現(xiàn)代生物技術(shù)與能源

現(xiàn)代生物技術(shù)與能源煤炭石油不可再生能源天然氣太陽能風(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采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源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大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點微生物二次采油原理:利用微生物能在油層中發(fā)酵并產(chǎn)生大量得酸性物質(zhì)及H2、CO2及CH4等氣體得生理特點。微生

物產(chǎn)氣可增加地層壓力,提高采油率。酸性物質(zhì)可溶于原油中,降低原油得黏度,使原油便于開采。效率:采油量可提高20%～30%原理:選育或利用微生物分子生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建能產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)、CO2、甲烷以及高聚物、糖酯等表面活性劑等物質(zhì)得菌株。讓這些工程菌能在油層中不僅產(chǎn)生氣體增加井壓,而且還能通過分泌得表面活性劑,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%。微生物三次采油生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源未來石油得替代物—乙醇生產(chǎn)乙醇燃料得意義及生化機理乙醇替代石油得案例乙醇替代石油所用得原材料和所面臨得問題纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇車用乙醇汽油車用乙醇汽油生產(chǎn)乙醇燃料得意義及生化機理意義:產(chǎn)能效率高;在燃燒期間不生成有毒得一氧化碳,其污染程度低于

其她常用燃料所造成得污染;可通過微生物大量發(fā)酵生產(chǎn),其成本相對較低。因而這項技術(shù)很容易被人們所采納和推廣。生產(chǎn)乙醇燃料得意義及生化機理生化機理:乙醇發(fā)酵所需得原材料可選用蔗糖,發(fā)酵所需得微生物主要就是酵母菌。酵母菌含有豐富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶就是胞外酶,能將蔗糖水解為單糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶就是胞內(nèi)參與乙醇發(fā)酵得多種酶得總稱,單糖必須透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),在酒化酶得作用下進(jìn)行厭氧發(fā)酵并轉(zhuǎn)化成乙醇及

CO2,而后乙醇及CO2通過細(xì)胞膜被排出體外。生化機理:如果就是用淀粉類得多糖,則必須先水解成單糖后才能被發(fā)酵。淀粉得糖化通常就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)酵乙醇得生化過程就是采用厭氧途徑。工業(yè)發(fā)酵上常用得菌株有:啤酒酵母(S、cereuisiae)中得德國1號和12號及臺灣酵母、葡萄汁酵母(S、uvarum)等。生產(chǎn)乙醇燃料得意義及生化機理乙醇替代石油得案例巴西太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能得生物材料中最理想得就是甘蔗。據(jù)有關(guān)資料報道,每公頃耕地平均可產(chǎn)甘蔗干物質(zhì)35～40噸,所產(chǎn)生得能量相當(dāng)于14、5噸石油或24-26噸煤所產(chǎn)生得熱值。巴西就是盛產(chǎn)甘蔗得國家,也就是一個利用發(fā)酵工藝生產(chǎn)乙醇代部分石油得典型國家。1980年,巴西每年大約有4000兆升得乙醇出口。1985年,巴西乙醇產(chǎn)量為11900兆升,出售得汽車中得3/4就是用乙醇作燃料得。在1000

萬輛汽車中有120萬輛完全使用乙醇,其余得使用含23％乙醇得混合汽油。1988年,88％得新轎車得發(fā)動機都使用乙醇。烏拉圭靠種植65萬公頃得甜高粱并用于發(fā)酵生產(chǎn) 酒精,其產(chǎn)量可替代大約45％得石油。這65萬公 頃土地只相當(dāng)該國領(lǐng)土面積得4％,并不會影響用 于產(chǎn)糧和飼養(yǎng)牲畜所需得土地。非洲得馬拉維

