生物技術與能源

關于生物技術與能源第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日煤炭

石油不可再生 能源天然氣第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日太陽能

風能水電能可再生 能源 生物能海洋能 地熱能第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日生物技術與能源微生物與石油開采未來石油的替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日微生物與石油開采?微生物勘探石油?微生物二次采油?微生物三次采油第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日微生物勘探石油1937年，地質科學工作者在進行直接分析底土(原生風化土)中的烴含量(氣測法)，并用于判斷地下油氣的儲存量時，發(fā)現油區(qū)底土中的重烴含量與季節(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引起的。因而提出了油氣田中的氣態(tài)烴可借擴散方式抵達地面，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應的關系，所以可作為勘探地下油氣田的指示菌。從20世紀40年代到60年代期間，隨著微生物培養(yǎng)技術及菌數測定方法的不斷改進，利用微生物勘探石油這項技術得到迅速發(fā)展。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

石油中的甲烷、乙烷和丙烷組成了石油中的氣相成分。在石油蘊藏地區(qū)，這些氣體可以冒到地表，并能為專一的烴利用細菌的生長提供營養(yǎng)。所以，當一些地方發(fā)現有這類細菌大量生長時，就提示著這些地區(qū)附近可能有石油沉積。但甲烷分解細菌并不是一個良好的指示菌，因為在生物學的許多代謝過程中，均能產生甲烷，故甲烷的存在并不提示著一定有石油存在。而乙烷由于生物學上并不大量產生，因此，乙烷的出現就指示著有石油蘊藏在附近地區(qū)。所以乙烷分解細菌常作為探明石油礦藏的一個指標。微生物勘探石油第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日微生物二次采油基本原理：利用微生物能在油層中發(fā)酵并產生大量的酸性物質及H2、CO2及CH4等氣體的生理特點。微生物產氣可增加地層壓力，提高采油率。而且微生物產生的酸性物質可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油能從巖層縫隙中流出而聚集，便于開采。此外，微生物還可產生表面活性劑，降低油水的表面張力，把高分子碳氫化合物分解成短鏈化合物，使之更加容易流動，避免堵住油井輸油通道。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日微生物二次采油第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日?例如，磺弧菌屬和梭狀芽胞桿菌屬中的許多微生物 能在油層上生長繁殖，它能代謝產生一定量的酸及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。試驗結果表明，微生物技術處理后的采油量可提高20％～25％，有時甚至高達30％～34％。?美國德克薩斯州一口40年井齡的油井中，加入蜜糖 和微生物混合物，然后封閉，經細菌發(fā)酵后，井內 壓力增加，出油量提高近5倍。澳大利亞聯(lián)邦科學 研究院和工業(yè)研究所組織的地學勘探部也曾利用細 菌發(fā)酵工藝使油井產量提高近50％，并使增產率保 持了一年。英國某公司也曾在英格蘭南部的石油開 發(fā)區(qū)中用細菌發(fā)酵技術使產油率提高近20％。微生物二次采油第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日基本原理：主要是利用微生物分子生物學技術，來構建能產生大量CO2和甲烷等氣體的基因工程菌株或選育能提高產氣量的高活性菌株，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生氣體增加井壓，而且還能分泌高聚物，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，黏度減低，從而提高采油量。

此外，利用微生物發(fā)酵產物作為稠化水驅油的目的是進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所產生的死油塊現象，讓注入水在滲透率不一致的油層中均勻推進，增加水驅的掃油面積，從而提高油田的采油率并還能延長油井的壽命。微生物三次采油第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日微生物三次采油在油層中就地生長的細菌的代謝物驅替原油示意圖第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日本源微生物驅油原理示意圖第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日微生物三次采油

地層堵塞是降低采油量的一種常見的現象，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較多，再加上油田中存在著某些微生物生長的良好環(huán)境，因而大量菌體繁殖及菌體代謝產物的沉積，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、鐵細菌、硫細菌等，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象，它不僅影響采油量，還可能使整個油井報廢。

