生物技术与能源

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10.5.2 生物燃料电池
10.5.2.2 去极化生物燃料电池
固定化大肠杆菌电池（引自 施安辉，1990） 1. 固定化大肠杆菌电极(阳极) ；2. 碳电极(阴极) ；3. 葡萄糖液； 4.磷酸缓冲液；5. 隔膜；6. 电流计；7. 记录仪
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复习思考题 １.简述开发新能源的必要性。 ２.如何利用微生物勘探石油和提高采油量？ ３.简述乙醇燃料能替代石油的依据。 ４.简述人工生产甲烷能替代天然气燃料的依 据。 ５.谈谈你对未来能源的见解。
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10.5.1.1 产氢的微生物
常见的放氢微生物 产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类 藻类：颤藻属(Oscilayoria) 螺藻属(Spirulina) 念珠藻属(Nostoc) 项圈藻属(Anabaena) 非藻类：绿硫菌属(Chlorobium) 颤藻 红硫菌属(Chromatium) 红螺菌属(Rhodospirillum)
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基因工程技术
把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶 基因和一个β-葡萄糖苷酶基因克隆在能产 生乙醇的菌株中，并研究该菌株利用纤维 素作原料的情况。 把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤 维素，但不能生产乙醇的菌株中。
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10.3 植物“石油”
10.3.1 能产“石油”的灌木 兰桉树 油楠的乔木 银合欢树 麻风树 黄鼠草
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10.5 未来新能源 10.5.1 氢能 10.5.1.1 产氢的微生物 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。
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10.5.1 氢能
10.5.1.3应用实例
产氢细菌连续流富集装置 A：配水箱； B：计量泵； C：反应器； D：搅拌机； E： 气体流量计； F： 碱收集瓶
10.5 未来新能源
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10.5.2 生物燃料电池 10.5.2.1 产物生物燃料电池
氢氧型大肠杆菌电池装置（引自 施安辉，1990）
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学习目的 了解人类如何利用微生物发酵工程技术,提 高石油的开采量、降低乙醇燃油及甲烷燃料的生 产成本,并设法提高产量及减少环境污染;了解人 工种植能产“石油”的树木及开发各种未来新能 源的途径, 以满足人类需能的要求。 掌握目前 人类如何利用生物技术提高产能量及开发新能源 的基本知识。
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10.1 微生物技术与石油开采
10.1.3 微生物二次采油技术

采油基本原理 采用效率和成本 微生物产气采油
风能发电
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10.1 微生物技术与石油开采
10.1.4 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%。
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10 生物技术与能源
主要参考文献 1. 李永峰.2006.生物制氢系统产氢菌的富集与培养技术.南京理工大学学 报.30（3）：365～370 2. 施安辉.1990.经济微生物.合肥：安徽科学出版社 3. 世界能源理事会.1998.新的可再生能源－未来发展指南.阎季慧等译.北 京：海洋出版社 4. 谢立华等.2005.油菜作为优势能源作物的发展潜力与展望.生物加工过 程.28（1）：28～41 5. 于洁等.2006.生物质制氢技术研究进展.中国生物工程杂志.26（5）： 107～112 6. 志梅.2002.生物化工新产品与新技术开发指南.北京：化学工业出版社 7. 仲海涛等.从废水中回收－微生物燃料电池与制氢技术.可再生能源.30 （3）：46～50 8. 周理.2005.氢与甲烷作为代油燃料之比较.23（2）：39～43 9. Higgins I.J.et al.1985.Bitechnology in Principle and Application. London:Blackwell Scientific Publications （黄河清编写）
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10.2 未来石油的替代物——乙醇
10.2.5 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) β-葡萄糖酶(GL) 微生物混合发酵法
巴西种植甘蔗发展乙醇燃料
10.2.5 纤维素发酵生产乙醇
酵母菌
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10.2.3 未来石油的替代物——乙醇
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
巴西的乙醇生产情况
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10.2 未来石油的替代物——乙醇
10.2.4 乙醇代替石油的困境
生产乙醇燃料的原材料 淀粉类 纤维素类 玉米 木材 高粱 木屑 小麦 废纸 大麦 森林残留物 木薯 农业残留物 土豆 固体废物 红薯 产品废物 糖类 蔗糖 甜高粱 糖蜜 甜菜 饲料甜菜 甘蔗 葡萄糖 其他 菜花 葡萄 香蕉 乳酪 乳浆 硫化废物
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10.4传统可再生能源——甲烷
10.4.2 应用举例 我国是沼气生产最大量的国家，生产量高 达7×106生物气单位，相当于22×106吨煤 的能量。 印度也是一个生产沼气的大国。按印度现 有沼气的发展计划及规模，预测到2015年 前，可建立1千万～2千万个沼气池，到时 印度的燃料源很可能以沼气为主。
10.3 植物“石油”
10.3.3 藻类产油 生产生物柴油的方法:化学合成法、生物酶 解法和工程藻类技术。 提高工程小环藻产油的途径： 设法提高乙酰辅酶A羧化酶在微藻细胞中 充分表达。 采用工程小环藻制造柴油的优势。
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10.4 传统可再生能源——甲烷
10.4.1 生产甲烷的生化机理 厌氧微生物生产甲烷途径 初步反应：利用芽孢杆菌属(Bacillus)、假 单胞菌属(Pseudomonas)及变形杆菌属(Proteus) 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。
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10 生物技术与能源
10.2 未来石油的替代物——乙醇 10.2.1 生产乙醇燃料的生化原理 10.2.2 乙醇作为燃料的益处 产能效率高 不生成一氧化碳 低成本
乙 醇 燃 料 汽 车
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10.2 未来石油的替代物——乙醇
10.2.3
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
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10.5.1.1 产氢的微生物
常见产氢的非光合微生物 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、嗜水气单胞菌、软化芽胞杆菌、 多粘芽胞杆菌等。
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10.5.1 氢能
10.5.1.2 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
麻风树(小桐子、青桐木 ）
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10.3 植物“石油”
10.3.2 油料植物 常见产油的植物 向日葵、棕榈、椰子、花生、玉米、白菜、 香蕉、胡萝卜、棉籽、油菜子和巴巴苏坚 果 提高植物产油量的途径 增加脂肪酸合成底物来提高油脂合成水平。 增加油脂合成途径的关键酶的基因表达。
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10 生物技术与能源
10.1 微生物技术与石油开采
10.1.1 微生物勘探石油


地震法、地球物理法和地球化学法
微生物石油勘探技术和优势 微生物石油勘探研究进展
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10.1 微生物技术与石油开采
10.1.2 微生物辅助采油技术和优势
微生物石油勘探技术和实验依据 油区底土中的重烃含量与季节变化存在一 定联 系。 抗血清筛选土壤中利用烃的微生物。
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10.4wk.baidu.com统可再生能源——甲烷
发酵池结构
家庭式甲烷发酵生产示意图
10.4传统可再生能源——甲烷
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原材料与甲烷产量
农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量 原料名称 每吨干物质产沼气量（m3） 猪粪 600 牲畜粪便 300 酒厂废水 500 废物污泥 400 麦秆 300 青草 630 甲烷含量/% 55 60 48 50 60 70