4l4工學(xué)09第九章-生物技術(shù)與能源課件

第九章生物技術(shù)與能源第九章生物技術(shù)與能源1本章共2個(gè)學(xué)時(shí),均為課堂講授教學(xué)目的和要求：了解掌握微生物與石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)。教學(xué)方法與手段：課堂教學(xué)與自學(xué)相結(jié)合第一節(jié)微生物與石油開發(fā)第二節(jié)生物技術(shù)與新能源復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：自習(xí)為主考核知識(shí)點(diǎn)：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展。輔助教學(xué)活動(dòng)：多媒體圖片或動(dòng)畫輔助教學(xué)本章共2個(gè)學(xué)時(shí),均為課堂講授2第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

——生物柴油

一、簡(jiǎn)介含義：指動(dòng)植物油與甲醇進(jìn)行酯交換制造的脂肪酸甲酯，是一種潔凈的生物燃料第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

3柴油分子:15C碳鏈組成植物油:14C-18C碳鏈組成，兩者碳數(shù)相近。柴油分子:15C碳鏈組成4生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料。意義：生物柴油對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)5二、生物柴油的優(yōu)勢(shì)（7條）：1、具有優(yōu)良的環(huán)保特性硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低；不含芳香族烷烴，廢氣對(duì)人體損害低。含氧量高，燃燒時(shí)排煙少，一氧化碳的排放少。生物降解性高。二、生物柴油的優(yōu)勢(shì)（7條）：62、低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能：無添加劑冷濾點(diǎn)達(dá)-20℃。3、潤(rùn)滑性能：磨損率低，使用壽命長(zhǎng)。4、安全性能：閃點(diǎn)高，不屬于危險(xiǎn)品，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用方面的安全性高。2、低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能：無添加劑冷濾點(diǎn)達(dá)-20℃。75、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的使用壽命加長(zhǎng)。6、可再生性能：可長(zhǎng)期供應(yīng)、永不會(huì)枯竭。7.無須改動(dòng)柴油機(jī)，可直接添加使用無需其他設(shè)備和特殊技術(shù)。5、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催8三、生物柴油的生產(chǎn)方法1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油；2、利用"工程微藻"生產(chǎn)柴油。三、生物柴油的生產(chǎn)方法91、利用食用油生產(chǎn)生物柴油1）、化學(xué)合成法用動(dòng)物和植物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者堿性催化劑和高溫(230～250℃)下進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。

