中山大学生科院《生物技术学》课件四、生物技术与生物能源

1、生物技术与生物能源蒸时电石时信生时关于能源能源是人类社会发展之本。光合作用把太阳能富集并储存于有机物中。18世纪以来的工业革命以化石（矿物）能源为基础。能源开发技术转向风能、核能、水能、生物质能等可再生能源。生物技术与生物能源 随着以煤、石油和天然气为代表的矿物能源的不断探明和开采，人们越来越意识到当今社会面临的潜在能源危机。发展新能源，特别是生物质能源(Bioenergy)，已成为急需解决的重大科学技术及产业发展问题。 能源危机（1）化石能源不可再生；（2）化石能源对地球的严重污染；（3）化石能源储藏量日益减少： 全球石油储量（2002）：亿吨，按年均开采3亿吨，4050年用尽；煤炭100年

2、用尽。 油价在50-150美元/桶的高位运行，严重影响世界经济安全。我国的能源危机能源状况恶劣：我国人均能源资源不到世界平均值的1/2;石油人均不到世界平均值的1/10，储藏量仅占世界2，2020年枯竭；1993年起成为石油净进口国；年递增710；2004年进口石油近2亿吨，年增，占总需求40，2005年达50；我国的能源危机2007年产汽车约1000万辆；保有量为2000年三倍；2015年再多23倍；预计2010年耗油世界第二，2020世界第一；生产能力仅亿吨；二氧化碳第二大排放国，即将超越美国第一。生物质与生物能源生物质(Biomass):来源于生命有机体的全部物质，然而从其作为生物能源生

3、产看，则主要是指绿色植物（能源作物）通过光和作用产生以淀粉和木质纤维素为主要成分的生物大分子。生物能源(Bioenergy):目前主要指生物质发电(Biopower)和基于生物质生产的各种机动车液体燃料(Biofuels)、沼气等。 生物质能源是唯一可转化为液体燃料的可再生资源；是一种可显著降低环境中温室气体CO2和酸雨主要成分SO2的能源。植物基生物质原料生长过程中吸收CO2，其生产和使用不会导致环境CO2总量的净增长。适宜于生物能源生产的生物质 (1)糖质生物质 用于生物能源生产的糖质生物质主要是制糖过程产生的废糖蜜，一般含蔗糖为4050%，可直接发酵生产燃料酒精，作为机动车燃料或机动车燃

4、料的添加剂。(2)淀粉质生物质 淀粉质生物质包括谷物和薯类，如玉米、小麦、水稻、甘薯和木薯等，是粮食作物。 适宜于生物能源生产的生物质(3)木质纤维素类生物质 木质纤维素类生物质被认为是最丰富的资源。如大量农作物秸杆，林业生产中的残枝枯叶。存在问题，体现在： 1)能量密度低，导致采收和贮运的成本高； 2)季节性强，能源生产装置无法稳定运行。（4）能源作物(Energy crops) 采用植物基因工程技术，选育能量密度高、速生的能源作物品种，并合理种植和采收，将是未来生物能源发展的主要方向。 发展生物能源的益处 （1）生物能源是绿色可再生能源,能够保障社会的可持续发展;（2）对环境友好的清洁能源

5、 ;（3）减轻对进口石油的依赖，保障国家能源安全； （4）促进农产品深加工产业发展。丰富的生物能源地球每年生长的生物能源总量为14001800亿吨（干重）；10倍于总耗能；我国的生物能源丰富：每年生产的生物质资源超6亿吨标准煤； 至少50可开发利用；生物能源的主要研发领域（1）生物质发电 生物质发电是最直接、最简单的生物能源生产方式。目前在美国已经形成了7，000MW的装机容量，年370亿kwh的发电量，消耗约6000万吨生物质。预期到2020年，全球范围生物质发电的装机容量将达到30，000MW。 (1)生物质发电直接燃烧生物质发电 ；生物质与煤共燃烧(Cofiring)发电 ；生物质气化(

6、Gasification)： 先将生物质转化成合成气(Synthesis gas)或甲烷/沼气(Methane)，由于燃气驱动的气轮机发电。生物能源的主要研发领域(2)生物燃气源如甲烷/沼气可通过芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、变性杆菌属(Proteus)等厌氧发酵，将纤维素、脂肪、蛋白等粗造有机物转化产生。我国农村曾推广沼气生产，目前每年沼气产量约相当于300万吨煤炭。生物能源的主要研发领域（3）生物燃料 生物燃料主要指燃料酒精(Fuel ethanol)和生物柴油(Biodiesel)，也包括一些基于生物质生产的醚类、脂类和其他可用来驱动车辆的化学品。

