生物技術與能源

2022/11/221本章概要生物技術在能源生產中的應用

生物能源的概念及種類2022/11/222什么是能源？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、生物質能2022/11/2231微生物技術與石油開采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一、生物技術在能源生產中的應用2022/11/224

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。抗血清篩選土壤中利用烴的微生物。1.2微生物石油勘探技術的實驗依據2022/11/225

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2022/11/226原理：利用微生物分子生物學技術構建能產生大量CO2和甲烷等氣體的基因工程菌株或選育能提高產氣量的高活性菌株。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%。1.4微生物三次采油原理與效率2022/11/2272微生物與天然氣生產微生物轉化難開采劣質油為天然氣微生物轉化難開采煤為天然氣煤甲烷甲烷菌2022/11/228生物質能：通過各種物理、化學、生物的方法將生物質轉化成的能源物質。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2022/11/229FromSunlighttoRenewableBioenergy2022/11/22102022/11/2211BiomassFuelProduction

植物單體小分子燃料光能光合微生物2022/11/22121未來石油的替代物——乙醇乙醇燃料汽車乙醇作為燃料的益處不含有毒物質不生成一氧化碳2022/11/2213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）乳酸乙醇糖代謝與乙醇生成1.1生產乙醇燃料的生化原理2022/11/2214糖代謝與肌肉組織乳酸形成2022/11/2215糖代謝與酵母乙醇發(fā)酵2022/11/2216常用原材料:蔗糖或淀粉

微生物:酵母菌

關鍵酶:糖水解酶和酒化酶酵母菌1.3傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵2022/11/2217A.用于化學工業(yè)的乙醇產量;B.用于汽油混合和替代品的乙醇產量

產量（10億升）巴西早期乙醇生產情況2022/11/22181.4乙醇代替石油的困境—第二代燃料乙醇

生產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品廢物葡萄糖

2022/11/2219

生產乙醇原材料化學降解技術生產乙醇原材料酶解法降解技術

葡聚糖內切酶(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)酵生產乙醇2022/11/2220BiomassProcessing2022/11/2221CelluloseandhemicellulosedegradationbymicrobialcellulaseandhemicellulaseClellulasemaybeisolatedfromfungi,yeastandbacteria.MicrobesinBioethanolProductionHemicellulose5C+6CSugarsCellulose6CSugarCellulasehemicellulase2022/11/2222MicrobesinBioethanolProductionPichiastipitisisafungusthatfermentsxylosetoethanol,anddegradesligninandcelluloseforthepotentialconversionofbiomasstoethanol.ThehighestyieldsfortheconversionofbiomasstoethanolareexpectedtocomefrommicroorganismssuchasP.stipitisthatcanfermentthesugarxylose.Thelackofindustrial-grademicroorganismsforconvertingbiomassintofuelethanolhastraditionallybeencitedasamajortechnicalroadblocktodevelopabioethanolindustry.2022/11/22233C5H10O5

→5C2H5OH+5CO2

酵母木糖代謝的途徑比葡萄糖代謝的途徑復雜得多,酵母木糖代謝產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。2022/11/2224BioethanolProcess2022/11/2225

把能水解纖維素的一個葡聚糖內切酶基因和一個β-葡萄糖苷酶基因克隆在能產生乙醇的菌株中，并研究該菌株利用纖維素作原料的情況。把能產生乙醇的基因克隆到能降解纖維素，但不能生產乙醇的菌株中。基因工程技術2022/11/22261.6五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,通過對已有菌株的長期馴化篩選從而得到所需菌株。(3)采用原生質體融合技術。(4)基因工程在菌種選育上的應用。能利用五元糖的微生物：細菌、酵母、真菌，及其重組體。2022/11/2227SourcesofLignocellulosic(木質纖維素）DigestingMicroorganisms,SuchAsTermitesandBettlesAcetateFermentationpathwaysH2

&CO2

FermentationpathwaysCellulasesHemicellulases2022/11/22282生物柴油（Biodiesel）由生物油脂轉化而成的柴油相當產物反應式：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。2001年歐洲產量為78萬噸，02年達到106.5，2003年142.8萬噸。并計劃在2010達到830萬噸，2020年達到柴油市場份額為20%

2022/11/22292.1生物柴油的原料動物油植物油微生物油脂生產生物柴油的方法:化學催化合成法生物酶解法2022/11/2230HowaBeverlyHillsdoctorpoweredhisSUVusinghispatients‘sparetiresSuperboatBurnsHumanFattoZipAroundWorldGiveblood,savelives;givefat,savetheplanet？2022/11/223110.4.2能產“石油”的灌木蘭桉樹油楠的喬木銀合歡樹麻風樹黃鼠草2.2植物“石油”麻風樹(小桐子、青桐木）2022/11/2232