1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油10特點(diǎn)：甲醇或乙醇可循環(huán)使用設(shè)備與一般制油設(shè)備相同產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油主要問題：成本高，75%是原料成本。解決方案：基因工程方法研究高油含量的植物采用工業(yè)廢油和廢煎炸油。特點(diǎn)：11其他缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有醇回收裝置，能耗高。色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。其他缺點(diǎn)：122）、生物酶法合成：用動(dòng)物油脂和低碳醇通過脂肪酶進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，制備相應(yīng)的脂肪酸甲酯及乙酯。優(yōu)點(diǎn)：條件溫和、醇用量小、無污染排放。2）、生物酶法合成：13主要問題：對(duì)甲醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低，一般僅為40%-60%。酶的使用壽命短。副產(chǎn)物甘油和水難于回收。主要問題：142、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油1）、歸屬：“硅藻類”的一種“工程小環(huán)藻”。2）、脂質(zhì)含量：天然微藻：5%-20%?！肮こ涛⒃濉保?gt;60%。3）、脂質(zhì)含量高的原因：乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因在微藻細(xì)胞中的高效表達(dá)，增加脂質(zhì)積累。2、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油154）、優(yōu)越性生產(chǎn)能力高、用海水作為天然培養(yǎng)基；比陸生植物單產(chǎn)油脂高幾十倍；生產(chǎn)的生物柴油不含硫，不排放有毒害氣體，排入環(huán)境中也可被微生物降解，不污染環(huán)境.4）、優(yōu)越性16目前熱點(diǎn)：發(fā)展富含油質(zhì)的微藻或者“工程微藻”是生產(chǎn)生物柴油的一大趨勢(shì)。選擇合適的載體，使ACC基因在細(xì)菌、酵母和植物中充分表達(dá)，修飾ACC基因獲得超量表達(dá)。目前熱點(diǎn)：17第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：狹義的新能源：可再生能源廣義新能源包括：1、高效利用能源；2、資源綜合利用；3、可再生能源；4、代替能源；5、核能；6、節(jié)能。第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：181、高效利用能源中國的能源綜合利用效率為35%，丹麥的能源綜合利用效率超過60%。1）熱電聯(lián)產(chǎn)：丹麥沒有一個(gè)火力發(fā)電項(xiàng)目不供熱，也沒有一個(gè)工業(yè)供熱鍋爐不發(fā)電。通過化石燃料轉(zhuǎn)換能源的綜合利用效率一般超過70%，是提高全社會(huì)能源利用效率的重要技術(shù)。丹麥的熱電聯(lián)產(chǎn)燃燒利用多種燃料，秸稈、樹枝、垃圾、天然氣和煤炭等資源，基本上是有什么燒什么，什么便宜燒什么，既通過能源梯級(jí)利用提高了能源的綜合利用效率。1、高效利用能源192）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。優(yōu)點(diǎn)是靠近需求側(cè)，將輸送損耗降至最低，并充分利用了低品位的熱能。2）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。203）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。利用太陽能和風(fēng)能制氫，利用生物細(xì)菌制氫，還僅僅停留在設(shè)想或初級(jí)試驗(yàn)階段，缺乏廣泛的經(jīng)濟(jì)性和可操作性?，F(xiàn)實(shí)的技術(shù)方向還是如何利用天然氣、煤氣化、甲醇、乙醇等能源，特別有前途的是利用廢棄在地下煤炭資源進(jìn)行地下可控氣化再制氫技術(shù)3）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。212、資源綜合利用1）、瓦斯主要成分：甲烷，與天然氣相同，只是濃度低。煤礦中瓦斯的產(chǎn)量有限，不能大規(guī)模利用，只能采用分布式能源解決方案，就近利用瓦斯發(fā)電。2、資源綜合利用222）城市垃圾和污水可制造沼氣，或轉(zhuǎn)換成有機(jī)可燃物質(zhì)焚燒增加能源供應(yīng)，減少環(huán)境污染。2）城市垃圾和污水233、可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)的可再生能源：大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)?；乃芾靡恍﹪疫M(jìn)行規(guī)?；奶柲芾?。分布式能源：樓宇式的光電、光熱和直接光能，以及儲(chǔ)光等能源利用系統(tǒng)，以減少對(duì)外部能源的消耗；水源、地源、空氣源、污水源和排氣源熱泵能量回收技術(shù)對(duì)于樓宇建筑空調(diào)的能源供應(yīng)系統(tǒng)；小型風(fēng)力發(fā)電或光電系統(tǒng)對(duì)于獨(dú)立能源用戶的電力供應(yīng)等。3、可再生能源244、核能沒有二氧化碳的排放問題，如果不出事故，將會(huì)是非常清潔的能源4、核能255、節(jié)能國際上稱節(jié)能為煤炭、石油、可再生能源、核能之后的第五能源6、替代能源利用秸稈替代煤炭利用生物柴油或乙醇替代石油；利用太陽能熱水器替代電力或燃?xì)鉄崴鞯取?、節(jié)能26燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)制造乙醇技術(shù)分為三類：一是使用玉米或者小麥等糧食作物；二是用紅薯、木薯、甜高粱等非主糧等；第三類則是農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物生產(chǎn)，統(tǒng)稱為纖維素燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)27最為成熟的是玉米或小麥技術(shù)為了保證玉米的糧食供應(yīng)，我國已叫停的玉米制乙醇項(xiàng)目。2007年6月7日，國務(wù)院通過《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》指出發(fā)展可再生能源“不得占用耕地，不得大量消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境”。生物燃料乙醇生產(chǎn)在“十一五”期間將堅(jiān)持“因地制宜，非糧為主”，重點(diǎn)支持以薯類、甜高粱及纖維資源等非糧產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最為成熟的是玉米或小麥技術(shù)28纖維素盡管有原料廣泛且不受季節(jié)約束的優(yōu)勢(shì)，但也有不足之處。秸稈是糧食的廢棄品，分散在農(nóng)村地區(qū)，由于秸稈的形狀較長(zhǎng)，運(yùn)輸起來并不方便，因此如果要建乙醇加工廠，最好的辦法就是在各個(gè)鄉(xiāng)設(shè)立一個(gè)加工基地。纖維素盡管有原料廣泛且不受季節(jié)約束的優(yōu)勢(shì)，但也有不足之處。29大腸桿菌被發(fā)現(xiàn)于1885年，對(duì)人和動(dòng)物有病原性，會(huì)引起嚴(yán)重腹瀉和敗血癥。所以家長(zhǎng)經(jīng)常教育自己的孩子病從口入，飯前和手不干凈的時(shí)候一定要勤洗。不過最新研究表明，大腸桿菌能在一定程度上解決石油能源的危機(jī)。美國加里福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的科學(xué)家JamesLiao和他的團(tuán)隊(duì)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，對(duì)大腸桿菌進(jìn)行“感化教育”。改良后的細(xì)菌在消耗有機(jī)物后，可生成擁有較長(zhǎng)碳鏈的酒精。需要重點(diǎn)指出的是，乙醇（酒精）無法取代燃油最重要的原因就在于，乙醇分子中能產(chǎn)生燃燒能量的碳原子過少。含有4個(gè)碳原子的丁醇，一度被視為汽油替代燃料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。但經(jīng)過JamesLiao團(tuán)隊(duì)改良的大腸桿菌能產(chǎn)生擁有5個(gè)碳原子的戊醇，這與汽油中的氫氧化物分子所含的7個(gè)碳原子更為接近，甚至可以直接代替汽油應(yīng)用在汽車和飛機(jī)上。改良版大腸桿菌作為生物酒精工廠，在低成本生成替代燃料的同時(shí)，還可以用于制造聚合物和藥物。其中的聚合物可以廣泛代替須從石油中提煉的塑料制品，緩解石油資源需求的壓力。大腸桿菌被發(fā)現(xiàn)于1885年，對(duì)人和動(dòng)物有病原性，會(huì)引起嚴(yán)重腹30第九章生物技術(shù)與能源第九章生物技術(shù)與能源31本章共2個(gè)學(xué)時(shí),均為課堂講授教學(xué)目的和要求：了解掌握微生物與石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)。教學(xué)方法與手段：課堂教學(xué)與自學(xué)相結(jié)合第一節(jié)微生物與石油開發(fā)第二節(jié)生物技術(shù)與新能源復(fù)習(xí)與作業(yè)要求：自習(xí)為主考核知識(shí)點(diǎn)：微生物在石油開發(fā)及其他新型能源工業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展。輔助教學(xué)活動(dòng)：多媒體圖片或動(dòng)畫輔助教學(xué)本章共2個(gè)學(xué)時(shí),均為課堂講授32第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

