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第九章生物技术与能源•本章共2个学时,均为课堂讲授•教学目的和要求：了解掌握微生物与石油开发及其他新型能源工业上的应用技术及应用进展。•教学重点和难点：微生物在石油开发及其他新型能源工业上的应用技术。•教学方法与手段：课堂教学与自学相结合•第一节微生物与石油开发•第二节生物技术与新能源•复习与作业要求：自习为主•考核知识点：微生物在石油开发及其他新型能源工业上的应用技术及应用进展。•辅助教学活动：多媒体图片或动画辅助教学第一节微生物与石油开发——生物柴油一、简介•含义：指动植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料•柴油分子:15C碳链组成•植物油:14C-18C碳链组成，两者碳数相近。•生产原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料。•意义：生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。二、生物柴油的优势（7条）：1、具有优良的环保特性•硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低；•不含芳香族烷烃，废气对人体损害低。•含氧量高，燃烧时排烟少，一氧化碳的排放少。•生物降解性高。2、低温发动机启动性能：无添加剂冷滤点达-20℃。3、润滑性能：磨损率低，使用寿命长。4、安全性能：闪点高，不属于危险品，在运输、储存、使用方面的安全性高。5、燃料性能：十六烷值高，燃烧性好，燃烧残留物微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。6、可再生性能：可长期供应、永不会枯竭。7.无须改动柴油机，可直接添加使用无需其他设备和特殊技术。三、生物柴油的生产方法1、利用食用油生产生物柴油；2、利用工程微藻生产柴油。1、利用食用油生产生物柴油1）、化学合成法•用动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者碱性催化剂和高温(230～250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。特点：•甲醇或乙醇可循环使用•设备与一般制油设备相同•产生10%左右的副产品甘油主要问题：•成本高，75%是原料成本。解决方案：•基因工程方法研究高油含量的植物•采用工业废油和废煎炸油。其他缺点：•工艺复杂，醇必须过量，后续工艺必须有醇回收装置，能耗高。•色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；•酯化产物难于回收，成本高；•生产过程有废碱液排放。2）、生物酶法合成：•用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。•优点：条件温和、醇用量小、无污染排放。主要问题：•对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%-60%。•酶的使用寿命短。•副产物甘油和水难于回收。2、利用“工程微藻”生产柴油1）、归属：“硅藻类”的一种“工程小环藻”。2）、脂质含量：天然微藻：5%-20%。“工程微藻”：60%。3）、脂质含量高的原因：乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，增加脂质积累。4）、优越性•生产能力高、用海水作为天然培养基；•比陆生植物单产油脂高几十倍；•生产的生物柴油不含硫，不排放有毒害气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境.目前热点：•发展富含油质的微藻或者“工程微藻”是生产生物柴油的一大趋势。•选择合适的载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，修饰ACC基因获得超量表达。第二节生物技术与新能源一、新能源的含义：•狭义的新能源：可再生能源•广义新能源包括：1、高效利用能源；2、资源综合利用；3、可再生能源；4、代替能源；5、核能；6、节能。1、高效利用能源•中国的能源综合利用效率为35%，丹麦的能源综合利用效率超过60%。1）热电联产：•丹麦没有一个火力发电项目不供热，也没有一个工业供热锅炉不发电。通过化石燃料转换能源的综合利用效率一般超过70%，是提高全社会能源利用效率的重要技术。•丹麦的热电联产燃烧利用多种燃料，秸秆、树枝、垃圾、天然气和煤炭等资源，基本上是有什么烧什么，什么便宜烧什么，既通过能源梯级利用提高了能源的综合利用效率。2）、分布式能源：小型、微型的热电联产。•优点是靠近需求侧，将输送损耗降至最低，并充分利用了低品位的热能。3）、燃料电池：氢能，属于可再生能源。•利用太阳能和风能制氢，•利用生物细菌制氢，还仅仅停留在设想或初级试验阶段，缺乏广泛的经济性和可操作性。•现实的技术方向还是如何利用天然气、煤气化、甲醇、乙醇等能源，特别有前途的是利用废弃在地下煤炭资源进行地下可控气化再制氢技术2、资源综合利用1）、瓦斯•主要成分：甲烷，与天然气相同，只是浓度低。•煤矿中瓦斯的产量有限，不能大规模利用，只能采用分布式能源解决方案，就近利用瓦斯发电。2）城市垃圾和污水•可制造沼气，或转换成有机可燃物质焚烧增加能源供应，减少环境污染。3、可再生能源大规模生产的可再生能源：•大型风力发电场•规模化的水能利用•一些国家进行规模化的太阳能利用。分布式能源：•楼宇式的光电、光热和直接光能，以及储光等能源利用系统，以减少对外部能源的消耗；•水源、地源、空气源、污水源和排气源热泵能量回收技术对于楼宇建筑空调的能源供应系统；•小型风力发电或光电系统对于独立能源用户的电力供应等。4、核能•没有二氧化碳的排放问题，如果不出事故，将会是非常清洁的能源5、节能•国际上称节能为煤炭、石油、可再生能源、核能之后的第五能源6、替代能源•利用秸秆替代煤炭•利用生物柴油或乙醇替代石油；•利用太阳能热水器替代电力或燃气热水器等。燃料乙醇：生物发酵生产制造乙醇技术分为三类：•一是使用玉米或者小麦等粮食作物；•二是用红薯、木薯、甜高粱等非主粮等；•第三类则是农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物生产，统称为纤维素•最为成熟的是玉米或小麦技术•为了保证玉米的粮食供应，我国已叫停的玉米制乙醇项目。•2007年6月7日，国务院通过《可再生能源中长期发展规划》指出发展可再生能源“不得占用耕地，不得大量消耗粮食，不得破坏生态环境”。•生物燃料乙醇生产在“十一五”期间将坚持“因地制宜，非粮为主”，重点支持以薯类、甜高粱及纤维资源等非粮产业发展。•纤维素尽管有原料广泛且不受季节约束的优势，但也有不足之处。•秸秆是粮食的废弃品，分散在农村地区，由于秸秆的形状较长，运输起来并不方便，因此如果要建乙醇加工厂，最好的办法就是在各个乡设立一个加工基地。•大肠杆菌被发现于1885年，对人和动物有病原性，会引起严重腹泻和败血症。所以家长经常教育自己的孩子病从口入，饭前和手不干净的时候一定要勤洗。不过最新研究表明，大肠杆菌能在一定程度上解决石油能源的危机。•美国加里福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家JamesLiao和他的团队利用转基因技术，对大肠杆菌进行“感化教育”。改良后的细菌在消耗有机物后，可生成拥有较长碳链的酒精。需要重点指出的是，乙醇（酒精）无法取代燃油最重要的原因就在于，乙醇分子中能产生燃烧能量的碳原子过少。•含有4个碳原子的丁醇，一度被视为汽油替代燃料的有力竞争者。但经过JamesLiao团队改良的大肠杆菌能产生拥有5个碳原子的戊醇，这与汽油中的氢氧化物分子所含的7个碳原子更为接近，甚至可以直接代替汽油应用在汽车和飞机上。•改良版大肠杆菌作为生物酒精工厂，在低成本生成替代燃料的同时，还可以用于制造聚合物和药物。其中的聚合物可以广泛代替须从石油中提炼的塑料制品，缓解石油资源需求的压力。