能源微生物学的课件

1、第二章 生物炼制与可再生资源 在化石能源资源渐趋枯竭和环境压力越来越大的背景在化石能源资源渐趋枯竭和环境压力越来越大的背景下，下，21世纪将是可持续和多元化的清洁能源世纪。世纪将是可持续和多元化的清洁能源世纪。2006年年5月在德国首都柏林举行的月在德国首都柏林举行的“面向面向21世纪的生物燃料世纪的生物燃料”国国际会议也指出，发展中国家应主要通过发展生物燃料满足际会议也指出，发展中国家应主要通过发展生物燃料满足能源增长需求，促进农村经济发展，并向发达国家出口生能源增长需求，促进农村经济发展，并向发达国家出口生物燃料。为了实现人类社会、经济的可持续发展，进一步物燃料。为了实现人类社会、经济的可

2、持续发展，进一步建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前重点依赖化建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前重点依赖化石原料的制造加工工业的生产模式，发展以农村生物质为石原料的制造加工工业的生产模式，发展以农村生物质为原料的生物炼制产业是解决人类所面临的资源、能源和环原料的生物炼制产业是解决人类所面临的资源、能源和环境问题的唯一途径。境问题的唯一途径。2.1 2.1 石油炼制到生物炼制石油炼制到生物炼制2.1.1 2.1.1 石油炼制石油炼制 石油炼制以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然石油炼制以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质的彻底、气等）为原料

3、，以化学催化剂为手段，实现物质的彻底、多元化转化（图多元化转化（图2.1）。这一模式受到化石原料的严重制约）。这一模式受到化石原料的严重制约而终将被新的工艺所取代。而终将被新的工艺所取代。图图2.1 2.1 石油炼制工艺石油炼制工艺常常压压蒸蒸馏馏减减压压蒸蒸馏馏催催化化重重整整芳芳烃烃抽抽提提芳芳烃烃分分离离轻汽油馏分轻汽油馏分富氢气体富氢气体汽油组分汽油组分苯苯甲苯甲苯二甲苯二甲苯催催化化重重整整延延迟迟焦焦化化减压渣油减压渣油重馏分重馏分减减压压馏馏分分重柴油馏分重柴油馏分气气体体分分离离石石油油产产品品精精制制吸吸收收轻柴油馏分轻柴油馏分煤油馏分煤油馏分裂化气裂化气焦焦化化气气炼厂干气

4、炼厂干气丙稀丙稀丙烷丙烷丁烯丁烯丁烷丁烷裂化汽油裂化汽油裂化柴油裂化柴油直馏柴油直馏柴油直馏煤油直馏煤油直馏轻柴油直馏轻柴油焦化汽油焦化汽油焦化柴油焦化柴油石油焦石油焦常压常压渣油渣油原油原油2.1.22.1.2 生物炼制生物炼制新型经济产业的缔造者新型经济产业的缔造者 生物炼制以现代石化工业为模板，采用类似于流化催生物炼制以现代石化工业为模板，采用类似于流化催化裂化、热裂解和加氢裂解等集成化平台技术，用先进的化裂化、热裂解和加氢裂解等集成化平台技术，用先进的预处理和酶水解等生物平台技术将生物质转化为各种糖类，预处理和酶水解等生物平台技术将生物质转化为各种糖类，再通过糖平台技术转化为大宗生物乙

5、醇产品和各种高附加再通过糖平台技术转化为大宗生物乙醇产品和各种高附加值中间体化学品，生产出燃料乙醇、生物柴油等新型能源、值中间体化学品，生产出燃料乙醇、生物柴油等新型能源、聚乳酸等新型生物材料和糠醛等几乎所有的生物基化学品聚乳酸等新型生物材料和糠醛等几乎所有的生物基化学品类型（图类型（图2.2）。）。图图2.2 2.2 生物炼制工艺生物炼制工艺生生 物物 炼炼 制制农农 业业初级炼制初级炼制工工 业业 炼炼 制制生物质生物质（纤维素、（纤维素、淀粉、淀粉、 蛋白质、蛋白质、动物粪便动物粪便等）等）生生物物质质转转化化糖类糖类木质素木质素蛋白质蛋白质脂肪脂肪其他物质其他物质糖和木质素糖和木质素合

