生物技術(shù)與能源

生物技術(shù)與能源第1頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/192什么是能源？生命的能源機(jī)械的能源不可再生能源：石油、煤炭、天然氣可再生能源：太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、生物質(zhì)能第2頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1931微生物技術(shù)與石油開采1.1勘探石油的方法

地震法、地球物理法和地球化學(xué)法微生物法一、生物技術(shù)在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用第3頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/194

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，這種聯(lián)系與微生物相關(guān)?？寡搴Y選土壤中利用烴的微生物。1.2微生物石油勘探技術(shù)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)第4頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/195

采油基本原理：油層自身（一次）或外在的壓力(二次）強(qiáng)化注水，增加壓力（由30%增加到40-50%）微生物產(chǎn)氣，增加壓力（由30%增加到50-65%）采用效率和成本1.3微生物二次采油技術(shù)第5頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/196原理：利用微生物分子生物學(xué)技術(shù)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。目的：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。效率：進(jìn)一步提高采油量15%～30%。1.4微生物三次采油原理與效率第6頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1972微生物與天然氣生產(chǎn)微生物轉(zhuǎn)化難開采劣質(zhì)油為天然氣微生物轉(zhuǎn)化難開采煤為天然氣煤甲烷甲烷菌第7頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/198生物質(zhì)能：通過(guò)各種物理、化學(xué)、生物的方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的能源物質(zhì)。如乙醇、丁醇、生物油、生物柴油、生物甲烷、生物氫氣、生物電等。二、生物能源第8頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/199FromSunlighttoRenewableBioenergy第9頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1910第10頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1911BiomassFuelProduction

植物單體小分子燃料光能光合微生物第11頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19121未來(lái)石油的替代物——乙醇乙醇燃料汽車乙醇作為燃料的益處不含有毒物質(zhì)不生成一氧化碳第12頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1913葡萄糖酵解丙酮酸OX乙酰CoA三羧酸循環(huán)CO2+H2O無(wú)氧分解或酵解途徑（有氧、無(wú)氧）有氧分解（有氧）乳酸乙醇糖代謝與乙醇生成1.1生產(chǎn)乙醇燃料的生化原理第13頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1914糖代謝與肌肉組織乳酸形成第14頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1915糖代謝與酵母乙醇發(fā)酵第15頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1916常用原材料:蔗糖或淀粉

微生物:酵母菌

關(guān)鍵酶:糖水解酶和酒化酶酵母菌1.3傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵第16頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1917A.用于化學(xué)工業(yè)的乙醇產(chǎn)量;B.用于汽油混合和替代品的乙醇產(chǎn)量

產(chǎn)量（10億升）巴西早期乙醇生產(chǎn)情況第17頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19181.4乙醇代替石油的困境—第二代燃料乙醇

生產(chǎn)乙醇燃料的原材料淀粉類纖維素類糖類其他玉米木材蔗糖菜花高粱木屑甜高粱葡萄小麥廢紙?zhí)敲巯憬洞篼溕謿埩粑锾鸩巳槔夷臼磙r(nóng)業(yè)殘留物飼料甜菜乳漿土豆固體廢物甘蔗硫化廢物紅薯產(chǎn)品廢物葡萄糖

第18頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1919

生產(chǎn)乙醇原材料化學(xué)降解技術(shù)生產(chǎn)乙醇原材料酶解法降解技術(shù)

葡聚糖內(nèi)切酶(ED)、纖維二糖水解酶(CHB)β-葡萄糖酶(GL)

微生物混合發(fā)酵法巴西種植甘蔗發(fā)展乙醇燃料1.5纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇第19頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1920BiomassProcessing第20頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1921CelluloseandhemicellulosedegradationbymicrobialcellulaseandhemicellulaseClellulasemaybeisolatedfromfungi,yeastandbacteria.MicrobesinBioethanolProductionHemicellulose5C+6CSugarsCellulose6CSugarCellulasehemicellulase第21頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1922MicrobesinBioethanolProductionPichiastipitisisafungusthatfermentsxylosetoethanol,anddegradesligninandcelluloseforthepotentialconversionofbiomasstoethanol.ThehighestyieldsfortheconversionofbiomasstoethanolareexpectedtocomefrommicroorganismssuchasP.stipitisthatcanfermentthesugarxylose.Thelackofindustrial-grademicroorganismsforconvertingbiomassintofuelethanolhastraditionallybeencitedasamajortechnicalroadblocktodevelopabioethanolindustry.第22頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19233C5H10O5

