微生物與能源1

1、 能源危機(jī)能源危機(jī) 無論是煤炭、石油還是天然氣，作為無論是煤炭、石油還是天然氣，作為不可再生的天然的化石能源，其資源總量不可再生的天然的化石能源，其資源總量是有限的。據(jù)測(cè)算，以目前的開采速率，是有限的。據(jù)測(cè)算，以目前的開采速率，這三種天然一次能源的供應(yīng)，石油還能維這三種天然一次能源的供應(yīng)，石油還能維持約持約40年，天然氣年，天然氣(常規(guī)常規(guī))約約65年，煤炭年，煤炭250300年。年。 生物能源生物能源n生物能源生物能源是指利用生物可再生原料及太陽能生產(chǎn)是指利用生物可再生原料及太陽能生產(chǎn)的能源的能源,包括生物質(zhì)能、生物液體燃料及利用生物包括生物質(zhì)能、生物液體燃料及利用生物質(zhì)生產(chǎn)的能源如燃料酒精

2、、生物柴油、生物質(zhì)氣質(zhì)生產(chǎn)的能源如燃料酒精、生物柴油、生物質(zhì)氣化及液化燃料、生物制氫等?；耙夯剂稀⑸镏茪涞?。n能源微生物是指：能源微生物是指：以甲烷產(chǎn)生菌、乙醇產(chǎn)生菌和以甲烷產(chǎn)生菌、乙醇產(chǎn)生菌和氫氣產(chǎn)生菌為代表的能源性微生物。氫氣產(chǎn)生菌為代表的能源性微生物。n1.基本原理n2.微生物乙醇n3.微生物甲烷 1.基本原理基本原理1.1微生物的直接作用微生物的直接作用n微生物在巖石表面上生長(zhǎng)繁殖，占據(jù)孔隙空間，微生物在巖石表面上生長(zhǎng)繁殖，占據(jù)孔隙空間，用物理的方法驅(qū)出石油。用物理的方法驅(qū)出石油。1.2 微生物可改變?cè)偷慕M成微生物可改變?cè)偷慕M成, 使其變成低黏使其變成低黏度的原油度的原油n微

3、生物以石油中的正構(gòu)烷烴作為碳源而生長(zhǎng)繁殖微生物以石油中的正構(gòu)烷烴作為碳源而生長(zhǎng)繁殖, 從而改變?cè)偷奶兼溄M成。從而改變?cè)偷奶兼溄M成。n微生物的增加能大大減少儲(chǔ)層、井眼和設(shè)備表面微生物的增加能大大減少儲(chǔ)層、井眼和設(shè)備表面的原油結(jié)蠟的溫度和壓力。的原油結(jié)蠟的溫度和壓力。n微生物生長(zhǎng)時(shí)釋放出的生物酶微生物生長(zhǎng)時(shí)釋放出的生物酶,可降解原油可降解原油, 使原使原油碳鏈斷裂油碳鏈斷裂, 高碳鏈原油變?yōu)榈吞兼溤透咛兼溤妥優(yōu)榈吞兼溤? 使重組使重組分減少分減少, 輕質(zhì)組分增加輕質(zhì)組分增加, 凝固點(diǎn)和黏度均可降低凝固點(diǎn)和黏度均可降低, 不僅改善原油在油層中的流動(dòng)性不僅改善原油在油層中的流動(dòng)性, 而且會(huì)使

4、原油而且會(huì)使原油品質(zhì)得到改善。品質(zhì)得到改善。1.3微生物代謝產(chǎn)物可改變驅(qū)油環(huán)境微生物代謝產(chǎn)物可改變驅(qū)油環(huán)境n(1) 生物表面活性劑。生物表面活性劑。n微生物活性劑組分主要為十六烷酸、十七烷酸和微生物活性劑組分主要為十六烷酸、十七烷酸和十八烷酸十八烷酸, 它會(huì)降低油水界面壓力它會(huì)降低油水界面壓力, 減小水驅(qū)油毛減小水驅(qū)油毛管力。同時(shí)生物表面活性劑會(huì)改變油藏巖石潤(rùn)濕管力。同時(shí)生物表面活性劑會(huì)改變油藏巖石潤(rùn)濕性性, 從親油變成親水從親油變成親水, 使吸附在巖石表面上的油膜使吸附在巖石表面上的油膜脫落脫落, 油藏殘余油飽和度降低油藏殘余油飽和度降低, 從而提高采收率。從而提高采收率。n(2) 生物氣。

