微生物與新能源新材料的開發(fā)

微生物與新能源新材料的開發(fā)第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六常規(guī)的一次采油是油井建成之后，靠地層壓力將原油壓至地面，能開采出原油總量的30%左右；二次采油需加壓、注水、注氣等，靠水或氣體的流動將油從油井驅(qū)至地面，能獲得總儲量的10%-20%；剩余在油藏中的石油由于吸附在巖石空隙間，難以開采，因此需要用新的方法將其開采出來，這就需要三次采油。三次采油的主要機(jī)理是降低原油粘度，或者增加注入水的粘度，縮小油水之間的粘度差，控制水的流動性，提高驅(qū)油面積，從而提高原油的采收率。常規(guī)的三次采油方法有：熱驅(qū)、蒸汽驅(qū)油、化學(xué)驅(qū)油(包括表面活性劑驅(qū)油和聚合物驅(qū)油)，以及微生物采油。第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六常規(guī)的化學(xué)驅(qū)動費(fèi)用都比較昂貴，而微生物采油隨著生物技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)向著經(jīng)濟(jì)開采原油的目標(biāo)邁出了可喜的第一步。利用微生物開采枯竭的油層是目前最經(jīng)濟(jì)的方法。應(yīng)用這種方法不僅可以開采出流動的原油，而且可以開采出不流動的石油，并能使枯竭井延長使用壽命。多年以來的研究證明：微生物采油是一種最有前途的強(qiáng)采方法。微生物采油的歷史：1926年，美國石油工程師Beckmen最早提出。20世紀(jì)40年代，美國海洋微生物學(xué)家C.E.Zobell報道硫酸鹽還原菌可提高實(shí)驗室模型系統(tǒng)的石油采收率。1943-1953年，就微生物對石油成因的作用和原油成分的作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究。并開始了微生物提高采收軍的技術(shù)研究。20世紀(jì)70年代后，微生物采油技術(shù)逐漸從室內(nèi)微生物過程評價走向全球現(xiàn)場應(yīng)用。我國最近幾年一些高等院校如山東大學(xué)、南開大學(xué)等相繼與勝利油田、大慶油田、大港油田等合作開展了這項技術(shù)研究，取得了一定的成果。第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六微生物采油的主要優(yōu)點(diǎn)：施工成本低。施工工藝簡單，操作方便，操作方式靈活多變，容易控制生態(tài)學(xué)優(yōu)勢。增產(chǎn)效果持續(xù)時間長。使用范圍廣。一、微生物采油（一）微生物采油的機(jī)理及特點(diǎn)（二）微生物采油的應(yīng)用方法分類（三）微生物采油的局限和存在的問題（四）微生物采油的現(xiàn)狀和發(fā)展前景第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（一）微生物采油的機(jī)理及特點(diǎn)(1)微生物的直接作用通過在巖石表面上的生長繁殖，占據(jù)孔隙空間，用物理的方法驅(qū)出石油，改變碳?xì)浠衔锏酿s分。微生物能粘附到巖石表面，在油膜下生長，最后把油膜推開，使油釋放出來。

(2)改變原油的組成通過降解原油，使具變成低粘度的原油。微生物以石油中正構(gòu)烷烴作為碳源而生長繁殖，從而改變原油的碳鏈組成，使原油粘度降低而變得容易流動。微生物不斷老化，改變了石蠟基原油的物理性質(zhì)，影響了原油液或固相的平衡，降低了石蠟基原油的臨界溫度和壓力。(3)改變原油的驅(qū)油環(huán)境①生物表面活性劑提高果收率。②生物氣提高果收率。③產(chǎn)生酸及有機(jī)溶劑提高采收率。④生物聚合物提高采收率。(4)綜合作用第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六微生物采油的特點(diǎn)：①烴氧化菌對原油中石蠟的降解作用。②微生物的新陳代謝可產(chǎn)生脂肪酸、糖脂、類脂體等多種生物表面活性。③微生物自身具有黏附在金屬或粘土礦物表面的特性，能夠在金屬或粘土礦物表面形成保護(hù)膜，因此具有屏蔽晶核、阻止結(jié)晶的作用。④石微生物的新陳代謝過程中，產(chǎn)生大量乙醇、乙醛和有機(jī)酸等，它們可使重質(zhì)組分在原油系統(tǒng)中的溶解度大大增加。⑤在油層條件下，所篩選的菌種以原油為惟一碳源，生長、繁殖良好。⑥微生物能氧化降解原油，使輕組分增加了30%以上，并能產(chǎn)生有機(jī)酸和活性物質(zhì)等，降低界面張力。⑦物理模擬實(shí)驗表明，在水驅(qū)采油之后微生物驅(qū)可以提高采收率達(dá)10%原油儲量(OOIP)左右。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（二）微生物采油的應(yīng)用方法分類單井周期注入微生物采油技術(shù)微生物驅(qū)油激活油藏微生物群落驅(qū)油微生物選擇性封堵微生物壓裂液壓裂微生物油井清蠟。單井周期注入微生物采油技術(shù)的局限性：①產(chǎn)能低、滲透率低的油井不適應(yīng)單井吞吐。②易出砂井，不宜采用單井吞吐。③黏土含量高的油層不宜采用。④高溫高壓井不宜采用微生物開采。采用的微生物主要有芽孢桿菌，羧狀芽孢桿菌，地衣芽孢桿菌，革蘭氏陰性細(xì)菌。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六4．