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酸并能在地層發(fā)酵生長的微生物，通過微生物代謝產酸來消除地層堵塞現象。此外也可以用產酸菌大量發(fā)酵含酸性的代謝產物，例如檸檬酸等，然后把這酸性物質加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象，提高采油率。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日未來石油的替代物—乙醇?生產乙醇燃料的意義及生化機理?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題?纖維素發(fā)酵生產乙醇第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日

生產乙醇燃料的意義及生化機理意義：產能效率高； 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；

可通過微生物大量發(fā)酵生產，其成本相對低些。因而這項技術很容易被人們所采納和推廣。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日生產乙醇燃料的意義及生化機理?生化機理： 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)。酒化酶是胞內參與乙醇發(fā)酵的多種酶的總稱，單糖必須透過細胞膜進入細胞內，在酒化酶的作用下進行厭氧發(fā)酵并轉化成乙醇及CO2，而后乙醇及CO2通過細胞膜被排出體外。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日生化機理：

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。一般認為半乳糖比另外三種糖更難發(fā)酵。如果是用淀粉類的多糖，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行酒精發(fā)酵。酵母菌發(fā)酵乙醇的生化過程是采用厭氧途徑。

工業(yè)發(fā)酵上常用的菌株有：啤酒酵母(S.cereuisiae)中的德國1號和12號及臺灣3%號、葡萄汁酵母(S.uvarum)等。生產乙醇燃料的意義及生化機理第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日乙醇替代石油的案例?巴西

太陽能轉化為化學能的生物材料中最理想的是甘蔗。它產能有效系數高達2.6％(理論值6.0％)。據有關資料報道，每公頃耕地平均可產甘蔗干物質35～40噸，所產生的能量相當于14.5噸石油或24-26噸煤所產生的熱值。 巴西是盛產甘蔗的國家，也是一個利用發(fā)酵工藝生產乙醇替代部分石油的典型國家。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，巴西乙醇產量為11900兆升，出售的汽車中的3／4是用乙醇作燃料的。在1000萬輛汽車中有120萬輛完全使用乙醇，其余的使用含23％乙醇的混合汽油。到1988年時，88％的新轎車的發(fā)動機都使用乙醇。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日?烏拉圭靠種植65萬公頃的甜高粱并用于發(fā)酵生產 酒精，其產量可替代大約45％的石油。這65萬公 頃土地只相當該國領土面積的4％，并不會影響用 于產糧和飼養(yǎng)牲畜所需的土地。?非洲的馬拉維杜瓜酒廠早在1982年就投產生產乙 醇并用于燃料。它的年產量為1000萬升。而該國 每年所需的汽油量僅5000萬升，可滿足市場所需 汽油量的20％。乙醇替代石油的案例第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日?發(fā)達國家也種植一些適合其本國氣候的燃料農作物。像澳 大利亞、美國、瑞士和法國，也開始利用大量農作物剩余 物及森林的廢棄物發(fā)酵乙醇。1987年，美國用玉米作原料 發(fā)酵生產大約3萬億升的乙醇，到1989年已達到32萬億升 乙醇產量。?根據有關研究報道，用乙醇來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，可消除對十四乙基化合 物的需求，這種做法很顯然對減緩地球升溫起到積極的作 用。此外，用乙醇發(fā)動機作為動力機，消耗的乙醇燃料所 排出的CO、碳氫化合物和氧化氮含量，比使用汽油發(fā)動機 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，而且對環(huán)境保護也起到積極的作用。乙醇替代石油的案例第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日乙醇代替石油所用的原材料和所面臨的困難?在當前世界人口相當密集 的時代，可利用的土地資 源日益減少，糧食供應仍 是一大問題；?糧食成本較高，這樣就可 能增加乙醇生產的成本， 使乙醇價格明顯高于石油 價格。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日關鍵：如能發(fā)明高效地利用纖維素來代替糧食生產乙醇的工藝“生物技術”乙醇代替石油所用的原材料和所面臨的困難第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日纖維素發(fā)酵生產乙醇?酸、堿處理法

