生物技術(shù)與能源 (1)

1、生物技術(shù)與能源煤炭石油不可再生能源天然氣太陽(yáng)能風(fēng)能水電能可再生能源生物能海洋能地?zé)崮苌锛夹g(shù)與能源微生物與石油開(kāi)采未來(lái)石油的替代物乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來(lái)新能源微生物與石油開(kāi)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，地質(zhì)科學(xué)工作者在進(jìn)行直接分析底土(原生風(fēng)化土)中的烴含量(氣測(cè)法)，并用于判斷地下油氣的儲(chǔ)存量時(shí)，發(fā)現(xiàn)油區(qū)底土中的重?zé)N含量與季節(jié)變化存在一定聯(lián)系。這種依季節(jié)而變的起因是由于微生物活動(dòng)引起的。因而提出了油氣田中的氣態(tài)烴可借擴(kuò)散方式抵達(dá)地面，及地表底土中存在能利用氣態(tài)烴為碳源的微生物等看法。此外，這些菌在土壤中的含量與底土中的烴濃度存在對(duì)應(yīng)的關(guān)

2、系，所以可作為勘探地下油氣田的指示菌。從20世紀(jì)40年代到60年代期間，隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)及菌數(shù)測(cè)定方法的不斷改進(jìn)，利用微生物勘探石油這項(xiàng)技術(shù)得到迅速發(fā)展。石油中的甲烷、乙烷和丙烷組成了石油中的氣相成分。在石油蘊(yùn)藏地區(qū)，這些氣體可以冒到地表，并能為專(zhuān)一的烴利用細(xì)菌的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)。所以，當(dāng)一些地方發(fā)現(xiàn)有這類(lèi)細(xì)菌大量生長(zhǎng)時(shí)，就提示著這些地區(qū)附近可能有石油沉積。但甲烷分解細(xì)菌并不是一個(gè)良好的指示菌，因?yàn)樵谏飳W(xué)的許多代謝過(guò)程中，均能產(chǎn)生甲烷，故甲烷的存在并不提示著一定有石油存在。而乙烷由于生物學(xué)上并不大量產(chǎn)生，因此，乙烷的出現(xiàn)就指示著有石油蘊(yùn)藏在附近地區(qū)。所以乙烷分解細(xì)菌常作為探明石油礦藏的一個(gè)指標(biāo)

3、。微生物勘探石油微生物二次采油基本原理：利用微生物能在油層中發(fā)酵并產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)及H2、CO2及CH4等氣體的生理特點(diǎn)。微生物產(chǎn)氣可增加地層壓力，提高采油率。而且微生物產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油能從巖層縫隙中流出而聚集，便于開(kāi)采。此外，微生物還可產(chǎn)生表面活性劑，降低油水的表面張力，把高分子碳?xì)浠衔锓纸獬啥替溁衔?，使之更加容易流?dòng)，避免堵住油井輸油通道。微生物二次采油 例如，磺弧菌屬和梭狀芽胞桿菌屬中的許多微生物能在油層上生長(zhǎng)繁殖，它能代謝產(chǎn)生一定量的酸及H2、CO2等氣體，改善油層的黏度及增加氣壓，從而使油田中剩余的油繼續(xù)向上噴。試驗(yàn)結(jié)果表明，微生物技術(shù)處理后的

4、采油量可提高20 25，有時(shí)甚至高達(dá)3034。 美國(guó)德克薩斯州一口40年井齡的油井中，加入蜜糖和微生物混合物，然后封閉，經(jīng)細(xì)菌發(fā)酵后，井內(nèi)壓力增加，出油量提高近5倍。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院和工業(yè)研究所組織的地學(xué)勘探部也曾利用細(xì)菌發(fā)酵工藝使油井產(chǎn)量提高近50，并使增產(chǎn)率保持了一年。英國(guó)某公司也曾在英格蘭南部的石油開(kāi)發(fā)區(qū)中用細(xì)菌發(fā)酵技術(shù)使產(chǎn)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學(xué)技術(shù)，來(lái)構(gòu)建能產(chǎn)生大量CO2和甲烷等氣體的基因工程菌株或選育能提高產(chǎn)氣量的高活性菌株，把這些菌體連同它們所需的培養(yǎng)基一起注入到油層中，目的是讓這些工程菌能在油層中不僅產(chǎn)生氣體增加井壓，而且還能分泌