微生物選擇性封堵微生物封堵油層的機(jī)理是；將形體較大，且產(chǎn)生表面粘稠物質(zhì)的微生物菌種從注水井注入，微生物可以運(yùn)移到大孔道或有溶洞的儲油巖層部位，通過微生物的生長繁殖和代謝作用，產(chǎn)生大菌體細(xì)胞和細(xì)胞分泌的表面站稠物質(zhì)，在地層的巖石表面形成一層生物膜，高效地封堵大孔道或溶洞，降低地層的滲透率。主要使用的微生物葡聚糖-β-球菌，硝酸鹽還原菌，腸膜明串珠菌等。也可用活性污泥中的微生物5、微生物壓裂液壓裂將在厭氧條件下大量產(chǎn)生有機(jī)酸的微生物及營養(yǎng)物高壓注入孔限度甚小、滲透率很低的儲油層，微生物生長過程中產(chǎn)生大量有機(jī)酸，可以溶解巖層使之形成縫隙，提高滲透率，利于原油流動，提高原油果收率。利用微生物壓裂液壓裂地層技術(shù)施工時，需先將所用的菌株及營養(yǎng)物注入地下油層，再用凝膠填充油管和產(chǎn)層附近的空間，然后加壓，當(dāng)壓裂后，油層的壓力降低，關(guān)井?dāng)?shù)月后，再次開采，此時的產(chǎn)油量將大大增加。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六

6、微生物油井清蠟原油中含有一定比例的蠟，在原油的采出過程中，隨著溫度、壓力的降低，原油中的蠟會結(jié)晶析出，析出的蠟晶凝結(jié)在井壁上，堵塞儲油層通往井壁的孔隙通道，降低原油流動性，降低單井原油日產(chǎn)量，從而嚴(yán)重影響原油的開采。用微生物法防蠟的機(jī)理可以簡單地概括為以下幾點(diǎn)：一是通過微生物的代謝產(chǎn)物(表面活性劑或溶劑)的作用，使油管內(nèi)壁及抽油竿表面形成親水膜，使蠟不容易被吸附；二是通過微生物對蠟的利用而使長鏈蠟降解；三是通過微生物產(chǎn)生的某些表面活性劑類物質(zhì)，降低油-水界面張力，改變蠟的蠟晶狀態(tài)，阻壓蠟的凝結(jié)，起到防蠟作用。另外，用表面活性劑、乳化劑清洗井壁，可以溶解固形石蠟，提高原油的采收率。因此，利用微生物進(jìn)行防蠟及除蠟，是一種行之有效的方法。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（三）微生物采油的局限和存在的問題局限性：①對于高溫(＞89℃)或高含鹽量(＞10%)的地層通常不能適用；②營養(yǎng)基中有時含有一定量的重金屬離子，可能對微生物有副作用；③需進(jìn)行實(shí)驗室配伍性試驗以及合理的工程設(shè)計，目采油機(jī)理尚未完全探明證實(shí)；④對特定油層的最佳微生物應(yīng)用工藝尚在建立之中；⑤油田應(yīng)用的篩選標(biāo)準(zhǔn)仍需不斷改進(jìn)；⑤能可靠預(yù)測現(xiàn)場過程的地層模擬技術(shù)尚未開發(fā)。存在的問題宏觀上：1)僅僅依賴于篩選，因而菌種單一；2)缺乏評價和監(jiān)測規(guī)范以及可工業(yè)化應(yīng)用的數(shù)模軟件，導(dǎo)致礦場方案的科學(xué)化程度不高；3)對油藏環(huán)境中微生物的生態(tài)認(rèn)識不夠，因而在確定注入體系時缺乏依據(jù).微(介)觀上：1)對微生物驅(qū)油特有過程的關(guān)注不夠；2)分子層次的研究工作少，包括從分子層次對菌種的研究、油藏環(huán)境中微生物的分子生態(tài)、分子層次的驅(qū)油機(jī)制等；3)對微生物與油藏環(huán)境適應(yīng)性認(rèn)識不夠.第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（四）微生物采油的現(xiàn)狀和發(fā)展前景石油微生物發(fā)展方向：油田區(qū)系的微生物資源調(diào)查高效采油菌種的分子生物學(xué)構(gòu)建微生物采油機(jī)理的深入探討原油降粘、破乳等邊緣技術(shù)的建立油田生態(tài)環(huán)境的生物修復(fù)其它配套工程技術(shù)的完善二、微生物代謝產(chǎn)物采油（一）微生物代謝產(chǎn)物采油的方法和分類（二）微生物采油和微生物產(chǎn)物采油的比較（三）微生物產(chǎn)物采油的應(yīng)用前景第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六微生物產(chǎn)物采油技術(shù)，即地上微生物采油法，是在地面上建立發(fā)酵反應(yīng)罐，為微生物生長代謝提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)，通過微生物的代謝作用產(chǎn)生生物物質(zhì)(主要是生物表面活性劑和生物多糖聚合物)，將這些生物物質(zhì)分離、純化后注入地層，可以降低原油的粘度，從而達(dá)到提高采收率的目的。該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用選育的優(yōu)良菌種在地上發(fā)酵生產(chǎn)采油制劑。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵過程在地面上進(jìn)行，微生物的生長和代謝不受地層條件的影響。缺點(diǎn)就是成本較高。第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（一）微生物代謝產(chǎn)物采油的方法和分類根據(jù)采油中應(yīng)用的微生物代謝產(chǎn)物的不同，分別介紹用微生物聚合物采油和用微生物產(chǎn)生的表面活性劑采油。