生物技术与能源PPT课件.ppt

1、学习目的 了解生物技术在能源生产中的应用。领会生物能源的概念及种类。掌握生物制备能源的各种方法。,10 生物技术与能源,本章概要,生物技术在能源生产中的应用,生物能源的概念及种类,什么是能源？,生命的能源 机械的能源 不可再生能源：石油、煤炭、天然气 可再生能源：太阳能、风能、地热能、水能、生物质能,一、生物技术在能源生产中的应用,1 微生物技术与石油开采 1.1 勘探石油的方法 地震法、地球物理法和地球化学法 微生物法,1.2 微生物石油勘探技术的实验依据,油区底土中的重烃含量与季节变化存在一 定联 系，这种联系与微生物相关。 抗血清筛选土壤中利用烃的微生物。,1.3 微生物二次采油技术,采

2、油基本原理：油层自身（一次）或外在的压力(二次） 强化注水，增加压力（由30%增加到40-50%） 微生物产气，增加压力（由30%增加到50-65%） 采用效率和成本,1.4 微生物三次采油原理与效率,原理：利用微生物分子生物学技术构建能产生大量CO2和甲烷等气体的基因工程菌株或选育能提高产气量的高活性菌株。 目的：目的是让这些工程菌能在油层中不仅产生气体增加井压, 而且还能分泌高聚物, 糖酯等表面活性剂, 降低油层表面张力, 使原油从岩石中、沙土中松开, 黏度减低, 从而提高采油量。 效率：进一步提高采油量15%30%。,1 未来石油的替代物乙醇,乙醇作为燃料的益处 不含有毒物质 不生成一氧

3、化碳,乙醇燃料汽车,1.1 生产乙醇燃料的生化原理,糖代谢与乙醇生成,1.3 传统的乙醇发酵,常用原材料: 蔗糖或淀粉 微生物: 酵母菌 关键酶: 糖水解酶和酒化酶,酵母菌,巴西 太阳能转化为化学能的化学材料中最理想的是甘蔗。它产能有效系数高达2.6%（理论值6%）。据有关资料报道，每公顷耕地平均可产甘蔗干物质35到40吨，所产生的能量相当于14.5吨石油或24到26吨煤所产生的热值。,乙醇替代石油的案例,巴西早期乙醇生产情况,产量（10亿升）,A.用于化学工业的乙醇产量; B.用于汽油混合和替代品的乙醇产量,乌拉圭靠种植65万公顷的甜高粱并用于发酵生产酒精，其产量可替代大约45%的石油。 非

4、洲的马拉维杜瓜酒厂早在1982年就投生产乙醇并用于燃料，它的年产量为1000万升，而该国每年每所需的汽油量仅5000万升，可满足市场所需汽油量的20%。,乙醇替代石油的案例,发达国家也种植一些是何其本国气候的燃料农作物。像澳大利亚，美国，瑞士和法国，也开始利用大量农作物剩余物和森林的废弃物发酵乙醇。 根据有关研究报道用乙醇来代替石油的做法还有很多间接的好处。如把乙醇加入到汽油中，可消除对十四乙基化合物的需求。此外，用乙醇发动机作为动力机，所排出的碳氢化合物比使用石油少64%。 因而可知，使用乙醇燃料不仅仅起着代替石油的作用，而且对环境保护也起到积极的作用。,乙醇替代石油的案例,乙醇代替石油所用

5、的原材料和所面临的困难,在当前世界人口相当密集的时代，可利用的土地资源日益减少，粮食供应仍是一大问题。 粮食成本较高，这样就可能增加生产乙醇的成本，使乙醇价格明显高于石油价格。,1.4 乙醇代替石油的困境第二代燃料乙醇,1.5 纤维素发酵生产乙醇,生产乙醇原材料化学降解技术 生产乙醇原材料酶解法降解技术 葡聚糖内切酶(ED)、 纤维二糖水解酶(CHB) -葡萄糖酶(GL) 微生物混合发酵法,植物“石油”一、产“石油”的树,植物界中有许多生物技术产“石油”的树 野生产油灌木具有一定遗传变异特性，可通过常规育种技术完全有可能培育出抗寒、高产及抗病虫害的“石油树” 发现越来越多的产油树,橡 胶 树,

6、牛 奶 树,三角大戟,想象的“石油树”,苦配巴,银合欢,油 楠,“石油”挂满枝头（麻风树）,桉 树,黄 鼠 草,柳 树 稷,巨 能 草,二、油料植物,许多植物均能提取出植物油 在我国的进展 在欧洲许多国家用菜油为原料制取生物柴油的规模化,向 日 葵,椰 子,棕 榈,花 生,巴巴苏坚果,油菜籽,利用油菜籽提取生物柴油：,利用油菜籽提取生物柴油，是在国内外首次提出的共沸蒸馏酯化转酯化生物柴油生产技术，此项技术不仅可以从菜籽油、大豆油等植物油中提取生物柴油，更可以利用地沟油、煎榨废油等废弃油脂来提取生物柴油，转化率高达98以上。 它与传统生物柴油最大的不同在于：传统的方法是先将油菜籽榨成菜籽油，再把

