10.生物技術(shù)與能源課件

學習目的

了解生物技術(shù)在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用。領(lǐng)會生物能源的概念及種類。掌握生物制備能源的各種方法。10生物技術(shù)與能源10.生物技術(shù)與能源本章概要生物技術(shù)在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用

生物能源的概念及種類10.生物技術(shù)與能源什么是能源？生命的能源機械的能源不可再生能源：石油、煤炭、天然氣可再生能源：太陽能、風能、地熱能、水能、生物質(zhì)能10.生物技術(shù)與能源一、生物技術(shù)在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用1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法微生物法10.生物技術(shù)與能源1.2微生物石油勘探技術(shù)的實驗依據(jù)

油區(qū)底土中的重烴含量與季節(jié)變化存在一定聯(lián)系，這種聯(lián)系與微生物相關(guān)?？寡搴Y選土壤中利用烴的微生物。10.生物技術(shù)與能源1.3微生物二次采油技術(shù)

采油基本原理：油層自身（一次）或外在的壓力(二次）強化注水，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10.生物技術(shù)與能源1.4微生物三次采油原理與效率原理：利用微生物分子生物學技術(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：進一步提高采油量15%～30%。10.生物技術(shù)與能源植物單體小分子燃料光能光合微生物10.生物技術(shù)與能源1未來石油的替代物——乙醇乙醇作為燃料的益處不含有毒物質(zhì)不生成一氧化碳乙醇燃料汽車10.生物技術(shù)與能源1.1生產(chǎn)乙醇燃料的生化原理糖代謝與乙醇生成葡萄糖酵解丙酮酸OX乙酰CoA三羧酸循環(huán)CO2+H2O無氧分解或酵解途徑（有氧、無氧）有氧分解（有氧）乳酸乙醇10.生物技術(shù)與能源1.3傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵常用原材料: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10.生物技術(shù)與能源巴西太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的化學材料中最理想的是甘蔗。它產(chǎn)能有效系數(shù)高達2.6%（理論值6%）。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到40噸，所產(chǎn)生的能量相當于14.5噸石油或24到26噸煤所產(chǎn)生的熱值。乙醇替代石油的案例10.生物技術(shù)與能源巴西早期乙醇生產(chǎn)情況

產(chǎn)量（10億升）A.用于化學工業(yè)的乙醇產(chǎn)量;B.用于汽油混合和替代品的乙醇產(chǎn)量10.生物技術(shù)與能源烏拉圭靠種植65萬公頃的甜高粱并用于發(fā)酵生產(chǎn)酒精，其產(chǎn)量可替代大約45%的石油。非洲的馬拉維杜瓜酒廠早在1982年就投生產(chǎn)乙醇并用于燃料，它的年產(chǎn)量為1000萬升，而該國每年每所需的汽油量僅5000萬升，可滿足市場所需汽油量的20%。乙醇替代石油的案例10.生物技術(shù)與能源發(fā)達國家也種植一些是何其本國氣候的燃料農(nóng)作物。像澳大利亞，美國，瑞士和法國，也開始利用大量農(nóng)作物剩余物和森林的廢棄物發(fā)酵乙醇。根據(jù)有關(guān)研究報道用乙醇來代替石油的做法還有很多間接的好處。如把乙醇加入到汽油中，可消除對十四乙基化合物的需求。此外，用乙醇發(fā)動機作為動力機，所排出的碳氫化合物比使用石油少64%。因而可知，使用乙醇燃料不僅僅起著代替石油的作用，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10.生物技術(shù)與能源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(yīng)仍是一大問題。糧食成本較高，這樣就可能增加生產(chǎn)乙醇的成本，使乙醇價格明顯高于石油價格。10.生物技術(shù)與能源1.4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

10.生物技術(shù)與能源1.5纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇

生產(chǎn)乙醇原材料化學降解技術(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10.生物技術(shù)與能源

植物“石油”