5、生物氣。n絕大多數(shù)微生物在代謝過程中都會(huì)產(chǎn)生氣體絕大多數(shù)微生物在代謝過程中都會(huì)產(chǎn)生氣體, 如如二氧化碳、氫氣、甲烷等二氧化碳、氫氣、甲烷等, 這些氣體都能夠使油這些氣體都能夠使油層部分增壓并降低原油黏度層部分增壓并降低原油黏度, 提高原油流動(dòng)能力。提高原油流動(dòng)能力。溶解巖石中的碳酸鹽溶解巖石中的碳酸鹽, 增加滲透率增加滲透率, 使石油膨脹、使石油膨脹、體積增大體積增大, 有利于驅(qū)出原油有利于驅(qū)出原油, 增加產(chǎn)量。增加產(chǎn)量。n(3) 酸和有機(jī)溶劑。酸和有機(jī)溶劑。n微生物產(chǎn)生的酸主要是相對(duì)低分子量的有機(jī)酸微生物產(chǎn)生的酸主要是相對(duì)低分子量的有機(jī)酸(甲甲酸、丙酸酸、丙酸) , 也有部分無機(jī)酸也有部分無

6、機(jī)酸(硫酸硫酸) , 它們能溶解它們能溶解碳酸鹽碳酸鹽, 一方面增加孔隙度一方面增加孔隙度, 提高滲透率提高滲透率; 另一方另一方面面, 釋放二氧化碳釋放二氧化碳, 提高油層壓力提高油層壓力,降低原油黏度降低原油黏度, 提高原油流動(dòng)能力。提高原油流動(dòng)能力。n產(chǎn)生的醇、有機(jī)酯等有機(jī)溶劑產(chǎn)生的醇、有機(jī)酯等有機(jī)溶劑, 可以改變巖石表可以改變巖石表面性質(zhì)和原油物理性質(zhì)面性質(zhì)和原油物理性質(zhì), 使吸附在孔隙巖石表面使吸附在孔隙巖石表面的原油被釋放出來的原油被釋放出來, 并易于采出地面。并易于采出地面。 n(4) 生物聚合物生物聚合物n微生物在油藏高滲透區(qū)的生長(zhǎng)、繁殖及產(chǎn)生聚合微生物在油藏高滲透區(qū)的生長(zhǎng)、繁

7、殖及產(chǎn)生聚合物物, 使其能夠有選擇地堵塞大孔道使其能夠有選擇地堵塞大孔道,降低水油比。降低水油比。在水驅(qū)中增加水的黏度在水驅(qū)中增加水的黏度, 降低水相的流動(dòng)性降低水相的流動(dòng)性, 減少減少過早的水淹過早的水淹, 增大掃油效率。增大掃油效率。n在地層中產(chǎn)生的生物聚合物在地層中產(chǎn)生的生物聚合物, 能在高滲透地帶控能在高滲透地帶控制流度比制流度比, 調(diào)整注水油層的吸水剖面調(diào)整注水油層的吸水剖面, 增大掃油面增大掃油面積積, 提高采收率。提高采收率。n微生物注入水驅(qū)油層后微生物注入水驅(qū)油層后, 生長(zhǎng)繁殖的菌體和代謝生長(zhǎng)繁殖的菌體和代謝產(chǎn)物與重金屬形成沉淀物產(chǎn)物與重金屬形成沉淀物, 具有高效堵水作用具有高

8、效堵水作用, 封封堵率可達(dá)到堵率可達(dá)到99% (純菌體的封堵效果只能達(dá)到純菌體的封堵效果只能達(dá)到25% )，提高原油產(chǎn)量和采收率，提高原油產(chǎn)量和采收率, 由于封堵了高滲由于封堵了高滲透條帶透條帶, 還有助于減少注水量。還有助于減少注水量。微生物生產(chǎn)乙醇微生物生產(chǎn)乙醇n石油是當(dāng)今世界最主要的能源，但是它是石油是當(dāng)今世界最主要的能源，但是它是一種一種不可再生的化石燃料不可再生的化石燃料。n乙醇很可能是未來的石油替代物。乙醇很可能是未來的石油替代物。 n乙醇用作燃料，具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要是：乙醇用作燃料，具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要是：n產(chǎn)能效率高。產(chǎn)能效率高。n污染程度輕，在燃燒期間污染程度輕，在燃燒期間 不