——生物柴油

一、簡(jiǎn)介含義：指動(dòng)植物油與甲醇進(jìn)行酯交換制造的脂肪酸甲酯，是一種潔凈的生物燃料第一節(jié)微生物與石油開發(fā)

33柴油分子:15C碳鏈組成植物油:14C-18C碳鏈組成，兩者碳數(shù)相近。柴油分子:15C碳鏈組成34生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料。意義：生物柴油對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。生產(chǎn)原料：大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)35二、生物柴油的優(yōu)勢(shì)（7條）：1、具有優(yōu)良的環(huán)保特性硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低；不含芳香族烷烴，廢氣對(duì)人體損害低。含氧量高，燃燒時(shí)排煙少，一氧化碳的排放少。生物降解性高。二、生物柴油的優(yōu)勢(shì)（7條）：362、低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能：無添加劑冷濾點(diǎn)達(dá)-20℃。3、潤(rùn)滑性能：磨損率低，使用壽命長(zhǎng)。4、安全性能：閃點(diǎn)高，不屬于危險(xiǎn)品，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用方面的安全性高。2、低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能：無添加劑冷濾點(diǎn)達(dá)-20℃。375、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的使用壽命加長(zhǎng)。6、可再生性能：可長(zhǎng)期供應(yīng)、永不會(huì)枯竭。7.無須改動(dòng)柴油機(jī)，可直接添加使用無需其他設(shè)備和特殊技術(shù)。5、燃料性能：十六烷值高，燃燒性好，燃燒殘留物微酸性，使催38三、生物柴油的生產(chǎn)方法1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油；2、利用"工程微藻"生產(chǎn)柴油。三、生物柴油的生產(chǎn)方法391、利用食用油生產(chǎn)生物柴油1）、化學(xué)合成法用動(dòng)物和植物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者堿性催化劑和高溫(230～250℃)下進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。