7、菜籽油转化为生物柴油，这两道工序原料浪费大，环境污染物多。,在提取过程中，华中农业大学油菜籽深加工研究专家吴谋成教授吴教授又创造性地加入了一种高活性的“酯交换固体催化剂”，使原来不易分离的油物质变得容易分离，从而把生产过程中的废水和废酸液降到最低，避免了环境污染，同时得到高质量的生物柴油和甘油产品。 提取生物柴油后形成的生产“废料”饼粕，还有着极高的营养价值和经济价值，根据吴谋成进一步研发的成果，这种饼粕可以大量提取饲用浓缩蛋白，回收和制备菜籽多糖、菜籽多酚、植酸，其产值和利润比饼粕高几十倍。目前，饼粕综合提取程序已经在华农投产并产生巨大效益。,三、藻类产油,藻类能产生大量的脂类，可用来制造柴

8、油及汽油。 国际上制造生物柴油的主要技术有三种：化学合成法、生物酶解法、工程藻类技术,早期，英国新科学家曾报道，美国设在科罗拉多州的太阳能研究所用一个直径20m的池塘养殖藻类，年产藻4吨多，可产油3000多升。 目前，这个研究组正从分子生物学角度，开发能产更多的油脂类的藻类，研究目标是想在2010年前，用藻类生产的汽油能提供美国机动车所用燃料总量的8一10。,硅 藻,扇 形 藻 （硅藻）,各 种 各 样 的 小 环 藻,工程藻类技术,“工程微藻”生产柴油，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条

9、件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。,传统可再生能源甲烷,厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产甲烷。 整个发酵过程分为三个主要步骤： 初步反应：利用芽孢杆菌属、假单胞菌属及变形杆菌属等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组分。 微生物发酵过程：低相对分子质量的可溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成有机酸。 甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲烷及CO2,二

10、、应用举例,我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7106生物气单位，相当于2.2 106吨煤的能量。 据报道国内农村正在使用的厌氧发酵反应器（沼气池）超过500万个。此外，工厂和大型畜牧场还有10000个大中型沼气池。,甲烷发酵,发酵池结构,甲烷生产原料,应用举例,在美国加州，采用牛粪生产甲烷能给一个工厂提供20000kWh的电能。美国一牧场建立一座反应发酵池，主体是一个宽30m，长213m的密封池，利用牧场粪便和其他有机废物等，每天可处理1640吨厩肥，每天可为牧场提供113000 m3的甲烷，足够一万户居民使用。 日本曾研究开发了一套“本地能源综合利用机械系统”。该系统由沼气发酵反应器、

11、发电设备、废物预处理器及有机肥料制作设备组成。这个系统每天可处理 34吨固态肥及3035 m3左右的液态肥，可为两台功率为140kW的发电机提供动力。,微生物转化残油和劣质煤生产甲烷,未来氢能源,燃烧产物为水，无污染,未来新能源-氢能,生物质制氢技术 以生物质为原料利用热物理化学原理与技术制氢，如生物质气化制氢，超临界转化制氢，高温分解制氢；基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇转化制氢。 利用生物途径转换制氢,如微生物发酵、直接生物光分解等。,常见的产氢微生物,产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类 常见产氢非光合微生物 厌氧菌： 巴氏梭菌、产气微球菌、雷氏丁酸杆菌、克氏杆菌等。 兼性厌氧菌： 大肠杆菌、

12、嗜水气单胞菌、软化芽胞杆菌、多粘芽胞杆菌等。,颤藻,产氢生化机理,叶绿体膜及氢化酶等组分混合反应产氢示意图,生物燃料电池,定义：所谓微生物电池就是利用微生物的代谢产物作为物理电极活性物质，引起原物理电极的电极电位偏移，增加电位差，从而获得电能的装置。,以霉为基础的生物燃料电池,生物燃料电池,1910年，美国植物学家potter把酵母或大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中，进行厌氧培养，其产物在铂电极上能显示出0.30.5伏的开路电压和0.2mA的低电流。 1962年，Rohrbock用葡萄糖为原料，利用低酸杆菌发酵所产生的氢来构建氢-氧型生物电池，所获得的电流仍然很低。 从20世纪50年代起，随着人类在航天领域的迅速发展，对生物燃料电池研究的兴趣日益增高。因而各种各样的燃料电池在不断的研究和报道。,产物生物燃料电池,美国宇航局曾为了解决宇宙飞船中宇航员排泄物处理的问题，采用芽孢杆菌处理尿液，使尿酸分解而生成尿素。然后用尿素酶分解生成氨。氨能使铂电极产生电流。 此外，如用100克重量的椰子作产气假单胞菌发酵的原料，并产生甲酸的代谢产物，其产物可产生10mA的电流，相应的电量可使半导体收音机工作5天。,去极化生物燃料电池,去极化生物燃料电池是利用分别固定在电极