9、產(chǎn)生有毒的不產(chǎn)生有毒的CO。n可通過微生物發(fā)酵大量生產(chǎn)，成本相對(duì)較低?？赏ㄟ^微生物發(fā)酵大量生產(chǎn)，成本相對(duì)較低。n用作發(fā)酵的原料較多，而且可以廢物利用，如用作發(fā)酵的原料較多，而且可以廢物利用，如農(nóng)作物秸稈、玉米芯、稻草、纖維素、蔗渣、樹農(nóng)作物秸稈、玉米芯、稻草、纖維素、蔗渣、樹葉和雜草等。葉和雜草等。 n淀粉或糖類為原料：理想，但成本高淀粉或糖類為原料：理想，但成本高n木質(zhì)纖維素木質(zhì)纖維素：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素n酸解或酶解酸解或酶解 五碳糖和六碳糖五碳糖和六碳糖 發(fā)酵成乙醇發(fā)酵成乙醇1.乙醇糖發(fā)酵原理乙醇糖發(fā)酵原理n酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成乙醇，其生酵母菌在

10、厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成乙醇，其生化過程主要由化過程主要由兩個(gè)階段兩個(gè)階段組成。組成。n第一階段第一階段葡萄糖通過糖酵解途徑葡萄糖通過糖酵解途徑(EMP(EMP途徑途徑) )分解成分解成丙酮酸。丙酮酸。n第二階段第二階段丙酮酸由脫羧酶催化生成乙醛和二氧化丙酮酸由脫羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛進(jìn)一步被還原成乙醇。葡萄糖發(fā)酵成乙碳，乙醛進(jìn)一步被還原成乙醇。葡萄糖發(fā)酵成乙醇的總反應(yīng)式為：醇的總反應(yīng)式為： C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量能量2.木質(zhì)纖維素的預(yù)處理木質(zhì)纖維素的預(yù)處理n木質(zhì)纖維素成分復(fù)雜且穩(wěn)定，存在許多物理和化木質(zhì)纖維素成分復(fù)雜且穩(wěn)定，存在許多物理和化學(xué)的屏障，不能迅速完

11、成酸水解或酶促反應(yīng)，因?qū)W的屏障，不能迅速完成酸水解或酶促反應(yīng)，因此，必須經(jīng)過此，必須經(jīng)過預(yù)處理預(yù)處理。n方法：方法：物理法；化學(xué)法；生物學(xué)方法物理法；化學(xué)法；生物學(xué)方法n物理法：物理法：降低結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素和半纖維素的降低結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素和半纖維素的結(jié)合層。結(jié)合層。n化學(xué)方法：化學(xué)方法：降低結(jié)晶度，溶解脫除木質(zhì)素的作降低結(jié)晶度，溶解脫除木質(zhì)素的作用。用。n微生物方法：微生物方法：微生物產(chǎn)生分解木質(zhì)素酶微生物產(chǎn)生分解木質(zhì)素酶3.木質(zhì)纖維素的糖化木質(zhì)纖維素的糖化n分解成甜味產(chǎn)物的過程分解成甜味產(chǎn)物的過程 。n酸水解酸水解n酶水解酶水解4.發(fā)酵生產(chǎn)乙醇發(fā)酵生產(chǎn)乙醇n4.1纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇纖維素

12、發(fā)酵生產(chǎn)乙醇n纖維素經(jīng)預(yù)處理后，釋放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇纖維素經(jīng)預(yù)處理后，釋放出的葡萄糖可進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑。發(fā)酵途徑。4.2半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇半纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇n經(jīng)過預(yù)處理以及糖化處理后，半纖維素被水解成經(jīng)過預(yù)處理以及糖化處理后，半纖維素被水解成了各種單糖，了各種單糖，D-木糖約占木糖約占90%。n木糖一方面在木糖異構(gòu)酶作用下產(chǎn)生木酮糖進(jìn)入木糖一方面在木糖異構(gòu)酶作用下產(chǎn)生木酮糖進(jìn)入戊糖途徑生產(chǎn)乙醇；戊糖途徑生產(chǎn)乙醇；n另一方面在木糖還原酶作用下產(chǎn)生木糖醇，然后另一方面在木糖還原酶作用下產(chǎn)生木糖醇，然后在木糖醇脫氫酶作用下產(chǎn)生木酮糖進(jìn)入戊糖途徑在木糖醇脫氫酶作用下產(chǎn)生木酮糖進(jìn)入戊糖途徑產(chǎn)生乙

13、醇。產(chǎn)生乙醇。4.3發(fā)酵方式發(fā)酵方式n4.3.1纖維素直接發(fā)酵法纖維素直接發(fā)酵法n4.3.2間接發(fā)酵法間接發(fā)酵法n4.3.3同步糖化發(fā)酵法同步糖化發(fā)酵法4.3.2間接發(fā)酵法間接發(fā)酵法n首先用纖維素酶將纖維素分解，收集酶解液作為首先用纖維素酶將纖維素分解，收集酶解液作為酵母的基質(zhì)生產(chǎn)乙醇。酵母的基質(zhì)生產(chǎn)乙醇。4.3.3同步糖化發(fā)酵法同步糖化發(fā)酵法n纖維素的酶水解過程和糖的乙醇發(fā)酵過程在同一纖維素的酶水解過程和糖的乙醇發(fā)酵過程在同一容器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。容器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：酶水解產(chǎn)物葡萄糖不斷被發(fā)酵成乙醇，從酶水解產(chǎn)物葡萄糖不斷被發(fā)酵成乙醇，從而解除了葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制，有利于而解除了

