生物技术与能源 (1)

未来石油的替代物—乙醇
• 生产乙醇燃料的意义及生化机理 • 乙醇替代石油的案例 • 乙醇替代石油所用的原材料和所面临的问题 • 纤维素发酵生产乙醇
生产乙醇燃料的意义及生化机理
意义：
产能效率高；
在燃烧期间不生成有毒的 一氧化碳，其污染程度低于 其他常用燃料所造成的污染；
可通过微生物大量发酵生产，其成本相对低些。因而 这项技术很容易被人们所采纳和推广。
生物技术与能源
石油
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可再生 能源
地热能
生物能
生物技术与能源
微生物与石油开采 未来石油的替代物—乙醇 植物“石油” 甲烷与燃料源 未来新能源
微生物与石油开采
• 微生物勘探石油 • 微生物二次采油 • 微生物三次采油
微生物勘探石油
1937年，地质科学工作者在进行直接分 析底土(原生风化土)中的烃含量(气测法)，并 用于判断地下油气的储存量时，发现油区底 土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。 这种依季节而变的起因是由于微生物活动引 起的。因而提出了油气田中的气态烃可借扩 散方式抵达地面，及地表底土中存在能利用 气态烃为碳源的微生物等看法。此外，这些 菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对 应的关系，所以可作为勘探地下油气田的指 示菌。从20世纪40年代到60年代期间，随着 微生物培养技术及菌数测定方法的不断改 进，利用微生物勘探石油这项技术得到迅速 发展。
微生物二次采油
微生物二次采油
• 例如，磺弧菌属和梭状芽胞杆菌属中的许多微生物 能在油层上生长繁殖，它能代谢产生一定量的酸及 H而2使、油CO田2中等剩气余体的，油改继善续油向层上的喷黏。度试及验增结加果气表压明，，从 微生物技术处理后的采油量可提高20％～ 25％， 有时甚至高达30％～34％。
工 业 发 酵 上 常 用 的 菌 株 有 ： 啤 酒 酵 母 (S. cereuisiae)中的德国1号和12号及台湾3%号、葡萄 汁酵母(S. uvarum)等。
生产乙醇燃料的意义及生化机理
生化机Байду номын сангаас：
通常乙醇发酵所需的原料依所使用的菌株而 定。己糖发酵所用的菌株主要是酵母菌，可进行 发酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、甘露糖及半乳 糖也能被利用。一般认为半乳糖比另外三种糖更 难发酵。如果是用淀粉类的多糖，则必须先水解 成单糖后才能被发酵。淀粉的糖化通常是利用米 曲霉或黑曲霉，糖化后再接种酵母菌进行酒精发 酵。酵母菌发酵乙醇的生化过程是采用厌氧途径。
等，其中影响最大的是硫酸盐还原菌。该菌能把硫酸盐还原成H2S。H2S与 亚铁化合生成FeS黑色沉淀。此外，该菌还能使硫酸盐和含钙的盐类生成 白色的硫酸钙沉淀。这些沉淀物很容易引起地层堵塞现象，它不仅影响采 油量，还可能使整个油井报废。
消除微生物所造成的地层堵塞的有效方法之一是采用酸化的方法，在 注入油田的水中加入能产酸并能在地层发酵生长的微生物，通过微生物代 谢产酸来消除地层堵塞现象。此外也可以用产酸菌大量发酵含酸性的代谢 产物，例如柠檬酸等，然后把这酸性物质加入到即将注人油田的水中，提 高注入水的酸度，从而减轻地层堵塞现象，提高采油率。
此外，利用微生物发酵产物作为稠化水驱油的目的是进 一步降低石油与水之间的黏度差，减轻由注人的水不均匀推 进所产生的死油块现象，让注入水在渗透率不一致的油层中 均匀推进，增加水驱的扫油面积，从而提高油田的采油率并 还能延长油井的寿命。
微生物三次采油
在油层中就地生长的细菌的代谢物驱替原油示意图
本源微生物驱油原理示意图
微生物勘探石油
石油中的甲烷、乙烷和丙烷组成了石油中的 气相成分。在石油蕴藏地区，这些气体可以冒到 地表，并能为专一的烃利用细菌的生长提供营养。 所以，当一些地方发现有这类细菌大量生长时， 就提示着这些地区附近可能有石油沉积。但甲烷 分解细菌并不是一个良好的指示菌，因为在生物 学的许多代谢过程中，均能产生甲烷，故甲烷的 存在并不提示着一定有石油存在。而乙烷由于生 物学上并不大量产生，因此，乙烷的出现就指示 着有石油蕴藏在附近地区。所以乙烷分解细菌常 作为探明石油矿藏的一个指标。
微生物二次采油
基本原理： 利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸
性物质及H2、CO2及CH4等气体的生理特点。微 生物产气可增加地层压力，提高采油率。而且微 生物产生的酸性物质可溶于原油中，降低原油的 黏度，使原油能从岩层缝隙中流出而聚集，便于 开采。此外，微生物还可产生表面活性剂，降低 油水的表面张力，把高分子碳氢化合物分解成短 链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输 油通道。
微生物三次采油
基本原理：
主要是利用微生物分子生物学技术，来构建能产生大量 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，把这些菌体连同它们所需的培养基一起注入到油 层中，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。
微生物三次采油
地层堵塞是降低采油量的一种常见的现象，其原因是在注入油田的水 中含有各种各样的微生物，其中能利用石油的微生物种类较多，再加上油 田中存在着某些微生物生长的良好环境，因而大量菌体繁殖及菌体代谢产 物的沉积，造成了地层渗透率发生变化，并造成地层堵塞，影响产油量。 影响地层渗透率的主要菌群有硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌、硫细菌
• 美国德克萨斯州一口40年井龄的油井中，加入蜜糖 和微生物混合物，然后封闭，经细菌发酵后，井内 压力增加，出油量提高近5倍。澳大利亚联邦科学 研究院和工业研究所组织的地学勘探部也曾利用细 菌发酵工艺使油井产量提高近50％，并使增产率保 持了一年。英国某公司也曾在英格兰南部的石油开 发区中用细菌发酵技术使产油率提高近20％。
生产乙醇燃料的意义及生化机理
• 生化机理： 乙醇发酵所需的原材料可选用蔗糖或淀粉，
发酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰 富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶， 能将蔗糖水解为单糖(葡萄糖、果糖)。酒化酶是 胞内参与乙醇发酵的多种酶的总称，单糖必须透 过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作用下进行厌 氧发酵并转化成乙醇及CO2，而后乙醇及CO2通 过细胞膜被排出体外。