→5C2H5OH+5CO2

酵母木糖代謝的途徑比葡萄糖代謝的途徑復(fù)雜得多,酵母木糖代謝產(chǎn)生酒精的理論得率為0.46克酒精/克木糖C6H12O62C2H5OH+2CO2葡萄糖酒精發(fā)酵的理論得率:0.51克酒精/克葡萄糖。第23頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1924BioethanolProcess第24頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1925

把能水解纖維素的一個(gè)葡聚糖內(nèi)切酶基因和一個(gè)β-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)乙醇的菌株中?；蚬こ碳夹g(shù)第25頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19261.6五元糖的利用菌株的篩選植物纖維原料中戊聚糖占20%～30%篩選方法(1)從自然界中篩選戊糖發(fā)酵菌種。(2)采用定向培育技術(shù),通過(guò)對(duì)已有菌株的長(zhǎng)期馴化篩選從而得到所需菌株。(3)采用原生質(zhì)體融合技術(shù)。(4)基因工程在菌種選育上的應(yīng)用。能利用五元糖的微生物：細(xì)菌、酵母、真菌，及其重組體。第26頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1927SourcesofLignocellulosic(木質(zhì)纖維素）DigestingMicroorganisms,SuchAsTermitesandBettlesAcetateFermentationpathwaysH2

&CO2

FermentationpathwaysCellulasesHemicellulases第27頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19282生物柴油（Biodiesel）由生物油脂轉(zhuǎn)化而成的柴油相當(dāng)產(chǎn)物反應(yīng)式：甘油三酯脂肪酸短鏈醇酯+甘油生物柴油于1988年由歐洲聶爾公司發(fā)明，1991年正式工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。2001年歐洲產(chǎn)量為78萬(wàn)噸，02年達(dá)到106.5，2003年142.8萬(wàn)噸。并計(jì)劃在2010達(dá)到830萬(wàn)噸，2020年達(dá)到柴油市場(chǎng)份額為20%

第28頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19292.1生物柴油的原料動(dòng)物油植物油微生物油脂生產(chǎn)生物柴油的方法:化學(xué)催化合成法生物酶解法第29頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1930HowaBeverlyHillsdoctorpoweredhisSUVusinghispatients‘sparetiresSuperboatBurnsHumanFattoZipAroundWorldGiveblood,savelives;givefat,savetheplanet？第30頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/193110.4.2能產(chǎn)“石油”的灌木蘭桉樹油楠的喬木銀合歡樹麻風(fēng)樹黃鼠草2.2植物“石油”麻風(fēng)樹(小桐子、青桐木）第31頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1932

常見產(chǎn)油的植物向日葵、棕櫚、椰子、花生、玉米、白菜、香蕉、胡蘿卜、棉籽、油菜子和巴巴蘇堅(jiān)果

提高植物產(chǎn)油量的途徑增加脂肪酸合成底物來(lái)提高油脂合成水平。增加油脂合成途徑的關(guān)鍵酶的基因表達(dá)。

2.3油料植物第32頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1933植物和光合微生物油脂制備生物柴油的比較參數(shù)植物微生物生長(zhǎng)時(shí)間幾周—幾月幾天耕地需要不需要生物質(zhì)的均質(zhì)性非均質(zhì)均質(zhì)收獲每年1-2季連續(xù)用水大量小到中等肥料大量少量、可控制類脂產(chǎn)量低高（100X）第33頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19342.4產(chǎn)油微生物異養(yǎng)型：以糖類、淀粉、纖維素水解液為營(yíng)養(yǎng)合成類脂自養(yǎng)型：利用太陽(yáng)能，以二氧化碳為碳源合成類脂第34頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1935異養(yǎng)型微生物非光合作用產(chǎn)油微生物：細(xì)菌、酵母、真菌。原料：淀粉、糖、纖維素水解液第35頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1936光合微生物包括光合細(xì)菌和微藻提高工程小環(huán)藻產(chǎn)油的途徑：設(shè)法提高乙酰輔酶A羧化酶或其他脂肪酸合成相關(guān)酶在微藻細(xì)胞中充分表達(dá)。

