生物技术与能源课件.ppt

生物技术与能源,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,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。,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,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。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,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,H2、CO2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,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,CO2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,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,本源微生物驱油原理示意图,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H2S。H2S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。,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,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,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CO2，而后乙醇及CO2通过细胞膜被排出体外。,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,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。,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,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,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：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,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。,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,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。,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,摆脱石油缺乏的困境,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,油料植物,向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和巴巴苏坚,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810。,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04。,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1820的作用。,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。,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,应用举例,我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7106 生物气单位，相当于2.2 107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 m3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 34吨固态肥及3035 m3左右的液态肥，可为两台功率为140kW的发电机提供动力。,未来新能源,氢能：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。,用光照射固定化的叶绿体时可连续生成10mol H2mg,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)。,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,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。,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,H2)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,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。,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,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。,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。,