7、 燃料酒精完全与现有加油设施相容，不会增加二氧化碳排放，是高效清洁可再生能源。燃料酒精的环保优势在汽油中添加一定比例的乙醇，也可提高汽油辛烷值、清洁引擎、使汽油燃烧更充分，尾气有害物质的排放量可减少25%40%。如在汽油里加入10%的酒精，汽车尾气排放一氧化碳减少30%以上，碳氢化合物减少15%左右。燃料酒精1、生产方法：微生物发酵；2、生产原料：糖/糖蜜、淀粉类、植物纤维；3、关键技术：菌种选育、降低工艺成本、污水处理；4、现状：已规模化生产（2005年产约3000万吨），以一定比例与成品油混配后供车辆使用。酒精生产基本工艺1、糖 （酵母）酒精2、淀粉 （水解、糖化酶）- 糖-酵母-酒精3、

8、纤维素-（水解酶）-糖-酵母-酒精4. 半纤维素-（水解酶）-木糖-（异构酶）-木酮糖-（酵母/细菌）-酒精燃料酒精生产工艺粉浆配制液化、糖化酒精发酵酒精精馏离心沉降多效蒸发糖化醪发酵醪全酒糟稀糟液湿 糟干燥处理DDGS浓缩液二氧化碳分子筛脱水变性处理燃料酒精 现有燃料酒精生产技术的工艺流程废糟液直接循环的比例低于30%能源作物单位面积酒精产量原料作物产量t/hm.a糖、淀粉%酒精产率 L/t酒精产量L/hm.a甘蔗7012.5705500玉米5694102025木薯40251506000甜菜45161004300燃料酒精在国外的应用情况燃料酒精在美国和巴西作为清洁能源已有20多年的历史。南非

9、、泰国、加拿大等国也开始试验燃料酒精。欧盟对开发生物能源高度重视，计划到2010年将可再生能源在能源消费结构中的比重从2005年的2提高到 。燃料酒精在巴西2亿人口，石油储量为世界的1；2006年产燃料酒精工厂340家，产量178亿升；2006年已取代巴西40的汽油消费；2006年巴西汽油价格美元/升；燃料酒精美元/升；燃料酒精成本过去十年由美元/升降为美元/升；燃料酒精在巴西巴西2002年开始生产“灵活燃料汽车”（能用乙醇、汽油等多种燃料）。2007年开始生产的新车将100属灵活燃料型，单纯使用汽油的汽车将完全退出市场。 巴西圣保罗市的大气污染十年内已减少75。巴西一望无际的甘蔗田 收割机正

10、在田里收割甘蔗 巴西是最大的燃料酒精生产国1976年至2003年，甘蔗年产量从1亿多吨增长到亿吨，单位面积产量从每公顷50吨提高到70吨，每公顷甘蔗提炼的燃料乙醇从2204升提高到5500升。全国有370多家甘蔗加工厂，燃料酒精年产量为180亿升；巴西正在新建70个甘蔗燃料酒精工厂，到2010年，甘蔗加工能力将达5亿吨 ；巴西燃料酒精生产厂“能源农业将是巴西的出路”2005年9月，巴西农业部长罗德里格斯撰文指出，当今世界石油时代行将结束，生物能源将成为被广泛运用的新能源。这为拥有生物能源技术和充足土地资源的巴西，提供了一个具有巨大商机的出口市场，“能源农业将是巴西的出路”。 燃料酒精在美国美国

11、国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Lab, NREL)；2006年美国的产量达180亿升，占市场45 。其中约10用作增氧剂，由于汽油增氧剂MTBE（二甲基叔丁基醚）半衰期长，导致水的污染和潜在的致癌危险，已在美国被禁止使用。燃料酒精在美国美国会2005年8月颁布了能源法案，确定生物能源增长指标；2012年燃料酒精产量超280亿升；美国总统布什在2006年度的国情咨文中提出，美国将从战略的角度考虑减少对中东的石油依赖，乙醇和其他的能源将逐步取代石油。燃料酒精在美国美国希望10年内降低20的石油用量，以生物能源替代；其研究生物能源的方向是美国的特产之一 玉

12、米 ；美国能源部支持的，投资亿美元建立的示范工厂，目前耗30的玉米，年产酒精亿升，成本为每升约美元。我国燃料酒精的研发酒精生产历史悠久，生物质丰富（如甘蔗、玉米、小麦等），可转化5000万吨酒精；“十五”开始安排的相关项目： 国家“十五”攻关“生物能源生成关键技术”课题；国家重点基础研究（973）；国家高技术发展计划（863）、国家自然科学基金等。我国燃料酒精的研发2006年1月1日，可再生能源法正式施行。该法将通过鼓励包括风能、太阳能、生物质能等非化石能源的开发和利用，来改善中国目前的能源结构，增加能源供应，保护环境，实现经济社会的可持续发展。2006年，国家发改委下发的“十一五”十大重点工