6、成气合成气生物气生物气水解水解酸解、酶解酸解、酶解气化气化高温、低氧高温、低氧消化消化细菌细菌高温分解高温分解催化、加热、催化、加热、加压加压生物油生物油萃取萃取机械、化学机械、化学分离分离机械、化学机械、化学碳素链碳素链种植肥料种植肥料燃料：燃料： 乙醇乙醇 生物柴油生物柴油 生物氢生物氢能源：能源： 发电发电 产热产热化学品：化学品： 塑料塑料 溶剂溶剂 药品药品 中间产物中间产物 酚醛塑料酚醛塑料 保健品保健品 黏合剂黏合剂 糠醛糠醛 脂肪酸脂肪酸 乙酸乙酸 黑色颜料黑色颜料 油漆油漆 染料染料 色素墨水色素墨水 清洁剂等清洁剂等食品和饲料：食品和饲料： 乳酸乳酸 柠檬酸等柠檬酸等 生物

7、炼制可以被分为生物质生产地区类型和废弃材生物炼制可以被分为生物质生产地区类型和废弃材料使用类型两种。料使用类型两种。在巴西、美国、中国、东南亚和澳大利在巴西、美国、中国、东南亚和澳大利亚这些国家和地区大量种植甘蔗、玉米、甜菜、木薯、西亚这些国家和地区大量种植甘蔗、玉米、甜菜、木薯、西米椰子和土豆等用于生物炼制，用农业产品发展新工业。米椰子和土豆等用于生物炼制，用农业产品发展新工业。相对的，在缺少空间堆积垃圾和有机质并且没有足够多的相对的，在缺少空间堆积垃圾和有机质并且没有足够多的农业产品的日本和一些欧洲国家，生物炼制起着废弃物处农业产品的日本和一些欧洲国家，生物炼制起着废弃物处理和有用产品的生

8、产的双重作用，旧报纸、林业废弃物、理和有用产品的生产的双重作用，旧报纸、林业废弃物、动物粪便和食品废弃物为生物炼制提供了原始的材料。动物粪便和食品废弃物为生物炼制提供了原始的材料。 微藻是一类在显微镜下能辨认其形态的微小藻类类群，微藻是一类在显微镜下能辨认其形态的微小藻类类群，目前已经可以进行大规模培养。许多微藻中富含蛋白质、目前已经可以进行大规模培养。许多微藻中富含蛋白质、多糖、油脂、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等多种有用成分，多糖、油脂、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等多种有用成分，是人类重要的生物质资源宝库。微藻的生物炼制如图是人类重要的生物质资源宝库。微藻的生物炼制如图2.3所所示。示。微藻细胞

9、微藻细胞光光O2水或废水水或废水无机盐无机盐气体气体藻类藻类H2CO2CO2工业医用工业医用生物能源生物能源微藻油脂微藻油脂微藻多糖微藻多糖微藻蛋白微藻蛋白微藻色素微藻色素维生素维生素微藻酶微藻酶抗生素抗生素生物饲料生物饲料（肥料）（肥料）医药食品医药食品生物沼气生物沼气生物制氢生物制氢生物柴油生物柴油图图2.3 2.3 微藻的生物炼制示意图微藻的生物炼制示意图 木质纤维素数量巨大、来源广泛、可再生，是生物炼木质纤维素数量巨大、来源广泛、可再生，是生物炼制的重要原料。玉米秸秆是其中非常易于得到的一类，秸制的重要原料。玉米秸秆是其中非常易于得到的一类，秸秆中秆中92.5%的总糖可以通过对玉米秸秆