5、高聚物，糖酯等表面活性劑，降低油層表面張力，使原油從巖石中、沙土中松開(kāi)，黏度減低，從而提高采油量。此外，利用微生物發(fā)酵產(chǎn)物作為稠化水驅(qū)油的目的是進(jìn)一步降低石油與水之間的黏度差，減輕由注人的水不均勻推進(jìn)所產(chǎn)生的死油塊現(xiàn)象，讓注入水在滲透率不一致的油層中均勻推進(jìn)，增加水驅(qū)的掃油面積，從而提高油田的采油率并還能延長(zhǎng)油井的壽命。微生物三次采油微生物三次采油在油層中就地生長(zhǎng)的細(xì)菌的代謝物驅(qū)替原油示意圖本源微生物驅(qū)油原理示意圖微生物三次采油地層堵塞是降低采油量的一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，其原因是在注入油田的水中含有各種各樣的微生物，其中能利用石油的微生物種類(lèi)較多，再加上油田中存在著某些微生物生長(zhǎng)的良好環(huán)境，因而大量

6、菌體繁殖及菌體代謝產(chǎn)物的沉積，造成了地層滲透率發(fā)生變化，并造成地層堵塞，影響產(chǎn)油量。影響地層滲透率的主要菌群有硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌等，其中影響最大的是硫酸鹽還原菌。該菌能把硫酸鹽還原成H2S。H2S與亞鐵化合生成FeS黑色沉淀。此外，該菌還能使硫酸鹽和含鈣的鹽類(lèi)生成白色的硫酸鈣沉淀。這些沉淀物很容易引起地層堵塞現(xiàn)象，它不僅影響采油量，還可能使整個(gè)油井報(bào)廢。消除微生物所造成的地層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產(chǎn)酸并能在地層發(fā)酵生長(zhǎng)的微生物，通過(guò)微生物代謝產(chǎn)酸來(lái)消除地層堵塞現(xiàn)象。此外也可以用產(chǎn)酸菌大量發(fā)酵含酸性的代謝產(chǎn)物，例如檸檬酸等，然后把這酸性物質(zhì)加

7、入到即將注人油田的水中，提高注入水的酸度，從而減輕地層堵塞現(xiàn)象，提高采油率。未來(lái)石油的替代物乙醇 生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機(jī)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臨的問(wèn)題 纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機(jī)理意義：產(chǎn)能效率高；在燃燒期間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；可通過(guò)微生物大量發(fā)酵生產(chǎn)，其成本相對(duì)低些。因而這項(xiàng)技術(shù)很容易被人們所采納和推廣。生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機(jī)理生化機(jī)理：乙醇發(fā)酵所需的原材料可選用蔗糖或淀粉，發(fā)酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有豐富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能將蔗糖水解為單糖(葡萄糖、果糖)。

8、酒化酶是胞內(nèi)參與乙醇發(fā)酵的多種酶的總稱(chēng)，單糖必須透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在酒化酶的作用下進(jìn)行厭氧發(fā)酵并轉(zhuǎn)化成乙醇及CO2，而后乙醇及CO2通過(guò)細(xì)胞膜被排出體外。生化機(jī)理：通常乙醇發(fā)酵所需的原料依所使用的菌株而定。己糖發(fā)酵所用的菌株主要是酵母菌，可進(jìn)行發(fā)酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳糖也能被利用。一般認(rèn)為半乳糖比另外三種糖更難發(fā)酵。如果是用淀粉類(lèi)的多糖，則必須先水解成單糖后才能被發(fā)酵。淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲霉，糖化后再接種酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵。酵母菌發(fā)酵乙醇的生化過(guò)程是采用厭氧途徑。工 業(yè) 發(fā) 酵 上 常 用 的 菌 株 有 ： 啤 酒 酵 母 (S.cereuisiae)中的德

9、國(guó)1號(hào)和12號(hào)及臺(tái)灣3%號(hào)、葡萄汁酵母(S. uvarum)等。生產(chǎn)乙醇燃料的意義及生化機(jī)理乙醇替代石油的案例 巴西太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的生物材料中最理想的是甘蔗。它產(chǎn)能有效系數(shù)高達(dá)2.6(理論值6.0)。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，每公頃耕地平均可產(chǎn)甘蔗干物質(zhì)3540噸，所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于14.5噸石油或24-26噸煤所產(chǎn)生的熱值。巴西是盛產(chǎn)甘蔗的國(guó)家，也是一個(gè)利用發(fā)酵工藝生產(chǎn)乙醇替代部分石油的典型國(guó)家。早在80年代初，巴西每年大約有4000兆升的乙醇出口。到1985 年止，巴西乙醇產(chǎn)量為11 900 兆升，出售的汽車(chē)中的34是用乙醇作燃料的。在1000萬(wàn)輛汽車(chē)中有120萬(wàn)輛完全使用乙醇，其余 的 使 用

