種“工程小環(huán)藻”。2）、脂質(zhì)含量：天然微藻：5%-20%?！肮こ涛⒃濉保?gt;60%。3）、脂質(zhì)含量高的原因：乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因在微藻細胞中的高效表達，增加脂質(zhì)積累。2、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油454）、優(yōu)越性生產(chǎn)能力高、用海水作為天然培養(yǎng)基；比陸生植物單產(chǎn)油脂高幾十倍；生產(chǎn)的生物柴油不含硫，不排放有毒害氣體，排入環(huán)境中也可被微生物降解，不污染環(huán)境.4）、優(yōu)越性46目前熱點：發(fā)展富含油質(zhì)的微藻或者“工程微藻”是生產(chǎn)生物柴油的一大趨勢。選擇合適的載體，使ACC基因在細菌、酵母和植物中充分表達，修飾ACC基因獲得超量表達。目前熱點：47第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：狹義的新能源：可再生能源廣義新能源包括：1、高效利用能源；2、資源綜合利用；3、可再生能源；4、代替能源；5、核能；6、節(jié)能。第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：481、高效利用能源中國的能源綜合利用效率為35%，丹麥的能源綜合利用效率超過60%。1）熱電聯(lián)產(chǎn)：丹麥沒有一個火力發(fā)電項目不供熱，也沒有一個工業(yè)供熱鍋爐不發(fā)電。通過化石燃料轉(zhuǎn)換能源的綜合利用效率一般超過70%，是提高全社會能源利用效率的重要技術(shù)。丹麥的熱電聯(lián)產(chǎn)燃燒利用多種燃料，秸稈、樹枝、垃圾、天然氣和煤炭等資源，基本上是有什么燒什么，什么便宜燒什么，既通過能源梯級利用提高了能源的綜合利用效率。1、高效利用能源492）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。優(yōu)點是靠近需求側(cè)，將輸送損耗降至最低，并充分利用了低品位的熱能。2）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。503）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。利用太陽能和風能制氫，利用生物細菌制氫，還僅僅停留在設想或初級試驗階段，缺乏廣泛的經(jīng)濟性和可操作性?，F(xiàn)實的技術(shù)方向還是如何利用天然氣、煤氣化、甲醇、乙醇等能源，特別有前途的是利用廢棄在地下煤炭資源進行地下可控氣化再制氫技術(shù)3）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。512、資源綜合利用1）、瓦斯主要成分：甲烷，與天然氣相同，只是濃度低。煤礦中瓦斯的產(chǎn)量有限，不能大規(guī)模利用，只能采用分布式能源解決方案，就近利用瓦斯發(fā)電。2、資源綜合利用522）城市垃圾和污水可制造沼氣，或轉(zhuǎn)換成有機可燃物質(zhì)焚燒增加能源供應，減少環(huán)境污染。2）城市垃圾和污水533、可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)的可再生能源：大型風力發(fā)電場規(guī)?；乃芾靡恍﹪疫M行規(guī)?；奶柲芾?。分布式能源：樓宇式的光電、光熱和直接光能，以及儲光等能源利用系統(tǒng)，以減少對外部能源的消耗；水源、地源、空氣源、污水源和排氣源熱泵能量回收技術(shù)對于樓宇建筑空調(diào)的能源供應系統(tǒng)；小型風力發(fā)電或光電系統(tǒng)對于獨立能源用戶的電力供應等。3、可再生能源544、核能沒有二氧化碳的排放問題，如果不出事故，將會是非常清潔的能源4、核能555、節(jié)能國際上稱節(jié)能為煤炭、石油、可再生能源、核能之后的第五能源6、替代能源利用秸稈替代煤炭利用生物柴油或乙醇替代石油；利用太陽能熱水器替代電力或燃氣熱水器等。5、節(jié)能56燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)制造乙醇技術(shù)分為三類：一是使用玉米或者小麥等糧食作物；二是用紅薯、木薯、甜高粱等非主糧等；第三類則是農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物生產(chǎn)，統(tǒng)稱為纖維素燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)57最為成熟的是玉米或小麥技術(shù)為了保證玉米的糧食供應，我國已叫停的玉米制乙醇項目。200