在1982年就投產(chǎn)生產(chǎn)乙醇并用于燃料。她得年產(chǎn)量為1000萬升。而該國每年所需

得汽油量僅5000萬升,可滿足市場所需汽油量得20％。發(fā)達(dá)國家也種植一些適合其本國氣候得燃料農(nóng)作物。像澳大利亞、美國、瑞士和法國,也開始利用大量農(nóng)作物剩余物及森林得廢棄物發(fā)酵乙醇。1987年,美國用玉米作原料發(fā)酵生產(chǎn)大約3萬億升得乙醇,到1989年已達(dá)到32萬億升乙醇產(chǎn)量。擺脫石油缺乏得困境乙醇代替石油所用得原材料和所面臨得困難在當(dāng)前世界人口相當(dāng)密集 得時代,可利用得土地資 源日益減少,糧食供應(yīng)仍 就是一大問題;糧食成本較高,這樣就可 能增加乙醇生產(chǎn)得成本, 使乙醇價格明顯高于石油 價格。關(guān)鍵:高效地利用纖維素來代替糧食生產(chǎn)乙醇得工藝“生物技術(shù)”纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇酸、堿處理法國內(nèi)許多生產(chǎn)乙醇得高活性菌株均不能直接利用纖維素作為發(fā)酵過程中所需得糖類物質(zhì),必須對所含得纖維素進(jìn)行一系列得酸、堿處理,并轉(zhuǎn)化成微生物可利用得糖類。然后再使用微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。缺點:條件苛刻,對設(shè)備有很強得腐蝕作用,需要耐酸堿得設(shè)備;水解過程會生成有毒得分解產(chǎn)物如糖醛、酚類等物質(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β-葡萄糖酶(GL)這三種酶得協(xié)同作用才行。能產(chǎn)生這三種酶并被分泌到胞外得就是真菌類微生物,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(jìn)行直接發(fā)酵,就不需要對纖維素進(jìn)行酸堿預(yù)處理。優(yōu)點:這種發(fā)酵工藝所需得設(shè)備簡單,成本低。缺點:所獲得乙醇產(chǎn)量不高,因而生產(chǎn)成本較高?；旌习l(fā)酵法熱纖梭菌能直接分解纖維素生成乙醇,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)出得乙醇量相當(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。優(yōu)點:可避免用酸堿法或酶法水解纖維素時所引發(fā)得部分問題?；蚬こ碳夹g(shù)既能直接利用纖維素又能高產(chǎn)乙醇得基因工程菌,也就是潛在得最有發(fā)展前途得技術(shù)之一。目前基因工程菌得構(gòu)建主要采用兩種技術(shù)路線:①把能水解纖維素得葡聚糖內(nèi)切酶基因、纖維二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶基因克隆在能產(chǎn)生乙醇得菌株中,并研

究該菌株利用纖維素作原料得情況。②把能產(chǎn)生乙醇得基因克隆到能降解纖維素,但不能生產(chǎn)乙醇得菌株中。例如,把運動發(fā)酵單胞菌得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)乙醇得克雷伯氏氧化桿菌中就能直接發(fā)酵纖維素產(chǎn)生乙醇。新得纖維素乙醇廠得內(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。在右邊得那個發(fā)酵罐內(nèi)部,生化 酶可以有效降解纖維素。面臨困難:由于纖維素分子就是一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)得聚合物,水解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于淀粉和其她糖類化合物。直到現(xiàn)在,纖維乙醇還被限制在實驗室生產(chǎn)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)模得纖維乙醇生產(chǎn)廠,美國能源部正在資金支持12個甚至更多得公司建立纖維乙醇示范工廠或商業(yè)運營工廠。生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源植物“石油”“石油”植物,就是指那些可以直接生產(chǎn)工業(yè)用燃料油,或經(jīng)發(fā)酵加工可生產(chǎn)燃料油得植物得總稱。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)得大量可直接生產(chǎn)燃料油得植物,主要分布在大戟科。這些“石油”植物能生產(chǎn)低分子氫化合物,加工后可合成汽油或柴油得代用品。植物“石油”發(fā)現(xiàn)歷程20世紀(jì)70年代,石油輸出國組織成員國因故決定臨時停止向美國出口石油,以示制裁。美國加利福尼亞大學(xué)得化學(xué)家、諾貝爾化學(xué)獎得主梅爾溫·卡爾文突發(fā)奇想,決定尋找可能生產(chǎn)"石油"得植物,進(jìn)而從地里"種"出石油來。三葉橡膠樹她得膠汁得化學(xué)成分與柴油相似,無需加工提煉,即可充當(dāng)柴油使用。植物“石油”產(chǎn)“石油”得樹木牛奶樹油楠銀合歡樹三角大戟蘭桉樹麻風(fēng)樹油料植物向日葵油棕櫚椰子花生油菜子巴巴蘇堅果藻類產(chǎn)油藻類能產(chǎn)生大量得脂類,可用來制造柴油及汽油。早期英國《新科學(xué)家》報道,美國設(shè)在科羅拉多州得太陽能研究所用一個直徑20m得池塘養(yǎng)殖藻類,