10、 含 23 乙 醇 的 混 合 汽 油 。 到 1988 年時(shí)，88的新轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)都使用乙醇。 烏拉圭靠種植65萬(wàn)公頃的甜高粱并用于發(fā)酵生產(chǎn)酒精，其產(chǎn)量可替代大約 45的石油。這65萬(wàn)公頃土地只相當(dāng)該國(guó)領(lǐng)土面積的4，并不會(huì)影響用于產(chǎn)糧和飼養(yǎng)牲畜所需的土地。 非洲的馬拉維杜瓜酒廠早在1982年就投產(chǎn)生產(chǎn)乙醇并用于燃料。它的年產(chǎn)量為1000萬(wàn)升。而該國(guó)每年所需的汽油量?jī)H5000萬(wàn)升，可滿足市場(chǎng)所需汽油量的20。乙醇替代石油的案例 發(fā)達(dá)國(guó)家也種植一些適合其本國(guó)氣候的燃料農(nóng)作物。像澳大利亞、美國(guó)、瑞士和法國(guó)，也開(kāi)始利用大量農(nóng)作物剩余物及森林的廢棄物發(fā)酵乙醇。1987年，美國(guó)用玉米作原料發(fā)酵生產(chǎn)大約3

11、萬(wàn)億升的乙醇，到1989年已達(dá)到32萬(wàn)億升乙醇產(chǎn)量。 根據(jù)有關(guān)研究報(bào)道，用乙醇來(lái)代替汽油的作法還有許多間接好處。如把乙醇加入到汽油中，可消除對(duì)十四乙基化合物的需求，這種做法很顯然對(duì)減緩地球升溫起到積極的作用。此外，用乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，消耗的乙醇燃料所排出的CO、碳?xì)浠衔锖脱趸?，比使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所排放出的量分別減少57、64及13。 因而可知，使用乙醇燃料不僅僅起著替代石油的作用，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到積極的作用。乙醇替代石油的案例乙醇代替石油所用的原材料和所面臨的困難 在當(dāng)前世界人口相當(dāng)密集的時(shí)代，可利用的土地資源日益減少，糧食供應(yīng)仍是一大問(wèn)題； 糧食成本較高，這樣就可能增加乙醇生產(chǎn)

12、的成本，使乙醇價(jià)格明顯高于石油價(jià)格。關(guān)鍵：如能發(fā)明高效地利用纖維素來(lái)代替糧食生產(chǎn)乙醇的工藝“生 物 技 術(shù)”乙醇代替石油所用的原材料和所面臨的困難纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 酸、堿處理法條件苛刻，對(duì)設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕作用，需要耐酸的設(shè)備；水解過(guò)程會(huì)生成有毒的分解產(chǎn)物如糖醛、酚類(lèi)等物質(zhì)；水解成本較高等。 酶水解法需要葡聚糖內(nèi)切酶(ED)、纖維二糖水解酶(CHB)和-葡萄糖酶(GL)這三種酶的協(xié)同作用才行。能產(chǎn)生這三種酶并被分泌到胞外的是真菌類(lèi)微生物，如正青霉、木霉和疣孢青霉。顯然，如利用上述菌株對(duì)纖維素進(jìn)行直接發(fā)酵，就不需要對(duì)纖維素進(jìn)行酸堿預(yù)處理。這種發(fā)酵工藝所需的設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，但不足之處是所獲的乙醇

13、產(chǎn)量不高，因而生產(chǎn)成本較高。 混合發(fā)酵法可避免用酸堿法或酶法水解纖維素時(shí)所引發(fā)的部分問(wèn)題。例如，熱纖梭菌能分解纖維素，但乙醇產(chǎn)量低(50)，而熱硫化氫梭菌不能直接利用纖維素，但所產(chǎn)出的乙醇量相當(dāng)高。因此，如把兩者微生物進(jìn)行混合直接發(fā)酵，其產(chǎn)率可達(dá)75以上。纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 基因工程技術(shù)既能直接利用纖維素又能高產(chǎn)乙醇的基因工程菌，也是潛在的最有發(fā)展前途的技術(shù)之一。目前基因工程菌的構(gòu)建主要采用兩種技術(shù)路線：把能水解纖維素的一個(gè)葡聚糖內(nèi)切酶基因和一個(gè)-葡萄糖苷酶基因克隆在能產(chǎn)生乙醇的菌株中，并研究該菌株利用纖維素作原料的情況。把能產(chǎn)生乙醇的基因克隆到能降解纖維素，但不能生產(chǎn)乙醇的

