生物技术与人类生活10-能源和环保.ppt
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1、2023/10/16,生物技术和人类生活,生物技术与人类生活(十一)(1)生物技术与新能源开发,李云海,2023/10/16,生物技术和人类生活,主要内容,(1)人类如何利用微生物发酵工程技术,提高石油的开采量;(2)降低乙醇燃油及甲烷燃料的生产成本,并设法提高产量及减少环境污染;(3)人工种植能产“石油”的树木及开发各种未来新能源,以满足人类需能的要求。使我们了解:目前人类如何利用生物技术提高产能量及开发新能源等基本知识。,2023/10/16,生物技术和人类生活,一、地球上现存的能源,目前,地球上的能源可分为两大类:主要指现有库存的三大不可再生能源 化石原料:煤、天然气和 石油(包括核能)
2、太阳能、风能、潮汐能可再生能源 生物能、海洋能 地热能、水能等,2023/10/16,生物技术和人类生活,根据有关专家预测,煤、天然气和石油的可使用有效年限分别为100120年、3050年和1830年。因此,21世纪所面临的最大难题和困境可能不是战争及食品,而是能源。虽然以水力、潮汐、风力为动力的发电设备及太阳能捕获器、地热等已为人类提供了一定数量的能源,但离人类对能源的需求还相差甚远。,2023/10/16,生物技术和人类生活,因此,随着地球上化石能源的不断耗尽,寻找、改善及提高可再生能源的利用率和发明创造新技术以最大限度地开采不可再生能源的做法,很可能是今后几十年内人类从地球上获取能源的有
3、效举措。从目前市场能源消耗的品种及速率分析,利用生物技术提高不可再生能源的开采率及创造更多可再生能源,将是本世纪产能的有效技术之一。,2023/10/16,生物技术和人类生活,二、生物技术在能源中的应用,1、微生物技术与石油开采2、未来石油的替代物-乙醇3、植物“石油”4、甲烷与燃料源5、未来的新能源,2023/10/16,生物技术和人类生活,微生物勘探石油 油气田中的气态烃可借助扩散方式抵达地表,用地表底土中是否存在能利用气态烃为碳源的微生物,作为勘探地下油气田的指示菌;且这些微生物含量的多少,与底土中的烃浓度存在对应的关系(正相关),可用于推测该油气田是否有开采价值。准确率可达到40%-1
4、00%。目前,已发展至用免疫学抗血清方法检测烃类氧化菌的种类与含量(更准确和有针对性、科学性)。,1、微生物技术与石油开采,2023/10/16,生物技术和人类生活,一次采油 主要指借助油层自身的压力来采油(可开采总储存量的1/3)。二次采油 指用注水加压法增加采油量(开采量可由原来的30%增加到40%-50%)。,微生物二次采油 二次采油的更有效方法。即利用一些微生物能在油层中发酵产生大量的酸性物质及H2、CO2及CH4等气体,增加地层压力,提高采油率(可再提高25%-34%)。微生物三次采油 三次采油就是利用高产CO2及CH4的微生物基因工程菌株,进一步增加井压,分泌高聚物和表面活性剂等,
5、开采剩余的30%-40%的油气。,2023/10/16,生物技术和人类生活,2、未来石油的替代物-乙醇(1)生产乙醇燃料的意义及其生化机制 乙醇作为燃料的优点:产能效率高、燃烧期间不生成有毒的一氧化碳和可通过微生物大量发酵等等。从目前人类正在开发的许多产能的技术和效益来看,乙醇很可能是未来的石油替代物。乙醇的三种生产方式:微生物发酵、石油衍生物和化学合成。微生物发酵生产乙醇:主要用淀粉、纤维素、糖类、果蔬类和硫化废物等作原料。,2023/10/16,生物技术和人类生活,(2)乙醇替代石油的实例 二次世界大战期间,欧洲曾用乙醇作为摩托车的燃料;之后福特公司设计出可用乙醇、汽油或两者混合作燃料的汽