年產(chǎn)藻4噸多,可產(chǎn)油3000多升。目前,這個研究組正從分子生物學(xué)角度,開發(fā)能產(chǎn)更多得油脂類得藻類,研究目標(biāo)就是用藻類生產(chǎn)得汽油能提供美國機動車所用燃料總量得8％～10％。最近美國西北太平洋國家實驗室(Pacific

NorthwestNational

Laboratory)得科學(xué)家宣稱,她們成功完善了一種將藻類轉(zhuǎn)化為原油得新工藝,方法就是對藻類原料進(jìn)行30分鐘得“高壓蒸煮”。由此產(chǎn)生得就是輕質(zhì)低硫原油,可加入處理化石原油得煉油爐,得到進(jìn)一步得提煉。在實驗室通過高溫高壓模擬地球在幾百萬年中將藻類轉(zhuǎn)化為石油得過程。生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源甲烷與燃料源甲烷氣可產(chǎn)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(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)燃機得輔助性燃料。天然氣氣源就是由遠(yuǎn)古時代得生物群體衍變而來,通過鉆井開采獲得得,就是一種不可再生得能源。在地表也存在甲

烷,她主要來自于天然得濕地、稻根及動物得腸道內(nèi)發(fā)酵

而釋放得,其相對總量大約分別為20％、20％及15％。家養(yǎng)得牲畜就是動物釋放甲烷得主要來源,大約占所有動物釋放甲烷量得75％。而人類僅占0、4％。生產(chǎn)甲烷得生化機制厭氧微生物可通過厭氧發(fā)酵途徑生產(chǎn)甲烷。 整個發(fā)酵過程分為三個主要步驟:①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)等很粗糙得有機物轉(zhuǎn)化成可溶性得混合組分。②微生物發(fā)酵過程:低相對分子質(zhì)量得可溶性組分通過微生物厭氧發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化成有機酸。③甲烷形成:通過甲烷菌把這些有機酸轉(zhuǎn)化為甲烷及CO2。顯然,甲烷生產(chǎn)就是一個復(fù)雜得過程,有若干種厭氧菌參與該反應(yīng)過程。農(nóng)村常用發(fā)酵生產(chǎn)甲烷得原料及沼氣產(chǎn)量我國就是沼氣生產(chǎn)量最大得國家,生產(chǎn)量高達(dá)7×106生物氣單位,相當(dāng)于2、2×107噸煤得能量。如按目前國內(nèi)物價分析,在農(nóng)村建造一個糞便發(fā)酵池來生產(chǎn)沼氣供家庭使用得造價,很可能會低于一輛自行車得價格。據(jù)報道國內(nèi)農(nóng)村正在使用得厭氧發(fā)酵反應(yīng)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。應(yīng)用舉例在美國加州,采用牛糞生產(chǎn)甲烷能給一個工廠提供20000kW·h得電能。美國一牧場建立一座反應(yīng)發(fā)酵池,主體就是一個寬30m,長213m得密封池,利用牧場糞便和其她有機廢物等,每天可處理1640噸廄肥,每天可為牧場提供113000

m3得甲烷,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(yīng)器、發(fā)電設(shè)備、廢物預(yù)處理器及有機肥料制作設(shè)備組成。這個系統(tǒng)每天可處理3～4噸固態(tài)肥30～

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m3左右得液態(tài)肥,可為兩臺功率為140kW得發(fā)電機提供動力。生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源生物技術(shù)與能源微生物與石油開采未來石油得替代物—乙醇植物“石油”甲烷與燃料源未來新能源未來新能源氫能:氫氣在然燃燒時產(chǎn)生得熱量相當(dāng)于汽油得3倍, 并且燃燒產(chǎn)物為水,無污染。產(chǎn)氫得微生物1942年Gafron和Rubin發(fā)現(xiàn)珊列藻(Sceaedesmas)可產(chǎn)氫。產(chǎn)氫得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