生物技术与能源

学习目的了解人类如何利用微生物发酵工程技术,提高石油的开采量、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;了解人工种植能产“石油”的树木及开发各种未来新能源的途径,以满足人类需能的要求。掌握目前人类如何利用生物技术提高产能量及开发新能源的基本知识。10生物技术与能源10.1微生物技术与石油开采10.1.1微生物勘探石油地震法、地球物理法和地球化学法微生物石油勘探技术和优势微生物石油勘探研究进展生物技术与能源10生物技术与能源10.1.2微生物辅助采油技术和优势微生物石油勘探技术和实验依据油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。抗血清筛选土壤中利用烃的微生物。生物技术与能源10.1微生物技术与石油开采10.1.3微生物二次采油技术采油基本原理微生物产气采油采用效率和成本生物技术与能源10.1微生物技术与石油开采风能发电10.1.4微生物三次采油原理与效率原理：利用微生物分子生物学技术构建能产生大量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。目的：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。效率：进一步提高采油量15%～30%。生物技术与能源10.1微生物技术与石油开采10.2.1生产乙醇燃料的生化原理10.2.2乙醇作为燃料的益处产能效率高不生成一氧化碳低成本10.2未来石油的替代物——乙醇生物技术与能源10生物技术与能源乙醇燃料汽车10.2未来石油的替代物——乙醇生物技术与能源10.2.3乙醇发酵常用原材料:蔗糖或淀粉微生物:酵母菌关键酶:糖水解酶和酒化酶酵母菌10.2.3未来石油的替代物——乙醇A.用于化学工业的乙醇产量;B.用于汽油混合和替代品的乙醇产量巴西的乙醇生产情况产量（10亿升）生物技术与能源10.2未来石油的替代物——乙醇10.2.4乙醇代替石油的困境生物技术与能源生产乙醇燃料的原材料淀粉类纤维素类糖类其他玉米木材蔗糖菜花高粱木屑甜高粱葡萄小麦废纸糖蜜香蕉大麦森林残留物甜菜乳酪木薯农业残留物饲料甜菜乳浆土豆固体废物甘蔗硫化废物红薯产品废物葡萄糖10.2未来石油的替代物——乙醇10.2.5纤维素发酵生产乙醇生产乙醇原材料化学降解技术生产乙醇原材料酶解法降解技术葡聚糖内切酶(ED)、纤维二糖水解酶(CHB)β-葡萄糖酶(GL)微生物混合发酵法生物技术与能源巴西种植甘蔗发展乙醇燃料10.2.5纤维素发酵生产乙醇基因工程技术把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基因和一个β-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。生物技术与能源10.3.1能产“石油”的灌木兰桉树油楠的乔木银合欢树麻风树黄鼠草10.3植物“石油”生物技术与能源10生物技术与能源麻风树(小桐子、青桐木）10.3植物“石油”常见产油的植物向日葵、棕榈、椰子、花生、玉米、白菜、香蕉、胡萝卜、棉籽、油菜子和巴巴苏坚果提高植物产油量的途径增加脂肪酸合成底物来提高油脂合成水平。增加油脂合成途径的关键酶的基因表达。生物技术与能源10.3.2油料植物10.3植物“石油”10.3.3藻类产油生产生物柴油的方法:化学合成法、生物酶解法和工程藻类技术。提高工程小环藻产油的途径：设法提高乙酰辅酶A羧化酶在微藻细胞中充分表达。采用工程小环藻制造柴油的优势。生物技术与能源10.4.1生产甲烷的生化机理厌氧微生物生产甲烷途径初步反应：利用芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)及变形杆菌属(Proteus)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。10.4传统可再生能源——甲烷生物技术与能源10生物技术与能源10.4传统可再生能源——甲烷家庭式甲烷发酵生产示意图生物技术与能源发酵池结构10.4传统可再生能源——甲烷原材料与甲烷产量生物技术与能源农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量原料名称每吨干物质产沼气量（m3）甲烷含量/%猪粪60055牲畜粪便30060酒厂废水50048废物污泥40050麦秆30060青草6307010.4传统可再生能源——甲烷10.4.2应用举例我国是沼气生产最大量的国家，生产量高达7×106生物气单位，相当于22×106吨煤的能量。印度也是一个生产沼气的大国。按印度现有沼气的发展计划及规模，预测到2015年前，可建立1千万～2千万个沼气池，到时印度的燃料源很可能以沼气为主。生物技术与能源10.5.1氢能10.5.1.1产氢的微生物生物质制氢技术以生物质为原料利用热物理化学原理与技术制氢，如生物质气化制氢，超临界转化制氢，高温分解制氢；基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇转化制氢。利用生物途径转换制氢,如微生物发酵、直接生物光分解等。生物技术与能源10生物技术与能源10.5未来新能源10.5.1.1产氢的微生物常见的放氢微生物产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类藻类：颤藻属(Oscilayoria)螺藻属(Spirulina)念珠藻属(Nostoc)项圈藻属(Anabaena)非藻类：绿硫菌属(Chlorobium)红硫菌属(Chromatium)红螺菌属(Rhodospirillum)生物技术与能源颤藻10.5.1.1产氢的微生物常见产氢的非光合微生物厌氧菌：巴氏梭菌、产气微球菌、雷氏丁酸杆菌、克氏杆菌等。兼性厌氧菌：大肠杆菌、嗜水气单胞菌、软化芽胞杆菌、多粘芽胞杆菌等。生物技术与能源10.5.1氢能10.5.1.2产氢生化机理叶绿体膜及氢化酶等组分混合反应产氢示意图生物技术与能源10.5.1氢能10.5.1.3应用实例产氢细菌连续流富集装置A：配水箱；B：计量泵；C：反应器；D：搅拌机；E：气体流量计；F：碱收集瓶生物技术与能源10.5未来新能源10.5.2生物燃料电池10.5.2.1产物生物燃料电池氢氧型大肠杆菌电池装置（引自施安辉，1990）生物技术与能源10.5.2生物燃料电池10.5.2.2去极化生物燃料电池固定化大肠杆菌电池（引自施安辉，1990）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.记录仪生物技术与能源复习思考题１.简述开发新能源的必要性。２.如何利用微生物勘探石油和提高采油量？３.简述乙醇燃料能替代石油的依据。４.简述人工生产甲烷能替代天然气燃料的依据。５.谈谈你对未来能源的见解。生物技术与能源10生物技术与能源主要参考文献1.李永峰.2006.生物制氢系统产氢菌的富集与培养技术.南京理工大学学报.30（3）：365～3702.施安辉.1990.经济微生物.合肥：安徽科学出版社3.世界能源理事会.1998.新的可再生能源－未来发展指南.阎季慧等译.北京：海洋出版社4.谢立华等.2005.油菜作为优势能源作物的发展潜力与展望.生物加工过程.28（1）：28～415.于洁等.2006.生物质制氢技术研究进展.中国生物工程杂志.26（5）：107～1126.志梅.2002.生物化工新产品与新技术开发指南.北京：化学工业出版社7.仲海涛等.从废水中回收－微生物燃料电池与制氢技术.可再生能源.30（3）：46～508.周理.2005.氢与甲烷作为代油燃料之比较.23（2）：39～439.HigginsI.J.etal.1985.BitechnologyinPrincipleandApplication.London:BlackwellScientificPublications（黄河清编写）生物技术与能源10生物技术与能源