微生物聚合物采油：采油亨可以應(yīng)用的水溶性聚合物很多，但形成一定使用規(guī)模的聚合物只有兩神，一種是化學(xué)合成的聚合物——聚丙烯酰胺，目前在石油工業(yè)上所使用的水溶性聚合物中，聚丙烯酰胺仍處于十分重要的地位，它易溶解，有很好的增粘性，價格便宜，且易于現(xiàn)場使用，另一種是生物聚合物——黃原膠。盡管在石油工業(yè)上應(yīng)用的生物聚合物種類很多，但目前在聚合物驅(qū)油和堵水調(diào)剖方面具有應(yīng)用價值的只有黃原膠。國內(nèi)南開大學(xué)、山東大學(xué)、中科院微生物研究所等單位已研制出了適于三次采油的國產(chǎn)黃原膠，性能基本達(dá)到或接近國外同類產(chǎn)物的水平。驅(qū)油模擬實(shí)驗表明，國產(chǎn)黃原膠驅(qū)油比水驅(qū)可提高采收率8%-12%。國產(chǎn)黃原膠經(jīng)與三價鉻離子交聯(lián)改性處理，在河南南陽油田進(jìn)行了注水共調(diào)剖提高采收率的試驗。結(jié)果表明，注水井吸水剖面得到調(diào)整，獲得了明顯的增油降水效果。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六表面活性劑采油：用微生物生產(chǎn)表面活性劑是20世紀(jì)70年代后期國際生物工程領(lǐng)域中發(fā)展起來的一個新課題。加拿大、英國、德國、前蘇聯(lián)等國家先后進(jìn)行了研究與開發(fā)。生物表面活性劑的空產(chǎn)成本低，目成本僅為合成表面活性劑的30%。因此，使用生物表面活性劑比使用人工合成表面活性劑經(jīng)濟(jì)得多。微生物生產(chǎn)的表面活性劑主要用于驅(qū)油。生物表面活性劑可很容易地溶解在地層和注入水中，在油-水界面上具有較高的表面活性，能很好地潤濕含油巖石的表面，能從巖石表面洗掉油膜；分散原油的能力強(qiáng)，在固體表面上的吸附量少，所以驅(qū)油能力強(qiáng)。研究表明，生物表面活性劑的驅(qū)油效率比人工合成表面活性劑的驅(qū)油效率要高3.5-8倍。中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所是我國國內(nèi)首創(chuàng)研究生物表面活性劑的單位。已研究出4種類型的糖脂型化合物，如槐糖脂、海藻糖脂和多糖脂等。用這些表面活性劑可提高殘余油采收率15%，顯示了良好的應(yīng)用前景，達(dá)到了國外同類技術(shù)研究水平。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（二）微生物采油和微生物產(chǎn)物采油的比較從理論上看，微生物采油似乎比較簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中會遇到一系列的問題。因為該方法需要將篩選好的菌種注入多孔巖層，而其中的菌體如處理不當(dāng)可能會堵塞巖層；而且油層是一個極端的環(huán)境，油層的環(huán)境條件對微生物的活性起著嚴(yán)格的限制作用。微生物采油的成本低，設(shè)備簡單。而微生物產(chǎn)物采油成本高，需要一系列發(fā)酵設(shè)備。（三）微生物產(chǎn)物采油的應(yīng)用前景從1986年開始，上海有機(jī)化學(xué)研究所經(jīng)微生物菌種篩選和選育，已研制出槐糖脂、海藻糖脂、多糖脂等多種糖脂型表面活性劑。中國科學(xué)院滲流力學(xué)研究所對上海有機(jī)化學(xué)研究所提供的6種生物表面活性劑進(jìn)行了篩選和配制試驗。以鼠李糖脂為母液，成功地配制了低界面張力的表面活性劑稀體系。該體系經(jīng)松散砂型物理模型試驗表明，采收率比水驅(qū)提高20%-25%，抗鹽性、耐漏性均好。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六大慶油田使用海藻糖脂-堿二元體系可使大慶原油的界面張力降為0.3mN/m，用該體系驅(qū)油可提高殘余油采收率15%，顯示了良好的應(yīng)用前景。已經(jīng)報道的可以在采油中使用的生物聚合物雖然不多，但是利用黃原膠采油現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了較好的效果。而且，由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，它將會得到更廣泛的應(yīng)用，而且有可能取代聚丙烯酰胺成為新一代的采油聚合物。三、石油微生物脫硫（BDS）（一）石油的組成與脫硫簡介（二）脫硫機(jī)理及有關(guān)微生物（三）生物脫硫的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展前景第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（一）石油的組成與脫硫簡介