14、菌株中。例如，把運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的丙酮酸脫羧酶基因和乙醇脫氫酶基因轉(zhuǎn)移到不能生產(chǎn)乙醇的克雷伯氏氧化桿菌中就能直接發(fā)酵纖維素產(chǎn)生乙醇。 新的纖維素乙醇廠的內(nèi)部圖示，該裝置可以把農(nóng)業(yè)纖維素廢棄物轉(zhuǎn)化為乙醇。在右邊的那個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)部，生化酶可以有效降解纖維素。 直到現(xiàn)在，纖維乙醇還被限制在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)或小規(guī)模示范性工廠階段，在美國(guó)還沒(méi)有商業(yè)運(yùn)行規(guī)模的纖維乙醇生產(chǎn)廠，美國(guó)能源部正在資金支持12個(gè)甚至更多的公司建立纖維乙醇示范工廠或商業(yè)運(yùn)營(yíng)工廠。纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇擺脫石油缺乏的困境植物“石油” 產(chǎn)“石油”的灌木牛奶樹(shù)三角大戟蘭桉樹(shù)可比巴銀合歡樹(shù)油料植物 向日葵、棕櫚、椰子、花生、油菜子和巴巴蘇堅(jiān)果藻類(lèi)產(chǎn)油 藻

15、類(lèi)能產(chǎn)生大量的脂類(lèi)，可用來(lái)制造柴油及汽油。早期，英國(guó)新科學(xué)家曾報(bào)道，美國(guó)設(shè)在科羅拉多州的太陽(yáng)能研究所用一個(gè)直徑20m的池塘養(yǎng)殖藻類(lèi)，年產(chǎn)藻4噸多，可產(chǎn)油3000多升。目前，這個(gè)研究組正從分子生物學(xué)角度，開(kāi)發(fā)能產(chǎn)更多的油脂類(lèi)的藻類(lèi)，研究目標(biāo)是想在2010年前，用藻類(lèi)生產(chǎn)的汽油能提供美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)所用燃料總量的810。甲烷與燃料源 甲烷氣可產(chǎn)生機(jī)械能，電能及熱能。目前甲烷已作為一種燃料源，并可通過(guò)管道進(jìn)行輸送，供給家庭及工業(yè)使用或轉(zhuǎn)化成為甲醇作為內(nèi)燃機(jī)的輔助性燃料。 天然氣氣源是由遠(yuǎn)古時(shí)代的生物群體衍變而來(lái)，通過(guò)鉆井開(kāi)采獲得的，是一種不可再生的能源。在地表也存在甲烷，它主要來(lái)自于天然的濕地、稻根及動(dòng)物

16、的腸道內(nèi)發(fā)酵而釋放的，其相對(duì)總量大約分別為20、20及15。家養(yǎng)的牲畜是動(dòng)物釋放甲烷的主要來(lái)源，大約占所有動(dòng)物釋放甲烷量的75。而人類(lèi)僅占04。 甲烷被認(rèn)為是起著溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一。它很有可能對(duì)未來(lái)溫室效應(yīng)起著總效應(yīng)的1820的作用。生產(chǎn)甲烷的生化機(jī)制 厭氧微生物可通過(guò)厭氧發(fā)酵途徑生產(chǎn)甲烷。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程分為三個(gè)主要步驟：初步反應(yīng)：利用芽孢桿菌屬、假單胞菌屬及變形桿菌屬等微生物把纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等很粗糙的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性的混合組分。微生物發(fā)酵過(guò)程：低相對(duì)分子質(zhì)量的可溶性組分通過(guò)微生物厭氧發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸。甲烷形成：通過(guò)甲烷菌把這些有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為甲烷及CO2。顯然，甲烷生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的