13、程实施意见也明确了节约替代石油为十大节能工程之一。我国燃料酒精的研发技术基本成熟，可已规模化生产：（1）选育出优良酵母菌株；（2）固定化连续发酵新技术,时间短1/2，指标提高50：终浓度1112；（3）已建立年产50万吨的大型乙醇精馏装置；（4）基因工程菌种取得重大进展。江门甘蔗化工厂我国燃料酒精的开发在我国南方纬度、气候与巴西相似，发展能源甘蔗有着得天独厚的自然资源条件，利用甘蔗生产乙醇的成本比用其他作物具有明显的优势。 甜高粱已经在黑龙江、山东、新疆、内蒙古、辽宁等省区进行试点种植，已形成年产3万吨甜高粱茎秆乙醇的生产能力。 燃料酒精生产成本以2006年东北地区为例：原料玉米：制造成本45

14、00元；税前成本：5100元；税后成本：5500元；实际完全成本：4700元；（扣减副产品如玉米油，饲料等），相当于石油60美元/桶的成本。燃料酒精的生产成本与利润以丰原集团为例：42万吨燃料酒精生产装置，总投资10亿元；两吨玉米可产一吨燃料酒精，600公斤酵母、饲料等，利润可达500元；年利润：42万 X 500亿元我国燃料酒精的研发(1)基因工程菌株的构建 利用替代粮食的纤维素类生物质的基因工程菌株，如木糖代谢相关基因（木糖还原酶、木糖脱氢酶、木酮糖激酶）的高效表达，木糖转化率达80。（2）高产乙醇发酵工业菌株的改造，降低副产物（甘油）60，乙醇耐受浓度提高一倍（大于30）。我国“十五”燃

15、料酒精规划十五期间我国酒精的年产量由30万吨增长到250万吨。已制定国家标准：变性燃料酒精（GB18350-2001),车用酒精汽油（GB18351-2001)。吉林燃料乙醇公司投产（年产30万吨）；河南天冠（ 30万吨）；安徽丰原（42万吨）；华润金玉（31万吨）；全国年产达107万吨。我国酒精工业的主要问题（1）规模小：年产万吨能力仅23家，国外企业达10万吨以上；（2）工艺落后：直接发酵，原料利用率底，国外多采用糖液发酵；（3）技术指标低：发酵液乙醇含量国内812，国外1216；（4）水污染问题：生产1吨酒精产生715吨废水，极少治理。燃料酒精生产的技术问题（1）扩大原料来源：植物纤维素

16、降解技术。纤维素酶基因工程超级菌种。 目前淀粉为主，巴西用甘蔗糖液，成本高。自然界植物纤维丰富，是地球上最大的可再生资源。（2）同步水解与发酵工艺 在一个反应器内完成水解与发酵，降低成本，但有关菌株有待改良。（2）同步水解与发酵工艺生物柴油柴油燃烧效率低，是主要空气污染源；生物柴油(Biodiesel):由动植物油经酯交换产生脂肪酸单酯，是优质的柴油代用品。生物柴油是一种用可再生植物油（小油桐油、菜籽油、花生油、棕榈油等）加工制取的新型燃料，优越性： 优良的环保特性，如B20使燃烧的悬浮颗粒减少70，一氧化碳48和黑烟的排放减少47 。较好的低温发动机启动性能和润滑性能 。较好的安全性能。 良

17、好的燃烧性能。具有可再生性。 世界能源植物开发植物原产生产量用途加工方式小油桐中国35t/hm柴油简单加工苦配巴巴西50桶/hm柴油无需加工香瑰欧美50桶/hm汽油加工黄鼠草美国26t/hm柴油加工小油桐果实及种子（从左至右依次为干果、种子、鲜果，其中每枚果实产种子2-3粒） 小油桐10月龄植株 小油桐花序 小油桐果实 小油桐（Jatropha curcas L.） 又名麻疯树、小桐子、绿玉树、芙蓉树、膏桐、黑皂、亮桐、臭油桐、青桐木、黄肿树、水漆、桐油树、假花生树等。野生状态下的植株果实一般一年一熟，在云南、广东、海南等气温较高地区一年两熟。小油桐种植当年即有部分植株开始结实，从第二年开始的

18、超过30年的时间里都能结种，第三年可投产，五年进入盛果期。两广、云贵、四川、海南地区有大面积山地、干热河谷等荒地适合种植开发小油桐。小油桐目前小油桐种子平均产量约400公斤/亩。小油桐种子含油率3040% 。小油桐生物柴油在不改变目前机械任何结构的情况下，不同机型的柴油机均无异常现象。小油桐种子含油量高，油脂流动性好，且与柴油、汽油、酒精的掺合性很好，混合后在长时间内不分离，因此小油桐作为亚热带最适宜的、可再生生物质能源，具有广阔的发展前景。小油桐柴油与柴油(S195)测试比较测试项目小油桐油柴油输出功率ps1212转速r/min20002000燃料消耗kg/h2.762.31排气颜色肉眼不可