石油一般是天然的氣體、液體和固體混合物，主要成分是碳?xì)浠衔?，而硫在石油中被認(rèn)為是僅次于碳和氫的第3種元素。石油的總含硫量在0.03%-7.89%之間，除元素硫、硫化物外，還有硫醌、噻吩、苯并噻吩、二苯基噻吩類及更復(fù)雜的含硫有機(jī)化合物約200種。無機(jī)硫及沸點(diǎn)較低的含硫有機(jī)物很容易脫去，而沸點(diǎn)較高的二苯并噻吩(DBT)及其衍生物是典型的難脫除有機(jī)硫的代表物，常被用為模型化合物評價脫硫效果。目前雖然已有多種方法脫出燃料中的硫，但是傳統(tǒng)的物理分離方法只能脫出無機(jī)硫，而化學(xué)法脫硫過程需要在高溫、高壓、催化加氫（HDS）等苛刻條件下進(jìn)行，成本和操作費(fèi)用很高，此外這些方法催化雜環(huán)分子中的硫時效果不好。而微生物在漫長地道化過程中已經(jīng)形成了多種多樣的對付環(huán)境中的硫的生化機(jī)制。生物學(xué)家和工程師們正在利用這些硫?qū)Ｒ恍酝緩絹響?yīng)付與硫有關(guān)的環(huán)境問題。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（二）脫硫機(jī)理及有關(guān)微生物脫除無機(jī)硫脫除無機(jī)硫的微生物主要是化能自養(yǎng)菌如硫桿菌屬和嗜熱硫化裂片菌屬中的一些細(xì)菌。這些菌氧化無機(jī)硫化物有間接作用和直接作用兩種。間接作用機(jī)理為細(xì)菌氧化Fe2+，生成的強(qiáng)氧化劑Fe3+再將硫化物氧化成S，然后Fe2+又被氧化，沉積在石油中的硫再被Fe3+氧化生成水溶性硫酸鹽；直接氧化的機(jī)理則為細(xì)菌直接與硫化物的含硫部位接觸，在細(xì)菌生物膜內(nèi)作用生成還原型谷胱甘肽(GSH)的二硫衍生物GSSH，GSSH被氧化酶氧化并水解成亞硫酸鹽，亞硫酸放又被氧化為硫酸鹽。脫除有機(jī)硫，以MBT為例：主要微生物：脫硫弧菌，假單孢菌，短桿菌，棒狀桿菌等。主要脫硫機(jī)制DBT的C-C被專一氧化而C-S鍵依然保留。直接氧化C-S鍵生成苯甲酸酯途徑專一切斷C-S鍵生成聯(lián)苯途徑第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六生物脫硫技術(shù)工業(yè)化的障礙在于催化劑的活性、穩(wěn)定性和發(fā)酵產(chǎn)率方面。然而，1990年以來，美國ENEC公司通過生物催化產(chǎn)品的優(yōu)化，DszA、DszB、DszC濃度的提高，DszD的優(yōu)化和DszB的剔除等方法，使重組BDS催化劑的活性提高了200倍，壽命提高了10倍以上，催化劑的發(fā)酵產(chǎn)率也由起初的1g/L提高到60g/L，脫硫速率基本上達(dá)到了BDS商業(yè)化應(yīng)用所需要的數(shù)量級。（三）生物脫硫的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展前景基因工程在BDS技術(shù)中的應(yīng)用分子生物學(xué)和代謝工程尚未解決的代謝問題：如這些疏水性的分子是如何到達(dá)參與反應(yīng)的第一個酶的；細(xì)胞怎樣將產(chǎn)物運(yùn)到胞外的等。如何工業(yè)應(yīng)用問題：雖然近10年來，BDS技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，但在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化之前仍有很多問題需要解決，存在的問題主要有兩個方面：一是生物催化劑的發(fā)展，如細(xì)菌對含硫雜環(huán)芳烴的代謝機(jī)理還不十分清楚，生物催化劑性能仍有待于提高，包括催化劑活性、選擇性和壽命等；菌種的選擇、生物催化劑的生產(chǎn)和再生等問題。二是BDS技術(shù)的工藝和工程問題：包括新型生物反應(yīng)器的設(shè)計、分離技術(shù)(油、水和生物催化劑的分離)、副產(chǎn)品的處理，以及如何提高產(chǎn)品的質(zhì)量等。第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§2燃料乙醇的開發(fā)植物纖維原材料的預(yù)處理技術(shù)纖維素酶的生產(chǎn)與纖維素水解乙醇發(fā)酵菌株的選育與工程菌的構(gòu)建發(fā)酵工藝的選擇石油資源的大量消耗和逐步枯竭對人類社會發(fā)展造成的最直接威脅是液體燃料的持續(xù)供應(yīng)問題，因而燃料乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)就成為生物質(zhì)資源開發(fā)的主攻方向。本章將以纖維素類資源的生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)酒精技術(shù)為主線，介紹相關(guān)的研究進(jìn)展。纖維素類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料和化工原料的關(guān)鍵問題在于纖維素類聚合物的降解，所以本節(jié)主要介紹纖維素類聚合物如何轉(zhuǎn)化成單體的。第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六燃料酒精工業(yè)的市場條件已經(jīng)逐步成熟了。發(fā)展燃料酒精工業(yè)具有重大的戰(zhàn)略意義：①有利于環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展，能改善大中城市大氣質(zhì)量。特別是從整個二氧化碳循環(huán)周期看，由生物質(zhì)生產(chǎn)燃料酒精形成了基本上封閉的碳循環(huán)，沒有二氧化碳凈排放，有利于減少溫室效應(yīng)。②有利于減少成品油進(jìn)口重，降低國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對進(jìn)口燃油的依賴程度，保證國家能源安全。