常見產油的植物向日葵、棕櫚、椰子、花生、玉米、白菜、香蕉、胡蘿卜、棉籽、油菜子和巴巴蘇堅果

提高植物產油量的途徑增加脂肪酸合成底物來提高油脂合成水平。增加油脂合成途徑的關鍵酶的基因表達。

2.3油料植物2022/11/2233植物和光合微生物油脂制備生物柴油的比較參數(shù)植物微生物生長時間幾周—幾月幾天耕地需要不需要生物質的均質性非均質均質收獲每年1-2季連續(xù)用水大量小到中等肥料大量少量、可控制類脂產量低高（100X）2022/11/22342.4產油微生物異養(yǎng)型：以糖類、淀粉、纖維素水解液為營養(yǎng)合成類脂自養(yǎng)型：利用太陽能，以二氧化碳為碳源合成類脂2022/11/2235異養(yǎng)型微生物非光合作用產油微生物：細菌、酵母、真菌。原料：淀粉、糖、纖維素水解液2022/11/2236光合微生物包括光合細菌和微藻提高工程小環(huán)藻產油的途徑：設法提高乙酰輔酶A羧化酶或其他脂肪酸合成相關酶在微藻細胞中充分表達。

采用工程小環(huán)藻制造柴油的優(yōu)勢。自養(yǎng)型微生物--光合作用微生物2022/11/2237PhotosyntheticMicrobesAsFeedstockforBiodieselProductionRhodopseudomonaspalustris:PhotosyntheticbacteriumLikeplants,alargecollectionofmicroorganismsarecapableofphotosynthesis,includingthepurplebacteria,thegreenbacteria,heliobacteria,thecyanobacteriaand

algae

2022/11/22382.5工程細菌產油通過基因改造大腸桿菌，直接合成單脂肪酸甲酯、或脂肪酸乙醇酯（生物柴油）2022/11/2239

3.1生產甲烷的生化機理厭氧微生物生產甲烷途徑

初步反應：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、脂肪和蛋白質等很粗糙的有機物轉化成可溶性的混合組分。

微生物發(fā)酵過程：低分子質量的可溶性組分通過微生物厭氧發(fā)酵作用轉化成有機酸。

甲烷形成：通過甲烷菌把這些有機酸轉化為甲烷及CO2。

3傳統(tǒng)可再生能源——甲烷2022/11/2240

家庭式甲烷發(fā)酵生產示意圖發(fā)酵池結構3.2甲烷發(fā)酵2022/11/2241原材料與甲烷產量

農村常用發(fā)酵生產甲烷的原料及沼氣產量原料名稱每噸干物質產沼氣量（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甲烷生產原料2022/11/2242

我國是沼氣生產最大量的國家，生產量高達7×106生物氣單位，相當于22×106噸煤的能量。印度也是一個生產沼氣的大國。按印度現(xiàn)有沼氣的發(fā)展計劃及規(guī)模，預測到2015年前，可建立1千萬～2千萬個沼氣池，到時印度的燃料源很可能以沼氣為主。3.4甲烷應用實例2022/11/22433.5微生物轉化殘油和劣質煤生產甲烷殘留于巖石和沙土里的石油（沒有開采價值）沒有開采價值的劣質煤2022/11/22444生物電—生物燃料電池Microbialfuelcell(MFC)ChemicalenergyElectricalenergyMicrobesOrganiccompounds2022/11/2245Schematicofamicrobialfuelcell(MFC).Bacteriaattachedtothecathoderemoveelectronsfromanorganicelectrondonor(orfuel)andtransferthemtotheanode.Theelectronsmovethroughtheelectricalcircuittotheanode,wheretheyreduceO2toH2O.Tomaintainelectroneutrality,protons(Ht)orotherionsmovebetweentheanodeandcathodeviatheaqueoussolution.Bioelectricalenergyisharvestedfromtheflowofelectronsfromthecathodetoanode.

微生物電池的原理2022/11/2246電子傳遞介質介導的生物電池2022/11/2247沒有電子傳遞介質的生物電池2022/11/2248植物微生物燃料電池2022/11/2249生物燃料電池應用廢水、污水治理車用電池2022/11/2250生物質制氫技術以生物質為原料利用熱物理化學原理與技術制氫，如生