條件苛刻，對設備有很強的腐蝕作用，需要耐酸的設備；水解過程會生成有毒的分解產物如糖醛、酚類等物質；水解成本較高等。?酶水解法

需要葡聚糖內切酶(ED)、纖維二糖水解酶(CHB)和β-葡萄糖酶(GL)這三種酶的協(xié)同作用才行。能產生這三種酶并被分泌到胞外的是真菌類微生物，如正青霉、木霉和疣孢青霉。顯然，如利用上述菌株對纖維素進行直接發(fā)酵，就不需要對纖維素進行酸堿預處理。這種發(fā)酵工藝所需的設備簡單，成本低，但不足之處是所獲的乙醇產量不高，因而生產成本較高。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日?混合發(fā)酵法

可避免用酸堿法或酶法水解纖維素時所引發(fā)的部分問題。例如，熱纖梭菌能分解纖維素，但乙醇產量低(50％)，而熱硫化氫梭菌不能直接利用纖維素，但所產出的乙醇量相當高。因此，如把兩者微生物進行混合直接發(fā)酵，其產率可達75％以上。纖維素發(fā)酵生產乙醇第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日纖維素發(fā)酵生產乙醇?基因工程技術

既能直接利用纖維素又能高產乙醇的基因工程菌，也是潛在的最有發(fā)展前途的技術之一。 目前基因工程菌的構建主要采用兩種技術路線： ①把能水解纖維素的一個葡聚糖內切酶基因和一個β-葡萄糖苷酶基因克隆在能產生乙醇的菌株中，并研究該菌株利用纖維素作原料的情況。 ②把能產生乙醇的基因克隆到能降解纖維素，但不能生產乙醇的菌株中。例如，把運動發(fā)酵單胞菌的丙酮酸脫羧酶基因和乙醇脫氫酶基因轉移到不能生產乙醇的克雷伯氏氧化桿菌中就能直接發(fā)酵纖維素產生乙醇。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日?新的纖維素乙醇廠的內部圖示，該裝 置可以把農業(yè)纖維素廢棄物轉化為乙 醇。在右邊的那個發(fā)酵罐內部，生化 酶可以有效降解纖維素。?直到現在，纖維乙醇還被限制在實驗 室生產或小規(guī)模示范性工廠階段，在 美國還沒有商業(yè)運行規(guī)模的纖維乙醇 生產廠，美國能源部正在資金支持12