10、稀酸预处理和酶水的总糖可以通过对玉米秸秆稀酸预处理和酶水解获得，经过炼制可以生产几乎所有我们需要的化学品和解获得，经过炼制可以生产几乎所有我们需要的化学品和能源（图能源（图2.4）。）。木质纤维素给料（木质纤维素给料（LCFLCF）谷物（稻草、糠），木质纤维素生物质（芦苇、芦苇草），谷物（稻草、糠），木质纤维素生物质（芦苇、芦苇草），林业生物质（灌木、木材），造纸和纤维素业固体残渣林业生物质（灌木、木材），造纸和纤维素业固体残渣木质纤维素（木质纤维素（LCLC）木质素木质素( (酚类聚合体酚类聚合体) )半纤维素半纤维素( (戊糖，己糖戊糖，己糖) )纤维素纤维素( (葡聚糖葡聚糖) )木木

11、糖糖植物胶植物胶（增稠剂、黏合（增稠剂、黏合剂、防护剂、乳剂、防护剂、乳化剂、稳定剂）化剂、稳定剂）纤维素纤维素葡萄糖葡萄糖发酵产品发酵产品（燃料：乙醇（燃料：乙醇有机酸：乳酸有机酸：乳酸溶剂：丙酮、溶剂：丙酮、丁醇等）丁醇等）天然黏合剂天然黏合剂低沥青木炭低沥青木炭固体燃料固体燃料（富含硫）（富含硫）铁石棉铁石棉（糖的替代品）（糖的替代品）糠糠 醛醛尼尼 龙龙化工产品化工产品呋喃树脂呋喃树脂5-5-羟甲基糠醛羟甲基糠醛乙酰丙酸乙酰丙酸润润 滑滑 剂剂软化剂、溶剂软化剂、溶剂化学品和聚合物化学品和聚合物图图2.4 2.4 木质纤维素的生物炼制示意图木质纤维素的生物炼制示意图2.2 2.2 生物

12、炼制基本内涵生物炼制基本内涵 生物炼制的过程就是对原料的生物转化和化学品合成生物炼制的过程就是对原料的生物转化和化学品合成的过程，其中主要包括生物工程、化学工程、分离工程及的过程，其中主要包括生物工程、化学工程、分离工程及过程控制工程等。生物炼制针对生物质原材料、工业媒介过程控制工程等。生物炼制针对生物质原材料、工业媒介及最终产品三部分联合了所必需的技术。及最终产品三部分联合了所必需的技术。2.2.1 2.2.1 生物工程生物工程 生物炼制是以生物转化为主要的生产过程，它是以生物生物炼制是以生物转化为主要的生产过程，它是以生物质（主要为纤维素、淀粉等）为原料，经过微生物的生物体实质（主要为纤维

13、素、淀粉等）为原料，经过微生物的生物体实现物质的代谢转化得到人类所需要的化学品。现物质的代谢转化得到人类所需要的化学品。具备高转化率和具备高转化率和高耐受性的菌种是该过程的主要影响因素，引进和培育高效转高耐受性的菌种是该过程的主要影响因素，引进和培育高效转化生物是今后工作的重点之一。化生物是今后工作的重点之一。2.2.2 2.2.2 化学工程化学工程 化学工程已经广泛地应用在当前生物炼制的工艺中，美化学工程已经广泛地应用在当前生物炼制的工艺中，美国能源部实施的国能源部实施的6个生物炼制示范工厂中最先投入工业化实验个生物炼制示范工厂中最先投入工业化实验运行的是位于美国内布拉斯加州的乙醇生产厂，这

14、个年产运行的是位于美国内布拉斯加州的乙醇生产厂，这个年产1500t的工业示范装置中所使用的纤维质原料预处理技术是美的工业示范装置中所使用的纤维质原料预处理技术是美国国家可再生能源实验室的国国家可再生能源实验室的稀酸法稀酸法，即用化学方法先对原料质，即用化学方法先对原料质进行预先的处理过程。事实上不仅在预处理中，在进行预先的处理过程。事实上不仅在预处理中，在化学品的分化学品的分离及提纯过程离及提纯过程中化学工程都是必不可少的。中化学工程都是必不可少的。2.2.3 2.2.3 分离工程分离工程 生物转化后得到的物质必须经过进一步的分离纯化才可生物转化后得到的物质必须经过进一步的分离纯化才可以成为商