6、车。20世纪80年代,巴西88%的新轿车都使用乙醇(原料为甘蔗)。乌拉圭用甜高粱发酵生产的酒精作燃料,替代了45%的石油。发达国家用大量农作物剩余物及森林的废气物发酵乙醇作为燃料等。,2023/10/16,生物技术和人类生活,(3)乙醇代替石油所用的原材料和面临的困难 目前主要用农产品的精料(粮食和饲料)发酵,但粮食短缺带来成本较高;也可用纤维素(木屑、废纸、农林残留物等)做原料,但生产工艺还不是很成熟,效率不高。最有希望的解决办法即是应用生物技术。(4)纤维素发酵生产乙醇 如实现,完全可用乙醇代替石油。而生物技术是最有希望在较短的时期内实现这种可能性的技术。,2023/10/16,生物技术和
7、人类生活,3、植物“石油”,(1)产“石油”的灌木 主要是指橡胶树的近缘植物,所含的汁液丰富且含有高比例的碳氢化合物,经过适当加工,可与汽油混合作为动力机的燃料。如美洲、欧洲、前苏联和非洲均有发现的牛奶树、三角大戟;美国和日本的兰桉树;巴西的可比巴乔木;菲律宾和马来西亚的银合欢树等。根据专家推论,假如全球的1/3沙漠和旱地都种上“石油树”,则所产“石油”就完全可满足人类对能源的需求。,2023/10/16,生物技术和人类生活,(2)油料植物 种子中能提取出植物油的植物。如向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜籽和巴巴苏坚果等。在农业(法国)、环保(意大利)或两者(德国)中均有应用。(3)藻类产油 藻类
8、及其基因工程改良的高产脂种类能产生大量油脂类物质,可用来制造柴油和汽油。美国做得较好,速度较快。产油的藻类,利用光能把CO2转变为石油,每年每公顷土地培植的单胞藻按35%-50%干物质为碳氢化合物计算,至少可得到60吨的石油燃料。,2023/10/16,生物技术和人类生活,4、甲烷与燃料源(1)生产甲烷的生化机制 甲烷气体可产生机械能、电能及热能。来源主要有三个:天然气、稻根湿地和厌氧微生物发酵。大规模发酵生产甲烷的过程需要较高深的生物技术(如对温度、酸碱度、湿度、振荡和粗材料的输出输入平衡等参数进行严格控制),与小型化的甲烷发酵生产过程(沼气产生)有所不同。,2023/10/16,生物技术和
9、人类生活,(2)沼气等的应用实例 中国是沼气生产量最大的国家,目前农村正在使用的厌氧发酵生物反应器(沼气池)超过500万个;印度规划在21世纪前期就以沼气为主要燃料源;美国加州利用牧场粪便和有机废物;菲律宾农工业联合企业利用工业废水和农业废物等,巧妙建立沼气生产体系。,2023/10/16,生物技术和人类生活,5、未来的新能源,(1)氢 能(产氢气微生物的利用)氢能是未来可燃气能源中最理想的气体燃料之一(绿色能源:热量相当于汽油的3倍,燃余物为水,不污染环境)。早期氢的制取 均采用物理或化学方法;,2023/10/16,生物技术和人类生活,生物技术的氢制取 称为生物光化学方法,利用太阳光和生物
10、体产氢。有三类产氢生物:A.光合微生物(藻类、基因工程藻类、红绿硫菌、红螺菌等)B.非光合微生物(厌氧菌、兼性厌氧菌等)C.化能异养菌或光合细菌(已发现能产氢的这类微生物有4060种)。,2023/10/16,生物技术和人类生活,多数由微生物参与反应,引起原物理电极电位偏差,增加电位差,从而获得电能。有三类:产物生物燃料电池、去极化生物燃料电池和再生生物燃料电池等。,(2)生物燃料电池,2023/10/16,生物技术和人类生活,生物技术与人类生活(十一)(2)生物技术与环境保护,李云海,2023/10/16,生物技术和人类生活,什么是环境生物技术?,环境生物技术也称环境生物工程,指的是直接或间
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