一、產(chǎn)“石油”的樹植物界中有許多生物技術(shù)產(chǎn)“石油”的樹野生產(chǎn)油灌木具有一定遺傳變異特性，可通過常規(guī)育種技術(shù)完全有可能培育出抗寒、高產(chǎn)及抗病蟲害的“石油樹”發(fā)現(xiàn)越來越多的產(chǎn)油樹10.生物技術(shù)與能源橡膠樹

10.生物技術(shù)與能源牛奶樹

三角大戟10.生物技術(shù)與能源想象的“石油樹”10.生物技術(shù)與能源苦配巴銀合歡油楠10.生物技術(shù)與能源“石油”掛滿枝頭（麻風樹）桉樹黃鼠草10.生物技術(shù)與能源柳樹稷巨能草10.生物技術(shù)與能源二、油料植物許多植物均能提取出植物油在我國的進展在歐洲許多國家用菜油為原料制取生物柴油的規(guī)模化10.生物技術(shù)與能源向日葵椰子棕櫚花生巴巴蘇堅果油菜籽10.生物技術(shù)與能源利用油菜籽提取生物柴油：

利用油菜籽提取生物柴油，是在國內(nèi)外首次提出的共沸蒸餾酯化－轉(zhuǎn)酯化生物柴油生產(chǎn)技術(shù)，此項技術(shù)不僅可以從菜籽油、大豆油等植物油中提取生物柴油，更可以利用地溝油、煎榨廢油等廢棄油脂來提取生物柴油，轉(zhuǎn)化率高達98％以上。它與傳統(tǒng)生物柴油最大的不同在于：傳統(tǒng)的方法是先將油菜籽榨成菜籽油，再把菜籽油轉(zhuǎn)化為生物柴油，這兩道工序原料浪費大，環(huán)境污染物多。10.生物技術(shù)與能源

在提取過程中，華中農(nóng)業(yè)大學油菜籽深加工研究專家吳謀成教授吳教授又創(chuàng)造性地加入了一種高活性的“酯交換固體催化劑”，使原來不易分離的油物質(zhì)變得容易分離，從而把生產(chǎn)過程中的廢水和廢酸液降到最低，避免了環(huán)境污染，同時得到高質(zhì)量的生物柴油和甘油產(chǎn)品。提取生物柴油后形成的生產(chǎn)“廢料”——餅粕，還有著極高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，根據(jù)吳謀成進一步研發(fā)的成果，這種餅粕可以大量提取飼用濃縮蛋白，回收和制備菜籽多糖、菜籽多酚、植酸，其產(chǎn)值和利潤比餅粕高幾十倍。目前，餅粕綜合提取程序已經(jīng)在華農(nóng)投產(chǎn)并產(chǎn)生巨大效益。10.生物技術(shù)與能源三、藻類產(chǎn)油藻類能產(chǎn)生大量的脂類，可用來制造柴油及汽油。國際上制造生物柴油的主要技術(shù)有三種：化學合成法、生物酶解法、工程藻類技術(shù)10.生物技術(shù)與能源早期，英國《新科學家》曾報道，美國設(shè)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(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角度，開發(fā)能產(chǎn)更多的油脂類的藻類，研究目標是想在2010年前，用藻類生產(chǎn)的汽油能提供美國機動車所用燃料總量的8％一10％。10.生物技術(shù)與能源10.生物技術(shù)與能源

硅藻扇形藻（硅藻）10.生物技術(shù)與能源

各種各樣的小環(huán)藻10.生物技術(shù)與能源工程藻類技術(shù)

“工程微藻”生產(chǎn)柴油，為柴油生產(chǎn)開辟了一條新的技術(shù)途徑。美國國家可更新實驗室(NREL)通過現(xiàn)代生物技術(shù)建成“工程微藻”，即硅藻類的一種“工程小環(huán)藻”。在實驗室條件下可使“工程微藻”中脂質(zhì)含量增加到60%以上，戶外生產(chǎn)也可增加到40%以上，而一般自然狀態(tài)下微藻的脂質(zhì)含量為5%-20%。“工程微藻”中脂質(zhì)含量的提高主要由于乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因在微藻細胞中的高效表達，在控制脂質(zhì)積累水平方面起到了重要作用。10.生物技術(shù)與能源傳統(tǒng)可再生能源—甲烷