采用工程小環(huán)藻制造柴油的優(yōu)勢(shì)。自養(yǎng)型微生物--光合作用微生物第36頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1937PhotosyntheticMicrobesAsFeedstockforBiodieselProductionRhodopseudomonaspalustris:PhotosyntheticbacteriumLikeplants,alargecollectionofmicroorganismsarecapableofphotosynthesis,includingthepurplebacteria,thegreenbacteria,heliobacteria,thecyanobacteriaand

algae

第37頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19382.5工程細(xì)菌產(chǎn)油通過(guò)基因改造大腸桿菌，直接合成單脂肪酸甲酯、或脂肪酸乙醇酯（生物柴油）第38頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1939

3.1生產(chǎn)甲烷的生化機(jī)理厭氧微生物生產(chǎn)甲烷途徑

初步反應(yīng)：利用芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)及變形桿菌屬(Proteus)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。

3傳統(tǒng)可再生能源——甲烷第39頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1940

家庭式甲烷發(fā)酵生產(chǎn)示意圖發(fā)酵池結(jié)構(gòu)3.2甲烷發(fā)酵第40頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1941原材料與甲烷產(chǎn)量

農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷的原料及沼氣產(chǎn)量原料名稱每噸干物質(zhì)產(chǎn)沼氣量（m3）甲烷含量/%

豬糞60055

牲畜糞便30060

酒廠廢水50048

廢物污泥40050

麥稈30060

青草630703.3甲烷生產(chǎn)原料第41頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1942

我國(guó)是沼氣生產(chǎn)最大量的國(guó)家，生產(chǎn)量高達(dá)7×106生物氣單位，相當(dāng)于22×106噸煤的能量。印度也是一個(gè)生產(chǎn)沼氣的大國(guó)。按印度現(xiàn)有沼氣的發(fā)展計(jì)劃及規(guī)模，預(yù)測(cè)到2015年前，可建立1千萬(wàn)～2千萬(wàn)個(gè)沼氣池，到時(shí)印度的燃料源很可能以沼氣為主。3.4甲烷應(yīng)用實(shí)例第42頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19433.5微生物轉(zhuǎn)化殘油和劣質(zhì)煤生產(chǎn)甲烷殘留于巖石和沙土里的石油（沒(méi)有開采價(jià)值）沒(méi)有開采價(jià)值的劣質(zhì)煤第43頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/19444生物電—生物燃料電池Microbialfuelcell(MFC)ChemicalenergyElectricalenergyMicrobesOrganiccompounds第44頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1945Schematicofamicrobialfuelcell(MFC).Bacteriaattachedtothecathoderemoveelectronsfromanorganicelectrondonor(orfuel)andtransferthemtotheanode.Theelectronsmovethroughtheelectricalcircuittotheanode,wheretheyreduceO2toH2O.Tomaintainelectroneutrality,protons(Ht)orotherionsmovebetweentheanodeandcathodeviatheaqueoussolution.Bioelectricalenergyisharvestedfromtheflowofelectronsfromthecathodetoanode.

微生物電池的原理第45頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1946電子傳遞介質(zhì)介導(dǎo)的生物電池第46頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1947沒(méi)有電子傳遞介質(zhì)的生物電池第47頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1948植物微生物燃料電池第48頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1949生物燃料電池應(yīng)用廢水、污水治理車用電池第49頁(yè)/共56頁(yè)2023/4/1950生物質(zhì)制氫技術(shù)以生物質(zhì)為原料利用熱物理化學(xué)原理與技術(shù)制氫，如生物質(zhì)氣化制氫，超臨界轉(zhuǎn)化制氫，高溫分解制氫；基于生物質(zhì)的甲烷、甲