③有利于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是有利于玉米、甘蔗主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和社會的穩(wěn)定，增加就業(yè)機(jī)會。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酒精的過程一般可分為3部分：將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的原料；生物質(zhì)降解產(chǎn)物發(fā)酵為乙醇；分離提取乙醇及其副產(chǎn)物。具體說，玉米稈等纖維材料經(jīng)酸水解或水解酶處理后可產(chǎn)糖，加微生物菌種則可發(fā)酵生產(chǎn)酒精或雖他產(chǎn)物，經(jīng)蒸餾、脫水等過程分離提取成為化工產(chǎn)品。第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六木質(zhì)纖維素降解利用的三大障礙：第一是木質(zhì)纖維素材料因具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通常難于被直接降解轉(zhuǎn)化。第二個主要障礙是纖維降解酶的生產(chǎn)效率低、成本較高，影響了酶的廣泛使用。第三是半纖維素水解產(chǎn)生的大量戊糖(主要是木糖和少量阿拉伯糖)一般不能被通常的釀酒酵因發(fā)酵成酒精。第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六一、植物纖維原材料的預(yù)處理技術(shù)有很多可提高其可降解率的物理、化學(xué)預(yù)處理方法，如輻射、粉碎、高壓熱水、有機(jī)溶劑、稀酸、低溫濃酸、酸催化的蒸汽水解、蒸汽爆破、液氨爆破、堿水解及使用非離子表面活性劑等。另外近年來利用酶（如白腐菌產(chǎn)生的木質(zhì)素降解酶系），化學(xué)高級氧化法等特異性的降解木質(zhì)素等組分，從而使纖維素更易降解。1.酸水解和稀酸預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用新的逆流式流通工藝，可得到很高的纖維素和半纖維素水解程度。同時得糖率高，酸用量少（0.07%）。用稀硫酸在較低溫度下處理植物纖維材料，可以只降解其中的半纖維素，而提高經(jīng)過預(yù)處理后的材料中纖維素的可酶解性。因為處理條件較溫和，生成的糖類降解比較少。稀酸水解生成的糖類可發(fā)酵成乙醇，而處理后的材料可進(jìn)一步經(jīng)微生物酶解轉(zhuǎn)化。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六酸處理過程中，半纖維素脫出的乙?；a(chǎn)生的乙酸、糖類降解產(chǎn)生糠醛和5-羥基糠醛和木質(zhì)素降解的酚類化合物有毒性，對后期的發(fā)酵有一定的抑制，解決方法主要有：采用離子交換、過量石灰中和等措施脫毒選育和使用能抗毒性物質(zhì)的酒精發(fā)酵菌使用二氧化硫來代替硫酸進(jìn)行處理2.蒸汽爆破技術(shù)在眾多預(yù)處理方法中，高壓蒸汽爆破技術(shù)是比較有效、低成本、無污染的新技術(shù)。向裝有桓物纖維物質(zhì)的壓力罐中通入高壓蒸汽，使罐溫達(dá)到200-240℃左右，維持較短時間后，突然減壓將物料噴出，使物料爆碎。國內(nèi)山東大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)等單位都進(jìn)行過優(yōu)化蒸汽爆破條件的研究。第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六原理在高溫條件下，原料中的半纖維素會迅速分解釋放出有機(jī)酸，進(jìn)而發(fā)生自水解作用而可溶化，細(xì)胞間的本質(zhì)素也能出現(xiàn)溶化，并發(fā)生部分降解，變得易被熱水、有機(jī)溶劑或稀堿抽提。加上突然減壓爆碎的機(jī)械分離作用，植物細(xì)胞間質(zhì)或細(xì)胞壁變得疏松，細(xì)胞游離，纖維素的可酶解性明顯增強(qiáng)。3.低溫氨爆處理氨作為堿性物質(zhì)，能破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)。用液氨在低溫下處理纖維性材料，并用突然減壓的方法產(chǎn)生爆碎效應(yīng)，可用于增加某些草類和農(nóng)業(yè)殘余物的可消化性。通過大量研究工作，此技術(shù)取得了一定程度的成功。爆碎后氣化的氨比較容易回收，又不太形成發(fā)酵抑制物，能量消耗和投資成本也比較合理的，進(jìn)一步研究可望改進(jìn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝，提高其經(jīng)濟(jì)可行性。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六4.其他脫木質(zhì)素技術(shù)造紙廠的硫酸鹽、亞硫酸鹽、燒堿法等制漿方法。用二氧化硫氣體處理，用甲醇或乙醇加入少量的鹽酸、硫酸或磷酸使木質(zhì)素醇解。用丙酮等有機(jī)溶劑抽提木質(zhì)素。用堿處理，如用氫氧化鈉和石灰使用其它的膨脹劑如:氨、磷酸、氯化鋅等。目前，大量的預(yù)處理研究都是對表面現(xiàn)象的研究，很少探究預(yù)處理過程的化學(xué)基礎(chǔ)。