生物工程在能源中的作用

生物工程在能源问题中的应用

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( XX班学号:XXXXX )

摘要:随着社会的发展,人们对能源的需求日益增加。但传统的化石能源的储

备量在地球上是有限的,因此开发新能源十分有必要。本文简述了我国的能源问题,并就生物工程在解决能源问题中的应用做了简介。

关键词:生物工程能源问题能源植物微生物工程

Abstract: With the development of society,the demand of energy consumption increases day by day. But the reserve of traditional fossil fuel is limited; therefore, it is essential for us to develop new energy. This article resumes the energy problem of China, and gives a brief introduction of solving energy problem by using bioengineering.

Key words: Bioengineering Energy problem Energy plant Fermentation engineering

1.生物工程简介

以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目

的的新技术就是生物工程。[1]生物工程主要包括了基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程。与传统理化技术相比,生物工程的特点是,利用生物资源的可再生性,在常温常压下生产产品,从而节约了资源和能源,并且减少了环境污

染。

2.能源与能源问题

2.1 能源简介

能源就是向自然界提供能量转化的物质。从能源的来源上看,无非是有三种:一种是来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)。地球上大量能源物质如纤维素、淀粉等本质上就是太阳能转化的。第二类是地球本身蕴藏的能量,主要是地热能和原子核能。第三类地球和其他天体相互作用而产生的能量,如潮汐能。能源在我们社会生活中扮演着重要的作用,江泽民指出,能源是我国经济社会发展的重要制约因素,事关经济安全和国家安全。[2]

2.2 我国的能源利用现状

我国能源资源有以下特点[2]:能源资源丰富,人均占有量少。能源建设不断加强,能源效率仍然较低。能源生产迅速增长,生态环境压力明显。能源消费以煤为主。能源需求继续增加,可持续发展面临挑战。

2.3 能源安全

中国能源安全所面临着新挑战[3]:首先,中国超过美国成为全球最大的能源消费国,能源进口需求逐年增长。其次,中国对外能源投资从无到有。维护本国海外投资利益,已成为中国构建新的国际关系的重要考量。为解决中国的能源问题,不仅需要政府搞好外交,定位“友善中国”形象,提升中国的亲和力,大力发展文化外交,建立优质文化形象,打造具有中国特色的民族传播品牌,[4]还需要中国自己发展清洁的新能源。

3.能源植物

3.1 我国的能源植物资源

能源植物是指那些具有合成较高还原性烃能力的植物,它们是可产生类石油成分,可代替石油使用或作为石油补充产品,以及富含油脂的植物。[5]根据植物所含化学成分不同,可将其分为富含碳水化合物型能源植物,如甘蔗、高粱、甜

菜、玉米等,富含油脂型能源植物,如油菜籽等富含石油(烃)型能源植物,如麻疯树、棕榈、油楠、光皮树、黄连木等。

3.2 生物技术在能源植物中的应用

利用生物技术,有效地利用种植资源,遗传改良现有能源植物物种,从而实现规模化种植,是能源植物研究利用的主要方向。例如,付小根就报道过,有人用基因工程手段创造麻风树的新种质,并用植物组织培养技术对麻风树的优良品系进行离体保存和快繁。[6]

4.微生物工程与清洁能源

4.1 微生物资源

生物资源是指对人类具有实际或潜在用途或价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系统中任何其他生物组成部分。发展生物技术,其中心技术是微生物工程技术的发展,微生物工程技术的发展必然涉及到微生物资源的开发与利用问题。[7]微生物具有个体微小、繁殖快、分布广、代谢快等生物学特性,资源再生转化中其效率远远大于动植物, 有利于在短时间内把大量基质转化为

有用产品, 利于实现工业化生产。[8]微生物资源在能源开发上有重要作用。

4.2 微生物制氢

氢能被誉为终极清洁能源,热值是汽油的3 倍、酒精的3.9 倍、焦炭的4.5 倍。H2的燃烧产物只有水。世界各国将氢能以及燃料电池的相关技术确定为保证经济持续发展、维护国家能源安全的重要技术。[9]产氢微生物主要有两个类群:一

类是藻类和光合菌在内的光合微生物,一类是兼性厌氧或专性厌氧的发酵产氢微生物。前者可在一定条件下通过光解水产生氢气,而后者通过酵解有机物产生氢气。[10]尽管微生物制氢有着广阔的前景,但也有着三大难以解决的技术难题:

1)微生物,特别是光合微生物制氢速率较慢。2)发酵过程中的氢气不易提取。

3)提取出的氢气不易储藏。有的科学家用基因重组技术改良微生物,以大幅度地提高微生物生产氢气的能力。[11]

4.3 微生物发电

微生物燃料电池,是微生物技术与电池技术相结合的产物,利用微生物整体为

催化剂催化燃料转化为电能的装置。微生物电池有普通电池不能达到的优点[12]:1)燃料来源多样化,各种有机物、无机物都可以作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等作为原料。2)操作条件温和,常温、常压、pH中性条件下即可工作。3)无污染,可实现零排放。4)能量利用的高效性,微生物燃料电池是将来热电联用系统的重要组成部分,使能源利用率大大提高。5)生物相容性:利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。因此,细菌发电的前景十分诱人。

4.4 微生物与沼气

沼气又叫做生物气,是一种混合可燃气,主要成分是甲烷,另外有部分CO2和少量H2、N2等气体。我国的沼气工程有气候条件优良、农业资源丰富、技术力量雄厚、经济效益明显等优势[13],所以我国农村沼气池发展势头很好,中国已成为世界上最大的农村户用沼气池保有国。[14]据测算,一口8m 3的沼气池,每年可产生

385m3沼气和20t以上沼肥,相当于节约煤炭0.5t和节化肥0.2t,从而使农民获得显著增收节支和提高生活水平。[15]当然,我国的沼气工程也存在一些问题,但这些问题不是工艺和设备的问题,而主要是政策和制度上的问题,比如,小型沼气工程建