17、過(guò)程，有若干種厭氧菌參與該反應(yīng)過(guò)程。家庭式甲烷發(fā)酵生產(chǎn)示意圖農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量應(yīng)用舉例 我國(guó)是沼氣生產(chǎn)量最大的國(guó)家，生產(chǎn)量高達(dá)7106 生物氣單位，相當(dāng)于2.2 107噸煤的能量。如按目前國(guó)內(nèi)物價(jià)分析，在農(nóng)村建造一個(gè)糞便發(fā)酵池來(lái)生產(chǎn)沼氣供家庭使用的造價(jià)，很可能會(huì)低于一輛自行車(chē)的價(jià)格。據(jù)報(bào)道國(guó)內(nèi)農(nóng)村正在使用的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器( 沼氣池) 超過(guò)500 萬(wàn)個(gè)。此外，工廠和大型畜牧場(chǎng)還有 10000個(gè)大中型沼氣池.應(yīng)用舉例 在 美 國(guó) 加 州 ， 采 用 牛 糞 生 產(chǎn) 甲 烷 能 給 一 個(gè) 工 廠 提 供 20000kWh的電能。美國(guó)一牧場(chǎng)建立一座反應(yīng)發(fā)酵池，主體是一個(gè)寬30m，長(zhǎng)

18、213m的密封池，利用牧場(chǎng)糞便和其他有機(jī)廢物等，每天可處理1640噸廄肥，每天可為牧場(chǎng)提供113000 m3的甲烷，足夠一萬(wàn)戶居民使用。 日本曾研究開(kāi)發(fā)了一套“本地能源綜合利用機(jī)械系統(tǒng)”。該系統(tǒng)由沼氣發(fā)酵反應(yīng)器、發(fā)電設(shè)備、廢物預(yù)處理器及有機(jī)肥料制作設(shè)備組成。這個(gè)系統(tǒng)每天可處理 34噸固態(tài)肥及3035 m3左右的液態(tài)肥，可為兩臺(tái)功率為140kW的發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。未來(lái)新能源 氫能：燃燒產(chǎn)物為水，無(wú)污染產(chǎn)氫的微生物 1942年Gafron和Rubin發(fā)現(xiàn)珊列藻(Sceaedesmas)可產(chǎn)氫。 產(chǎn)氫的光合微生物可分為藻類(lèi)及非藻類(lèi)。藻類(lèi)有顫藻屬、螺藻屬、念珠藻屬、項(xiàng)圈藻屆、小球藻屬 、珊列藻屬及衣藻屬

19、等。非藻類(lèi)放氫微生物有綠硫菌屬、紅硫菌屬和紅螺菌屬等。 產(chǎn)氫的非光合微生物可分為厭氧菌及兼性厭氧菌。前者有巴氏梭菌、產(chǎn)氣微球菌、雷氏丁酸桿菌、克氏桿菌等，后者有大腸桿菌、嗜水氣單胞菌、軟化芽胞桿菌、多黏芽胞桿菌等。 把產(chǎn)氫基因克隆到水生藻類(lèi)中能使之大幅度地提高產(chǎn)氫量。產(chǎn)氫生化機(jī)制 20世紀(jì)60年代初期就已經(jīng)證實(shí)用人工電子供體、含有氫化酶的細(xì)菌提取物、從菠菜中分離出的葉綠體混合后能產(chǎn)生氫氣。葉綠體膜及氫化酶混合后的產(chǎn)氫機(jī)制提高產(chǎn)氫量的關(guān)鍵措施是尋找對(duì)氧不敏感的氫化酶，eg. 產(chǎn)堿桿菌屬的氫化酶應(yīng)用實(shí)例 Weissman和Benemam把項(xiàng)圈藻固定于圓筒形的容器中能連續(xù)產(chǎn)氫18天；而 Jeffries等也利用此藻研究生產(chǎn)氫氣長(zhǎng)達(dá)30天。 用光照射固定化的葉綠體時(shí)可連續(xù)生成10mol H2mg葉綠素。固定化氫產(chǎn)生菌用于反應(yīng)體系進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)氫氣，其產(chǎn)氫量為20mlJ(minkg凝膠濕重)。生物燃料電池 定義：所謂微生物電池就是利用微生物的代謝產(chǎn)物作為物理電極活性物質(zhì)，引起原物理電極的電極電位偏移，增加電位差，從而獲得電能的裝置。以酶為基礎(chǔ)的生物燃料電池生物燃料電池 1910年，英國(guó)植物學(xué)家Potter把酵母或大腸桿菌放人含有葡萄糖的培養(yǎng)基中進(jìn)行厭氧培養(yǎng)，其產(chǎn)物在鉑電極上能顯示出0.30.5 V的開(kāi)路電壓和0.2 mA的低電流。 1962年，Rohrba