然而，只有深入開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究，搞清反應(yīng)過程中的復(fù)雜因果關(guān)系，才能為進(jìn)一步的開發(fā)研究提供研究方向，確定最佳反應(yīng)條件，并指導(dǎo)預(yù)處理技術(shù)的規(guī)模放大。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六二、纖維素酶的生產(chǎn)與纖維素水解酶法水解具有反應(yīng)條件溫和、不生成有毒降解產(chǎn)物、糖得率高、設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn)。而妨礙木質(zhì)纖維素資源酶法生物轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)用化的主要障礙之一，是纖維素酶的生產(chǎn)效率低、成本較高，影響了纖維素酶的廣泛使用。目前1美國加侖(3.78541dm3)乙醇需用纖維素酶的生產(chǎn)費(fèi)用約為30-50美分，美國近期的研究目標(biāo)是將纖維素酶成本減少到低于每加侖乙醇5美分，這需要酶的比活性或生產(chǎn)效率增高約10倍。1.纖維案酶高產(chǎn)菌種的篩選和誘變育種細(xì)菌:分解纖維素的細(xì)菌大多是厭氣性的，生長慢，往往產(chǎn)生大量粘液，并且產(chǎn)生的纖維素酶不是胞內(nèi)酶，就是附著在細(xì)胞壁上，不能分泌到培養(yǎng)液中，這增加了提取的困難。然而,由于近年來芽抱桿菌產(chǎn)生的胞外堿性纖維素酶已在洗滌劑工業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用，纖維分解細(xì)菌仍受到廣泛重視。第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六真菌：目前，用于生產(chǎn)纖維素酶的微生物大多屬于真菌。研究得較多的有木霉屬、曲霉屬、青霉屬、根霉屬及漆斑霉屬等。其中木霉、青霉產(chǎn)生的纖維素酶活力往往最高，酶組分最全，因而應(yīng)用也最廣泛。曲霉和根霉產(chǎn)生的主要是內(nèi)切型纖維素酶，多同于紡織、造紙等纖維的表面加工。一般從自然界篩選分離的野生型菌株產(chǎn)酶能力比較低。為了提高纖維素酶的活力，誘變育種是一個有效的途徑。木霉是常用的生產(chǎn)菌，因此，誘變工作大多是用木霉進(jìn)行的。并且獲得了纖維素酶活力顯著提高的菌株。從國內(nèi)外研究的效果看來，高能電子、γ射線、亞硝基鹽和紫外線可能是木霉屬菌種較有效的誘變因子。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六山東大學(xué)的研究者改進(jìn)了抗阻遏突變株的篩選方法，選出的一株纖維素酶高產(chǎn)菌株斜臥青霉(P.decumbensJU1)，具有明顯的抗降解阻遏特性，可在含有大量可溶性糖的培養(yǎng)基上合成纖維素酶。這就為其快速生長和利用含糖廢液做培養(yǎng)基提供了可能。中國科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所等單位采用多種誘變劑復(fù)合處理也得到比較好的結(jié)果。2.纖維素酶的生產(chǎn)液體培養(yǎng)；固體培養(yǎng)：固體培養(yǎng)方法包括薄層的曲盤培養(yǎng)、簾子培養(yǎng)和厚層的通風(fēng)培養(yǎng)。固體培養(yǎng)設(shè)備比較簡單，易于推廣，但容易污染雜菌，溫度和濕度不易控制，大規(guī)模生產(chǎn)難于穩(wěn)定。液體深層培養(yǎng)具培養(yǎng)條件容易控制，不易染雜菌，生產(chǎn)效率高。影響纖維素生產(chǎn)的因素碳源：稻草、玉米芯、糠醛渣、紙漿、甘蔗渣、麩皮等。氮源：硫酸銨、尿素、蛋白胨無機(jī)鹽、微量元素誘導(dǎo)物：纖維素，包括有β-1,4糖苷鍵的葡聚糖和少數(shù)寡糖纖維二糖乳糖槐糖：是β-1,2糖苷鍵的葡聚二糖表面活性劑及其他促進(jìn)劑的作用：吐溫80；乙酸鈉和抗壞血酸鈉。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六三、乙醇發(fā)酵菌株的選育與工程菌的構(gòu)建理想的生物質(zhì)乙醇發(fā)酵菌應(yīng)能發(fā)酵所有生物質(zhì)來源的糖，具有對木質(zhì)素單體、乙酸和其他抑制性副產(chǎn)物的良好抗性，并同纖維素完全水解所需的纖維素酶有協(xié)同作用。近年來，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了利用代謝工程手段，構(gòu)建高得率、高生產(chǎn)率、寬底物范圍、產(chǎn)物專一和耐乙醇和水解抑制物的木糖發(fā)酵菌的研究。1.木糖代謝途徑和菌株改造策略通常，微生物代謝木糖生成木酮糖有兩種途徑。細(xì)菌一般采用由木糖異構(gòu)酶催化的一步途徑。而酵母菌中發(fā)現(xiàn)的通常是涉及木糖還原酶(XR)和木糖醇脫氫酶(XDH)的兩步反應(yīng)。木酮糖隨后被木酮糖激酶(XK)催化磷酸化為5-磷酸木酮糖，并進(jìn)而通過磷酸戊糖途徑和糖酵解(EMP)途徑(或在運(yùn)動發(fā)酵單胞菌中為ED途徑)，進(jìn)一步降解。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六構(gòu)建利用木糖和夏他非發(fā)酵糖的發(fā)酵菌株的兩類代謝工程方法：目標(biāo)：構(gòu)建能以高得率和高濃度轉(zhuǎn)化生物質(zhì)為大宗化學(xué)品的微生物。