14、葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制，有利于酶水解反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了糖化和發(fā)酵效率；酶水解反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了糖化和發(fā)酵效率；工藝上采用一步發(fā)酵法，簡(jiǎn)化了工藝，減少設(shè)備工藝上采用一步發(fā)酵法，簡(jiǎn)化了工藝，減少設(shè)備投資，生產(chǎn)中能耗低。投資，生產(chǎn)中能耗低。 微生物產(chǎn)甲烷微生物產(chǎn)甲烷n沼氣的主要成分是甲烷沼氣的主要成分是甲烷。n沼氣由沼氣由5080甲烷、甲烷、2040二氧化碳、二氧化碳、05氮?dú)狻⑿∮诘獨(dú)?、小?的氫氣、小于的氫氣、小于04的的氧氣與氧氣與013硫化氫等氣體組成硫化氫等氣體組成 。由于沼。由于沼氣含有氣含有少量硫化氫少量硫化氫，所以，所以略帶臭味略帶臭味。n其特性與其特性與天然氣天然氣相似

15、?？諝庵腥绾邢嗨??？諝庵腥绾?.620.8（按體積計(jì)）的沼氣時(shí)（按體積計(jì)）的沼氣時(shí),就會(huì)形成就會(huì)形成爆炸性爆炸性的混合氣的混合氣體。體。n甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后即對(duì)燃燒。量空氣混合后即對(duì)燃燒。n每立方米每立方米純甲烷純甲烷的發(fā)熱最為的發(fā)熱最為 34000焦耳，每立方焦耳，每立方米米沼氣沼氣的發(fā)熱量約為的發(fā)熱量約為2080023600焦耳。即焦耳。即1立立方米沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于方米沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7千克無煙千克無煙煤提供的熱量。與其它燃?xì)庀啾?，其抗爆性能較煤提供的熱量。與其它燃?xì)庀啾?，其抗爆?/p>

16、能較好，是一種很好的清潔燃料。好，是一種很好的清潔燃料。 沼氣（沼氣（biogas） (甲烷，甲烷，methane) 甲烷發(fā)酵屬于厭氧消化甲烷發(fā)酵屬于厭氧消化(anaerobic digestion)處理，是有機(jī)處理，是有機(jī)物厭氧分解過程中的主要過程。利用厭氧菌將工廠廢水、下水物厭氧分解過程中的主要過程。利用厭氧菌將工廠廢水、下水污泥中所含有的有機(jī)物進(jìn)行分解，不用對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌和純污泥中所含有的有機(jī)物進(jìn)行分解，不用對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌和純種培養(yǎng)和接種操作。它可以作為好氧處理的前階段處理。種培養(yǎng)和接種操作。它可以作為好氧處理的前階段處理。 一、一、 甲烷發(fā)酵機(jī)理甲烷發(fā)酵機(jī)理 甲烷發(fā)酵是甲烷發(fā)酵是厭

17、氧菌厭氧菌將碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等復(fù)雜將碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等復(fù)雜的有機(jī)物最終分解成甲烷和的有機(jī)物最終分解成甲烷和CO2，甲烷發(fā)酵不是由單一的甲甲烷發(fā)酵不是由單一的甲烷產(chǎn)生菌所能完成的，甲烷發(fā)酵至少由三個(gè)階段組成烷產(chǎn)生菌所能完成的，甲烷發(fā)酵至少由三個(gè)階段組成： 第一個(gè)階段是有機(jī)聚合物水解生成單體化合物，進(jìn)而分第一個(gè)階段是有機(jī)聚合物水解生成單體化合物，進(jìn)而分解成各種脂肪酸、解成各種脂肪酸、CO2和和H2； 第二階段是各類脂肪酸進(jìn)行分解，生成乙酸第二階段是各類脂肪酸進(jìn)行分解，生成乙酸、 CO2和和H2； 第三個(gè)階段是由乙酸和第三個(gè)階段是由乙酸和CO2及及H2反應(yīng)生成甲烷；反應(yīng)生成甲烷； 前