19、见肉眼不可见利用小油桐生产生物柴油收益预测按每年亩产400公斤种子、种子出油率35%计算，每亩小油桐每年可产油约140公斤，参照上述植物油价格，可创造收入约700元。小油桐叶片及其榨油副产物的加工增值小油桐的叶、花和果实可制药：1) 催泻剂、消炎药膏等。2) 从小油桐种子中分离得到的泻果素（curcin）和从小油桐油中分离到佛波醇酯成分（PMA）均具有显著的抗癌活性，可用于开发攻克肿瘤的新药。小油桐全株均含有铁海棠碱成分，可生产生物农药，被广泛用于灭钉螺、防治血吸虫病及抗水库堤坝蛀虫。小油桐油可作为生产肥皂、润滑剂等的原料。小油桐种子榨油后的滤饼可作生物肥料。小油桐的生物技术研发试管苗快繁技术

20、：分别用叶片、叶柄、子叶、下胚轴作外植体，诱导得到了完整快繁小苗。可应用于小油桐的基因工程改良和生产脱毒苗。转化方法：农杆菌介导转化法；基因枪轰击转化法。品质改良：提高病虫害抗性、抗寒性、耐盐性，改良含油量、油分组成等品质。采用多种生物技术对小油桐进行遗传改良。提高种子产量提高种子含油量提高植株对病虫害的抗性提高植株抗对低温、干旱、盐碱等胁迫的抗性改进小油桐栽培技术。开发小油桐的药用价值小油桐种子苗小油桐愈伤组织从小油桐子叶再生植株生物柴油1、生产方法：化学法、酶催化法；2、生产原料：植物油、动物油（包括废油脂）；3、特点：油变油；4、关键技术：高油作物选育、高效脂肪酶制备、提高酯化率、降低工

21、艺成本；现状：国外已开始规模化生产，2005年全世界年产已达500万吨。生物柴油在巴西巴西主要是用大豆油、棕榈油、葵花油等为原料加工生产生物柴油，可添加在普通柴油中，作为卡车和柴油发电机的动力燃料。巴西是世界上能源农业成本最低的国家，每桶生物柴油的成本仅为26美元。只要石油价格超过每桶30美元，巴西生物能源的生产就有竞争力。生物柴油在巴西巴西2005年消耗柴油约382亿升，占燃料油消费总量的，其中10的柴油还需要靠进口。巴西大部分地区都适宜种植大豆、油棕榈、花生、蓖麻、向日葵等油料作物。仅在亚马孙地区，适宜种植油棕榈的土地就达5000万公顷。在未来10年，巴西有能力扩大甘蔗种植面积300万公顷

22、，新增油料作物种植面积600万公顷，从而形成能源农业的产业规模。 生物柴油在美国1983年美国Graham Quick用亚麻籽油的甲脂驱动发动机1000小时，脂肪酸单酯被取名“Biodiesel”,生物柴油诞生。目前美国有4家生物柴油生产厂家年，产量达到30万吨，主要产品为B20,主要用于公交车、公共部门车辆等。能源部计划：2010年达1200万吨。生物柴油在欧洲主要以油菜为原料，2004年产超250万吨；德国生物柴油消费量已达110万吨，成为全球使用生物柴油最多的国家;已建成8个以植物油为原料的生物柴油生产厂家；奔驰、宝马、大众等几大厂家的汽车均可使用；在欧洲生物柴油可免税，如德国的售价比普

23、通柴油低约12。欧盟计划： 2010年达8001800万吨。生物柴油在日本日本生物柴油年产量达2万吨。废食用油再生为主（如快餐店废食用油），生物柴油可免税。社区共车、食品配送车等。生物柴油在中国我国柴油需求为汽油的2倍，生物柴油刚起步，产品品质达到0、1#柴油标准。自主知识产权的生物柴油生产技术基本成熟，处于产业化前期，已建立万吨级生产厂家3家，年生产能力10万吨。制约因素（1）：原料昂贵；（2）转化工艺水平低。我国生物柴油的研发（1）脂肪酶的研究 有机合成用脂肪酶有使用条件温和、效率高、污染小等优点，目前被国外公司垄断。国内研发已选育出脂肪酶高产菌株，中试效果达8000单位/ml，回收率75的国际水平。（2）固定化脂肪酶生产工艺 研发的固定化脂肪酶催化油脂生产生物柴油工艺，植物油转化率96，废油脂92。2006年国家5部委（财政部、国家发展改革委员会、农业部