能利用所需底物的微生物，如利用木糖的大腸桿菌，利用纖維素的熱纖細(xì)菌能產(chǎn)生所需產(chǎn)物的微生物，如生產(chǎn)乙醇的酵母，生產(chǎn)乳酸的乳酸菌代謝工程改進(jìn)產(chǎn)物形成代謝工程改進(jìn)底物利用天然底物利用策略重組菌底物利用策略第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六四、發(fā)酵工藝的選擇使用酶水解法生物轉(zhuǎn)化纖維類生物質(zhì)的過程通常涉及4步生物催化反應(yīng)：纖維素酶生產(chǎn)、纖維素水解、己糖發(fā)酵和戊糖發(fā)酵。根據(jù)這些生物反應(yīng)被組合的程度，工藝過程變化很大。水解發(fā)酵二段法：用纖維素發(fā)酵酒精，如將纖維素先用纖維S素酶糖化再經(jīng)酵母發(fā)酵成酒精的方法，即所謂水解發(fā)酵二段法(separatehydrolysisandfermentation，SHF).水解發(fā)酵二段法的致命弱點(diǎn)是由于生成的葡萄糖可抑制纖維素酶的作用。對于這一點(diǎn)，產(chǎn)生的葡萄糖可用透析法除去。第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六同步糖化發(fā)酵水解發(fā)酵二段法的致命弱點(diǎn)是由于生成的葡萄糖可抑制纖維素酶的作用。隨著水解過程中葡萄糖濃度的不斷升高，酶解反應(yīng)很快就因為產(chǎn)物抑制作用而終讓了，因此葡萄糖的轉(zhuǎn)化率低。若在加入纖維素酶的同時接種酒精發(fā)酵的酵母，可使生成的葡萄糖立即被酵母發(fā)酵成酒精，去除了產(chǎn)物抑制，就可以不妨礙纖維素糖化的繼續(xù)進(jìn)行，酒精收得量可為二段法的4倍，這就是所謂的同步糖化發(fā)酵(Simultaneoussaccharificationandfermentation，SSF).同步糖化共發(fā)酵隨著能同時發(fā)酵戊糖和己糖的穩(wěn)定的基因重組菌株的獲得，“同步糖化共發(fā)酸(Simultaneoussaccharificationandcofermentation，SSCF)技術(shù)也發(fā)展起來。在中試條件下，經(jīng)過稀酸預(yù)處理的玉米纖維在總固體物濃度為20%、纖維素酶用量為每克纖維素使用濾紙酶活(FPA)為10U、30℃、150r/mm、pH5.0條件下，使用普度大學(xué)構(gòu)建的重組酵目LNH-ST菌株進(jìn)行同步糖化共發(fā)酵4d，78.4%的可用葡萄糖和56.1%的可用木糖被轉(zhuǎn)化成乙醇。第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六統(tǒng)合生物工藝自然界中的某些微生物(如Clostridium、Moniliar、Fusarium、Neurospora等)都具有直接把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的能力。這就為在同一個生物反應(yīng)器中利用同一種微生物，完成生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酒精所需的酶制備、酶水解及多種糖類的酒精發(fā)酵等全過程，從而簡化工藝，降低成本提供了可能。統(tǒng)合生物工藝(consolidatedbioprogressing，CBP)，先前被稱為直接微生物轉(zhuǎn)化(directmicrobialconversionDMC)，將纖維素酶生產(chǎn)、水解和發(fā)酵組合在一步里完成。一些兼性好氧的微生物，如尖孢鐮刀菌、粗糙脈孢菌，它是纖維素酶高產(chǎn)菌株，也能發(fā)酵葡萄糖、木糖和纖維二糖，也能直接轉(zhuǎn)化纖維素成酒精。首先，通過供氧預(yù)培養(yǎng)生成菌體和纖維素酶，然后，停比供氧，轉(zhuǎn)入發(fā)酵階段，即可生產(chǎn)酒精。CBP需要的菌株也可以通過代謝途徑工程方法構(gòu)建。像木糖發(fā)酵菌株構(gòu)建一樣，CBP代謝工程也可以通過兩條途徑進(jìn)行：天然底物利用策略和重組菌底物利用策略。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§3.沼氣發(fā)酵及其綜合利用

一、沼氣發(fā)酵的基本原理人們很早就發(fā)現(xiàn)，富含有機(jī)物的沼澤地會發(fā)酵形成很多可燃性的混合氣體，這種混合氣體被稱為沼氣。沼氣是無色的，通常含有約60%-70%甲院、30%-40%二氧化碳，及少量氫、氮和硫化氫等其它氣體。沼氣具有很高的熱值，1m3沼氣的熱值達(dá)20000kJ以上。完全燃燒時，可放出23012-27196kJ熱量，是很好的氣態(tài)燃料。各種廢棄的有機(jī)物，如農(nóng)作物秸稈、人畜糞便、工業(yè)廢液廢渣、城市垃圾等，都可以用來發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，為人類提供了消除環(huán)境污染、生產(chǎn)可再生能源的重要途徑，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。?5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六微生物降解有機(jī)物發(fā)酵形成甲烷的過程可以分成兩個或三個階段。