1、利用食用油生產(chǎn)生物柴油40特點(diǎn)：甲醇或乙醇可循環(huán)使用設(shè)備與一般制油設(shè)備相同產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油主要問題：成本高，75%是原料成本。解決方案：基因工程方法研究高油含量的植物采用工業(yè)廢油和廢煎炸油。特點(diǎn)：41其他缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有醇回收裝置，能耗高。色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。其他缺點(diǎn)：422）、生物酶法合成：用動(dòng)物油脂和低碳醇通過脂肪酶進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，制備相應(yīng)的脂肪酸甲酯及乙酯。優(yōu)點(diǎn)：條件溫和、醇用量小、無污染排放。2）、生物酶法合成：43主要問題：對(duì)甲醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低，一般僅為40%-60%。酶的使用壽命短。副產(chǎn)物甘油和水難于回收。主要問題：442、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油1）、歸屬：“硅藻類”的一種“工程小環(huán)藻”。2）、脂質(zhì)含量：天然微藻：5%-20%?！肮こ涛⒃濉保?gt;60%。3）、脂質(zhì)含量高的原因：乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因在微藻細(xì)胞中的高效表達(dá)，增加脂質(zhì)積累。2、利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油454）、優(yōu)越性生產(chǎn)能力高、用海水作為天然培養(yǎng)基；比陸生植物單產(chǎn)油脂高幾十倍；生產(chǎn)的生物柴油不含硫，不排放有毒害氣體，排入環(huán)境中也可被微生物降解，不污染環(huán)境.4）、優(yōu)越性46目前熱點(diǎn)：發(fā)展富含油質(zhì)的微藻或者“工程微藻”是生產(chǎn)生物柴油的一大趨勢(shì)。選擇合適的載體，使ACC基因在細(xì)菌、酵母和植物中充分表達(dá)，修飾ACC基因獲得超量表達(dá)。目前熱點(diǎn)：47第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：狹義的新能源：可再生能源廣義新能源包括：1、高效利用能源；2、資源綜合利用；3、可再生能源；4、代替能源；5、核能；6、節(jié)能。第二節(jié)生物技術(shù)與新能源一、新能源的含義：481、高效利用能源中國的能源綜合利用效率為35%，丹麥的能源綜合利用效率超過60%。1）熱電聯(lián)產(chǎn)：丹麥沒有一個(gè)火力發(fā)電項(xiàng)目不供熱，也沒有一個(gè)工業(yè)供熱鍋爐不發(fā)電。通過化石燃料轉(zhuǎn)換能源的綜合利用效率一般超過70%，是提高全社會(huì)能源利用效率的重要技術(shù)。丹麥的熱電聯(lián)產(chǎn)燃燒利用多種燃料，秸稈、樹枝、垃圾、天然氣和煤炭等資源，基本上是有什么燒什么，什么便宜燒什么，既通過能源梯級(jí)利用提高了能源的綜合利用效率。1、高效利用能源492）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。優(yōu)點(diǎn)是靠近需求側(cè)，將輸送損耗降至最低，并充分利用了低品位的熱能。2）、分布式能源：小型、微型的熱電聯(lián)產(chǎn)。503）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。利用太陽能和風(fēng)能制氫，利用生物細(xì)菌制氫，還僅僅停留在設(shè)想或初級(jí)試驗(yàn)階段，缺乏廣泛的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。現(xiàn)實(shí)的技術(shù)方向還是如何利用天然氣、煤氣化、甲醇、乙醇等能源，特別有前途的是利用廢棄在地下煤炭資源進(jìn)行地下可控氣化再制氫技術(shù)3）、燃料電池：氫能，屬于可再生能源。512、資源綜合利用1）、瓦斯主要成分：甲烷，與天然氣相同，只是濃度低。煤礦中瓦斯的產(chǎn)量有限，不能大規(guī)模利用，只能采用分布式能源解決方案，就近利用瓦斯發(fā)電。2、資源綜合利用522）城市垃圾和污水可制造沼氣，或轉(zhuǎn)換成有機(jī)可燃物質(zhì)焚燒增加能源供應(yīng)，減少環(huán)境污染。2）城市垃圾和污水533、可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)的可再生能源：大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)?；乃芾靡恍﹪疫M(jìn)行規(guī)?；奶柲芾?。分布式能源：樓宇式的光電、光熱和直接光能，以及儲(chǔ)光等能源利用系統(tǒng)，以減少對(duì)外部能源的消耗；水源、地源、空氣源、污水源和排氣源熱泵能量回收技術(shù)對(duì)于樓宇建筑空調(diào)的能源供應(yīng)系統(tǒng)；小型風(fēng)力發(fā)電或光電系統(tǒng)對(duì)于獨(dú)立能源用戶的電力供應(yīng)等。3、可再生能源544、核能沒有二氧化碳的排放問題，如果不出事故，將會(huì)是非常清潔的能源4、核能555、節(jié)能國際上稱節(jié)能為煤炭、石油、可再生能源、核能之后的第五能源6、替代能源利用秸稈替代煤炭利用生物柴油或乙醇替代石油；利用太陽能熱水器替代電力或燃?xì)鉄崴鞯取?、節(jié)能56燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)制造乙醇技術(shù)分為三類：一是使用玉米或者小麥等糧食作物；二是用紅薯、木薯、甜高粱等非主糧等；第三類則是農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的廢棄生物生產(chǎn)，統(tǒng)稱為纖維素燃料乙醇：生物發(fā)酵生產(chǎn)57最為成熟的是玉米或小麥技術(shù)為了保證玉米的糧食供應(yīng)，我國已叫停的玉米制乙醇項(xiàng)目。200