15、品，离子交换法、吸附法、色谱法等都是当今生物炼以成为商品，离子交换法、吸附法、色谱法等都是当今生物炼制行业常用的分离方法，其中，生制行业常用的分离方法，其中，生物反应器工程物反应器工程贯穿于生物过贯穿于生物过程与分离过程始末，在糖工业和甜味料行业用处广泛。合适又程与分离过程始末，在糖工业和甜味料行业用处广泛。合适又巧妙地运用分离过程可以在很大程度上减少生产的成本。巧妙地运用分离过程可以在很大程度上减少生产的成本。2.2.4 2.2.4 过程控制工程过程控制工程 过程控制工程是对整个生物炼制工艺的控制要求，它涉过程控制工程是对整个生物炼制工艺的控制要求，它涉及各个环节中的设备控制参数及环节间结合

16、匹配的控制要求。及各个环节中的设备控制参数及环节间结合匹配的控制要求。过程控制是实现产业化必须解决的难点之一，在保证各个环节过程控制是实现产业化必须解决的难点之一，在保证各个环节实现最大转化率的同时，实现最大转化率的同时，稳定而又高效的整体控制稳定而又高效的整体控制是进行产业是进行产业化的前提和关键。化的前提和关键。2.3 2.3 生物炼制发展现状生物炼制发展现状2.3.1 2.3.1 生物能源生物能源 世界各国很早就已经认识到化石资源带来的未来能世界各国很早就已经认识到化石资源带来的未来能源问题，美国源问题，美国20022002年制定了年制定了“生物质技术路线图生物质技术路线图”，并，并计划

17、计划20202020年使生物质能源和生物基产品较年使生物质能源和生物基产品较20002000年增加年增加1010倍，达到全国能源总消费量的倍，达到全国能源总消费量的25%25%（20502050年达到年达到50%50%）。）。2.3.1.1 2.3.1.1 燃料乙醇燃料乙醇 20 20世纪世纪7070年代第二次石油危机之后，世界各国为减少对年代第二次石油危机之后，世界各国为减少对石油的依赖，纷纷开始研究乙醇汽油。目前这一领域的领石油的依赖，纷纷开始研究乙醇汽油。目前这一领域的领跑者是美国和巴西，跑者是美国和巴西，巴西巴西更是唯一在全国范围内使用乙醇更是唯一在全国范围内使用乙醇汽油的国家。汽油的

18、国家。美国美国有有101101家乙醇生产厂，在建家乙醇生产厂，在建3737个乙醇厂，个乙醇厂，计划增产计划增产675675万吨。万吨。印度印度从从20032003年起实行燃料乙醇试点，年起实行燃料乙醇试点，20102010年以后，将比例提高到年以后，将比例提高到10%10%，到，到20202020年达到年达到20%20%。我国我国在在2121世纪初，国务院决定在吉林、辽宁、安徽、河南等四世纪初，国务院决定在吉林、辽宁、安徽、河南等四省以陈化粮为原料进行燃料乙醇的规模化生产，年生产能省以陈化粮为原料进行燃料乙醇的规模化生产，年生产能力达力达102102万吨。万吨。2.3.1.2 2.3.1.2

19、生物柴油生物柴油 生物柴油是一种以动植物油脂为原料，经过酯交换反生物柴油是一种以动植物油脂为原料，经过酯交换反应（碱、酸或酶催化）加工而成的清洁可再生的脂肪酸甲应（碱、酸或酶催化）加工而成的清洁可再生的脂肪酸甲酯（酯（FAMEFAME）或脂肪酸乙酯（）或脂肪酸乙酯（FAEEFAEE）燃料，目前生物柴油主）燃料，目前生物柴油主要以植物油为原料与甲醇发生酯交换反应得到脂肪酸甲酯。要以植物油为原料与甲醇发生酯交换反应得到脂肪酸甲酯。 全球生物柴油生产主要集中在欧盟和美国。全球生物柴油生产主要集中在欧盟和美国。20052005年全年全球生物柴油产量球生物柴油产量400400万吨。欧洲主要以菜籽油、美国