聚合物降解階段：大分子高聚物可溶性小分子梭菌屬擬桿菌屬葡萄球菌屬芽孢桿菌屬第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六產(chǎn)酸階段：小分子糖類揮發(fā)性有機(jī)酸（乙酸、乳酸、丙酸）鏈球菌屬乳桿菌屬梭菌屬pH乙酸、氫和二氧化碳產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌互營桿菌屬互營單胞菌屬5.0-6.0第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六甲烷形成階段：有機(jī)酸(主要是乙酸)甲烷和二氧化碳pH7.2-7.4甲烷桿菌屬甲烷八疊球菌屬甲烷球菌屬第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（2）輔酶M（CoM，CoM-SH）CoM是所有已知輔酶中最小的具有滲透性、含量最高、對酸和熱穩(wěn)定的輔助因子。在260nm處呈現(xiàn)最大吸收峰。CoM在產(chǎn)甲烷細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的含量很高，平均濃度可達(dá)0.2~2mmol/L。是一種甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶，即為活性甲基的載體。另外還有參與C1的還原反應(yīng)的甲基蝶呤（Methanopterin，MPT），其結(jié)構(gòu)與葉酸相似，作用功能也與其相同。在產(chǎn)甲烷和產(chǎn)乙酸過程中起甲基載體作用的CO2還原因子（Carbondioxidereducingfactor，CDR）也即甲烷呋喃（Methanofuran，MFR）。另一個F430，是存在于嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌中含Ni的四吡咯結(jié)構(gòu)，是甲基輔酶M還原酶組分C的彌補(bǔ)基，參與甲烷形成的末端反應(yīng)。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六沼氣發(fā)酵工藝沼氣發(fā)酵工藝分類按照投料方式分連續(xù)投料發(fā)酵（養(yǎng)殖場）—半連續(xù)發(fā)酵工藝（農(nóng)戶）批量發(fā)酵工藝（農(nóng)戶小型）按發(fā)酵級差劃分單級沼氣發(fā)酵工藝—多級沼氣發(fā)酵工藝以發(fā)酵溫度劃分高溫發(fā)酵工藝（50~60℃）—中溫發(fā)酵工藝（35+-2℃）常溫發(fā)酵工藝以發(fā)酵階段劃分

單相發(fā)酵工藝（農(nóng)村，一鍋煮）—兩相發(fā)酵工藝（工業(yè)級）影響沼氣發(fā)酵的條件厭氧環(huán)境發(fā)酵原料發(fā)酵溫度酸度接種物添加劑和抑制物攪拌第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六沼氣發(fā)酵工藝流程：選?。ㄅ嘤┚N→備料、進(jìn)料→池內(nèi)堆漚（調(diào)整pH值和濃度）→密封（啟動運(yùn)轉(zhuǎn)）→放氣試火→日常管理（進(jìn)出料、回流攪拌）。

三、沼氣發(fā)酵產(chǎn)物及其綜合利用沼液沼液浸種（供應(yīng)營養(yǎng)、消毒）沼液葉面施肥或灌溉沼液防治病蟲害養(yǎng)蘑菇喂豬防果苗凍害養(yǎng)魚沼渣利用養(yǎng)殖蘑菇種花農(nóng)作物基肥第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六微生物燃料電池（MFC）開發(fā)MFC的背景能源危機(jī)環(huán)境污染污水處理固體有機(jī)廢棄物特殊應(yīng)用領(lǐng)域（航天、探險等）研究歷史1911年英國植物學(xué)家Potter用酵母和大腸桿菌進(jìn)行試驗，宣布利用微生物可以產(chǎn)生電流。

1984年，美國科學(xué)家設(shè)計出一種用于太空飛船的細(xì)菌電池，其電極的活性物來自宇航員的尿液和活細(xì)菌，但當(dāng)時的細(xì)菌電池發(fā)電效率較低。20世紀(jì)90年代初，燃料電池開開始受到關(guān)注。1999年人們發(fā)現(xiàn)不添加中介體的MFC也能產(chǎn)電，從而在MFC領(lǐng)域取得了重大突破。微生物燃料電池利用領(lǐng)域及其優(yōu)越性燃料來源多樣操作條件溫和無污染，可實(shí)現(xiàn)零排放無需能量輸入能量利用的高效性生物相容性第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六微生物電池的分類和原理按電子轉(zhuǎn)移方式的不同，微生物燃料電池又可分為直接微生物燃料電池和間接微生物燃料電池。直接微生物燃料電池是指燃料直接在電極上被氧化，電子直接由燃料轉(zhuǎn)移到電極。間接微生物燃料電池的燃料不在電極上氧化，而是在別處氧化后，電子通過某種途徑傳遞到電極上來。其中的氧化還原介體成為電子傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充當(dāng)介體應(yīng)具備如下條件]：①容易通過細(xì)胞壁；②容易從細(xì)胞膜上的電子受體獲取電子；③電極反應(yīng)快；④溶解度、穩(wěn)定性等要好；⑤對微生物無毒；⑥不能成為微生物的食料。一些有機(jī)物和金屬有