個甚至更多的公司建立纖維乙醇示范 工廠或商業(yè)運營工廠。纖維素發(fā)酵生產乙醇第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日擺脫石油缺乏的困境第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日植物“石油”?產“石油”的灌木牛奶樹三角大戟蘭桉樹可比巴銀合歡樹第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日油料植物?向日葵、棕櫚、椰子、花生、油菜子和巴巴蘇堅果第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日藻類產油?藻類能產生大量的脂類，可用來制造柴油及汽油。 早期，英國《新科學家》曾報道，美國設在科羅 拉多州的太陽能研究所用一個直徑20m的池塘養(yǎng) 殖藻類，年產藻4噸多，可產油3000多升。目前， 這個研究組正從分子生物學角度，開發(fā)能產更多 的油脂類的藻類，研究目標是想在2010年前，用 藻類生產的汽油能提供美國機動車所用燃料總量 的8％～10％。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日甲烷與燃料源?甲烷氣可產生機械能，電能及熱能。目前甲烷已作為一種 燃料源，并可通過管道進行輸送，供給家庭及工業(yè)使用或 轉化成為甲醇作為內燃機的輔助性燃料。?天然氣氣源是由遠古時代的生物群體衍變而來，通過鉆井 開采獲得的，是一種不可再生的能源。在地表也存在甲 烷，它主要來自于天然的濕地、稻根及動物的腸道內發(fā)酵 而釋放的，其相對總量大約分別為20％、20％及15％。家 養(yǎng)的牲畜是動物釋放甲烷的主要來源，大約占所有動物釋 放甲烷量的75％。而人類僅占0．4％。?甲烷被認為是起著溫室效應的主要氣體之一。它很有可能對未來溫室效應起著總效應的18％～20％的作用。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日生產甲烷的生化機制?厭氧微生物可通過厭氧發(fā)酵途徑生產甲烷。整個發(fā)酵過程分為三個主要步驟：①初步反應：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、脂肪和蛋白質等很粗糙的有機物轉化成可溶性的混合組分。②微生物發(fā)酵過程：低相對分子質量的可溶性組分通過微生物厭氧發(fā)酵作用轉化成有機酸。③甲烷形成：通過甲烷菌把這些有機酸轉化為甲烷及CO2。顯然，甲烷生產是一個復雜的過程，有若干種厭氧菌參與該反應過程。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日家庭式甲烷發(fā)酵生產示意圖農村常用發(fā)酵生產甲烷的原料及沼氣產量第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日應用舉例?我國是沼氣生產量最大的國家，生產量高達7×106生物氣 單位，相當于2.2×107噸煤的能量。如按目前國內物價分析，在農村建造一個糞便發(fā)酵池來生產沼氣供家庭使用的造價，很可能會低于一輛自行車的價格。據報道國內農村正在使用的厭氧發(fā)酵反應器(沼氣池)超過500萬個。此外，工廠和大型畜牧場還有10000個大中型沼氣池.第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日應用舉例?在美國加州，采用牛糞生產甲烷能給一個工廠提供20 000kW·h的電能。美國一牧場建立一座反應發(fā)酵池，主體 是一個寬30m，長213m的密封池，利用牧場糞便和其他有 機廢物等，每天可處理1640噸廄肥，每天可為牧場提供113 000m3的甲烷，足夠一萬戶居民使用。?日本曾研究開發(fā)了一套“本地能源綜合利用機械系統(tǒng)”。該 系統(tǒng)由沼氣發(fā)酵反應器、發(fā)電設備、廢物預處理器及有機 肥料制作設備組成。這個系統(tǒng)每天可處理3～4噸固態(tài)肥及

30～35m3左右的液態(tài)肥，可為兩臺功率為140kW的發(fā)電機 提供動力。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日未來新能源?氫能：燃燒產物為水，無污染第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日產氫的微生物?1942年Gafron和Rubin發(fā)現珊列藻(Sceaedesmas)可產氫。?產氫的光合微生物可分為藻類及非藻類。藻類有顫藻屬、 螺藻屬、念珠藻屬、項圈藻屆、小球藻屬、珊列藻屬及 衣藻屬等。非藻類放氫微生物有綠硫菌屬、紅硫菌屬和紅 螺菌屬等。?產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。?把產氫基因克隆到水生藻類中能使之大幅度地提高產氫量。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日產氫生化機制?20世紀60年代初期就已經證實用人工電子供體、含有氫化 酶的細菌提取物、從菠菜中分離出的葉綠體混合后能產生 氫氣。葉綠體膜及氫化酶混合后的產氫機制提高產氫量的關鍵措施是尋找對氧不敏感的氫化酶，eg.產堿桿菌屬的氫化酶第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日應用實例?Weissman和Benemam把項圈藻固定于圓筒形的容器中能連續(xù)產氫18天；而Jeffries等也利用此藻研究生產氫氣長達30天。?用光照射固定化的葉綠體時可連續(xù)生成10μmolH2／mg葉綠素。固定化氫產生菌用于反應體系進行連續(xù)生產氫氣，其產氫量為20mlJ(min·kg凝膠濕重)。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日生物燃料電池?定義：所謂微生物電池就是利用微生物的 代謝產物作為物理電極活性物質，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。以酶為基礎的生物燃料電池第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日生物燃料電池?1910年，英國植物學家Potter把酵母或大腸桿菌放人含有葡萄糖的培養(yǎng)基中進行厭氧培養(yǎng)，其產物在鉑電極上能顯示出0.3～0.5V的開路電壓和