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)等很粗糙的有機物轉(zhuǎn)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(zhì)量的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CO210.生物技術(shù)與能源二、應(yīng)用舉例我國是沼氣生產(chǎn)量最大的國家，生產(chǎn)量高達7×106生物氣單位，相當于2.2×106噸煤的能量。據(jù)報道國內(nèi)農(nóng)村正在使用的厭氧發(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。10.生物技術(shù)與能源甲烷發(fā)酵發(fā)酵池結(jié)構(gòu)10.生物技術(shù)與能源甲烷生產(chǎn)原料10.生物技術(shù)與能源應(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的電能。美國一牧場建立一座反應(yīng)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113000m3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(yīng)器、發(fā)電設(shè)備、廢物預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。10.生物技術(shù)與能源微生物轉(zhuǎn)化殘油和劣質(zhì)煤生產(chǎn)甲烷10.生物技術(shù)與能源未來氫能源燃燒產(chǎn)物為水，無污染10.生物技術(shù)與能源未來新能源--氫能生物質(zhì)制氫技術(shù)以生物質(zhì)為原料利用熱物理化學原理與技術(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、甲醇、乙醇轉(zhuǎn)化制氫。利用生物途徑轉(zhuǎn)換制氫,如微生物發(fā)酵、直接生物光分解等。10.生物技術(shù)與能源常見的產(chǎn)氫微生物產(chǎn)氫的光合微生物可分為藻類及非藻類常見產(chǎn)氫非光合微生物厭氧菌：巴氏梭菌、產(chǎn)氣微球菌、雷氏丁酸桿菌、克氏桿菌等。兼性厭氧菌：大腸桿菌、嗜水氣單胞菌、軟化芽胞桿菌、多粘芽胞桿菌等。

顫藻10.生物技術(shù)與能源產(chǎn)氫生化機理

葉綠體膜及氫化酶等組分混合反應(yīng)產(chǎn)氫示意圖10.生物技術(shù)與能源生物燃料電池定義：所謂微生物電池就是利用微生物的代謝產(chǎn)物作為物理電極活性物質(zhì)，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。以霉為基礎(chǔ)的生物燃料電池10.生物技術(shù)與能源生物燃料電池1910年，美國植物學家potter把酵母或大腸桿菌放入含有葡萄糖的培養(yǎng)基中，進行厭氧培養(yǎng)，其產(chǎn)物在鉑電極上能顯示出0.3~0.5伏的開路電壓和0.2mA的低電流。1962年，Rohrbock用葡萄糖為原料，利用低酸桿菌發(fā)酵所產(chǎn)生的氫來構(gòu)建氫-氧型生物電池，所獲得的電流仍然很低。從20世紀50年代起，隨著人類在航天領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對生物燃料電池研究的興趣日益增高。因而各種各樣的燃料電池在不斷的研究和報道。10.生物技術(shù)與能源產(chǎn)物生物燃料電池美國宇航局曾為了解決宇宙飛船中宇航員排泄物處理的問題，采用芽孢桿菌處理尿液，使尿酸分解而生成尿素。然后用尿素酶分解生成氨。氨能使鉑電極產(chǎn)生電流。此外，如用100克重量的椰子作產(chǎn)氣假單胞菌發(fā)酵的原料，并產(chǎn)生甲酸的代謝產(chǎn)物，其產(chǎn)物可產(chǎn)生10mA的電流，相應(yīng)的電量可使半導體收音機工作5天。10.生物技術(shù)與能源去極化生物燃料電池去極化生物燃料電池是利用分