20、主要万吨。欧洲主要以菜籽油、美国主要以豆油为原料生产生物柴油。以豆油为原料生产生物柴油。2.3.1.3 2.3.1.3 生物制氢生物制氢 氢作为一种清洁的新型能源，从氢作为一种清洁的新型能源，从2020世纪世纪7070年代起就引年代起就引起了世界各国的重视，各国政府也是推动氢能经济的主要起了世界各国的重视，各国政府也是推动氢能经济的主要力量，力量，日本、欧洲、美国日本、欧洲、美国都构建了自身的氢能源路线图，都构建了自身的氢能源路线图，计划计划2020202020502050年全面推动氢能经济的实施。年全面推动氢能经济的实施。中国中国的氢能的氢能燃料电池汽车燃料电池汽车“863”863”计划也已

21、完成验收。计划也已完成验收。 传统上传统上90%90%以上的氢气都以化石燃料为能源，以天然以上的氢气都以化石燃料为能源，以天然气、轻油馏分为原料通过气化重整的工艺生产的，电解水、气、轻油馏分为原料通过气化重整的工艺生产的，电解水、气化煤等工业上也比较常用。气化煤等工业上也比较常用。目前氢气还没有在以可再生目前氢气还没有在以可再生资源为原料的生产方面实现突破。生物制氢技术包括光驱资源为原料的生产方面实现突破。生物制氢技术包括光驱动过程和厌氧发酵两种路线，前者利用光合细菌直接将太动过程和厌氧发酵两种路线，前者利用光合细菌直接将太阳能转化为氢气，而后者采用的是产氢菌厌氧发酵的方式。阳能转化为氢气，而

22、后者采用的是产氢菌厌氧发酵的方式。2.3.1.4 2.3.1.4 丁醇丁醇 丁醇是已经被一些专家注意到得比乙醇更加优越的丁醇是已经被一些专家注意到得比乙醇更加优越的燃料替代品，可再生碳水化合物用于丙酮燃料替代品，可再生碳水化合物用于丙酮- -丁醇发酵是相丁醇发酵是相对较成熟的技术，在苏联时期的俄罗斯就用木质纤维素对较成熟的技术，在苏联时期的俄罗斯就用木质纤维素水解物发酵丙酮水解物发酵丙酮- -丁醇。和乙醇汽油一样将在未来市场上丁醇。和乙醇汽油一样将在未来市场上出现丁醇汽油燃料，是替代石油燃料的又一条出路。出现丁醇汽油燃料，是替代石油燃料的又一条出路。2.3.2 2.3.2 生物材料生物材料 聚

23、羟基脂肪酸酯（聚羟基脂肪酸酯（PHAPHA），是很多微生物合成的一种），是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料，它具有良细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料，它具有良好的生物相容性、生物可降解和塑料的热加工性能，同好的生物相容性、生物可降解和塑料的热加工性能，同时可作为医用材料和生物可降解包装材料。时可作为医用材料和生物可降解包装材料。 聚乳酸（聚乳酸（PLAPLA）是以发酵法生产的乳酸为原料，并进）是以发酵法生产的乳酸为原料，并进一步合成的用于包装的生物材料。美国一步合成的用于包装的生物材料。美国CargillCargill公司采用公司采用发酵技术生产发酵技术生产L-L-乳酸，然后生产聚乳酸，它是未来用作乳酸，然后生产聚乳酸，它是未来用作食品袋等包装材料的卫生环保的生物塑料，将具有非常食品袋等包装材料的卫生环保的生物塑料，将具有非常广阔的市场前景，广阔的市场前景，20042004年产量已达到年产量已达到1414万吨万吨2.3.3 2.3.3 精细化学品精细化学品 利用生物质原料，除了可以生产乙醇等燃料化学品利用生物质原料，除了可以生