18、兩個(gè)階段前兩個(gè)階段也可統(tǒng)稱為也可統(tǒng)稱為產(chǎn)酸階段產(chǎn)酸階段，產(chǎn)酸階段也叫，產(chǎn)酸階段也叫液化階液化階段段，參與這一階段反應(yīng)的微生物大部分是兼性厭氧細(xì)菌，只，參與這一階段反應(yīng)的微生物大部分是兼性厭氧細(xì)菌，只有少數(shù)的原生動(dòng)物有少數(shù)的原生動(dòng)物、霉菌和酵母參與這一反應(yīng)。發(fā)酵液中這霉菌和酵母參與這一反應(yīng)。發(fā)酵液中這一類非甲烷產(chǎn)生菌的數(shù)量大體上與甲烷產(chǎn)生菌相等。一類非甲烷產(chǎn)生菌的數(shù)量大體上與甲烷產(chǎn)生菌相等。沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段 沼氣：混合可燃?xì)怏w沼氣：混合可燃?xì)怏w甲烷、甲烷、H H2 2、NN2 2、COCO2 2水解水解產(chǎn)酸產(chǎn)酸產(chǎn)氣產(chǎn)氣 二、甲烷發(fā)酵的微生物二、甲烷發(fā)酵的微生物產(chǎn)酸階段也叫液化

19、階段，參與的微生物大部分是兼性厭氧產(chǎn)酸階段也叫液化階段，參與的微生物大部分是兼性厭氧菌，只有少量的原生動(dòng)物、霉菌和酵母參與這一反應(yīng)。菌，只有少量的原生動(dòng)物、霉菌和酵母參與這一反應(yīng)。產(chǎn)酸階段的細(xì)菌有：產(chǎn)酸階段的細(xì)菌有：梭菌屬（梭菌屬（Clostridium）；芽孢桿菌（）；芽孢桿菌（Bacillus）；葡萄球菌屬（）；葡萄球菌屬（Staphlococccus）；變形桿菌屬（）；變形桿菌屬（Froteis）；桿菌屬）；桿菌屬(Bacterium)。甲烷產(chǎn)生階段主要是甲烷產(chǎn)生菌參與。甲烷產(chǎn)生階段主要是甲烷產(chǎn)生菌參與。甲烷菌是嚴(yán)格厭氧甲烷菌是嚴(yán)格厭氧菌，不產(chǎn)孢子。菌，不產(chǎn)孢子。 采用新的厭氣培養(yǎng)技術(shù)，

20、可以分離得到采用新的厭氣培養(yǎng)技術(shù)，可以分離得到20種以上的甲烷產(chǎn)種以上的甲烷產(chǎn)生菌。生菌。 產(chǎn)甲烷桿菌（產(chǎn)甲烷桿菌（ Methanobacterium ）；）； 甲烷短桿菌（甲烷短桿菌（Methanobrevibacterium ）；）； 甲烷球菌（甲烷球菌（ Methanococci ）；）； 甲烷微球菌（甲烷微球菌（ Methanomicrobium ）等細(xì)菌。）等細(xì)菌。各種甲烷菌之間在各種甲烷菌之間在RNA排列順序上都很相似，排列順序上都很相似，它們都是具它們都是具有嗜鹽性，而且比典型的細(xì)菌耐溫和耐酸有嗜鹽性，而且比典型的細(xì)菌耐溫和耐酸。所以有人將甲烷菌。所以有人將甲烷菌和嗜鹽菌、嗜熱菌、嗜酸菌等一起分類屬于和嗜鹽菌、嗜熱菌、嗜酸菌等一起分類屬于古細(xì)菌古細(xì)菌。甲烷菌和非甲烷菌叫沼氣菌（甲烷菌和非甲烷菌叫沼氣菌（biogas producing bacteria）。發(fā)酵液中非甲烷產(chǎn)生菌的數(shù)量與甲烷產(chǎn)生菌相等，達(dá)。發(fā)酵液中非甲烷產(chǎn)生菌的數(shù)量與甲烷產(chǎn)生菌相等，達(dá)106108個(gè)個(gè)/ml。甲烷發(fā)酵的三個(gè)階段是相互依賴和連續(xù)進(jìn)行的，并保持動(dòng)甲烷發(fā)酵的三個(gè)階段是相互依賴和連續(xù)進(jìn)行的，并保持動(dòng)態(tài)平衡。如果平衡遭到破壞，沼氣發(fā)酵就受到影響，甚至停止。態(tài)平衡。如果平衡遭到破壞，沼氣發(fā)酵就受到影響，甚至停止。 三、甲烷發(fā)酵的各種條件三、甲烷發(fā)酵的各種條件n1)菌