现代生物技术与能源

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生产甲烷的生化机制
• 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： ①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。
②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。
既能直接利用纤维素又能高产乙醇的基因工程菌，也是
潜在的最有发展前途的技术之一。
目前基因工程菌的构建主要采用两种技术路线：
①把能水解纤维素的葡聚糖内切酶基因、纤维二糖水解
酶、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。
②把能产生乙醇的基因克隆到能降解纤维素，但不能生
在实验室通过高温高压模 拟地球在几百万年中将藻 类转化为石油的过程。
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➢ 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 ➢ 未来新能源来自业务推广部44
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➢ 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
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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
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微生物二次采油
➢ 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。酸性物 质可溶于原油中，降低原油的黏度，使原油便于 开采。
➢ 效率：进一步提高采油量15%～30%。
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➢ 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
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➢ 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
早期英国《新科学家》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，研究目标是用藻类生产的汽油能提供美国机动
车所用燃料总量的8％～10％。
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最近美国西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory） 的科学家宣称，他们成功完善了一种 将藻类转化为原油的新工艺，方法是对藻类原料进行30分钟 的“高压蒸煮”。由此产生的是轻质低硫原油，可加入处理 化石原油的炼油炉，得到进一步的提炼。
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• 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。这65万公 顷土地只相当该国领土面积的4％，并不会影响用 于产粮和饲养牲畜所需的土地。
• 非洲的马拉维早在1982年就投产生产乙醇并用 于燃料。它的年产量为1000万升。而该国每年所需 的汽油量仅5000万升，可满足市场所需汽油量的20％。
3 可通过微生物大量发酵生产，其成本相对较低。 因而这项技术很容易被人们所采纳和推广。
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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，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
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石油
煤炭
不可再生 能源
天然气
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太阳能
风能
海洋能
水电能
可再生 能源
地热能
生物能
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甲烷与燃料源
• 甲烷气可产生机械能、电能及热能。目前甲烷已作为一种 燃料源，并可通过管道进行输送，供给家庭及工业使用或 转化成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。
• 天然气气源是由远古时代的生物群体衍变而来，通过钻井 开采获得的，是一种不可再生的能源。在地表也存在甲 烷，它主要来自于天然的湿地、稻根及动物的肠道内发酵 而释放的，其相对总量大约分别为20％、20％及15％。家 养的牲畜是动物释放甲烷的主要来源，大约占所有动物释 放甲烷量的75％。而人类仅占0.4％。
➢ 效率：采油量可提高20%～30%
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微生物三次采油
➢ 原理：选育或利用微生物分子生物学技术构建能 产生大量酸性物质、CO2、甲烷以及高聚物、糖酯 等表面活性剂等物质的菌株。让这些工程菌能在 油层中不仅产生气体增加井压, 而且还能通过分 泌的表面活性剂, 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。
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➢ 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
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➢ 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
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植物“石油”
“石油”植物，是指那些可以直接生产工业用燃 料油，或经发酵加工可生产燃料油的植物的总称。
三叶橡胶树
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它的胶汁的化学成分与柴油相似， 无需加工提炼，即可充当柴油使用。
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植物“石油”
• 产“石油”的树木
牛奶树
银合欢树
三角大戟
兰桉树 业务推广部
油楠
麻风树 39
• 油料植物
向日葵
油棕榈
椰子
花生
业务推广部 油菜子
巴巴苏坚果 40
• 藻类产油
藻类能产生大量的脂类，可用来制造柴油及汽油。
③甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲 烷及CO2。
显然，甲烷生产是一个复杂的过程，有若干
种厌氧菌参与业该务推反广应部过程。
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农村常用发酵生产甲烷的原料及沼气产量
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• 我国是沼气生产量最大的国家，生产量高达7×106 生物气 单位，相当于2.2×107吨煤的能量。如按目前国内物价分 析，在农村建造一个粪便发酵池来生产沼气供家庭使用的 造价，很可能会低于一辆自行车的价格。据报道国内农村
巴西是盛产甘蔗的国家，也是一个利用发酵工艺生产乙醇替 代部分石油的典型国家。
• 1980年，巴西每年大约有4000兆升的乙醇出口。 • 1985 年，巴西乙醇产量为11900 兆升，出售的 汽车中的3/4是用乙醇作燃料的。在1000 万辆汽车中有120万辆完全使用乙醇， 其余的使用含23 ％ 乙醇的混合汽油。 • 1988 年, 88％的新轿车的发动机都 使用乙醇。
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。
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生产乙醇燃料的意义及生化机理
生化机理：
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。
纤维素发酵生产乙醇
• 酸、碱处理法
国内许多生产乙醇的高活性菌株均不能直接利用纤维素作 为发酵过程中所需的糖类物质，必须对所含的纤维素进行一 系列的酸、碱处理，并转化成微生物可利用的糖类。然后再 使用微生物发酵生产乙醇。
缺点：条件苛刻，对设备有很强的腐蚀作用，需要耐酸碱 的设备；水解过程会生成有毒的分解产物如糖醛、酚类等物质； 水解成本较高等。
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➢ 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
现已发现的大量可直接生产燃料油的植物， 主要分布在大戟科。这些“石油”植物能生产低 分子氢化合物，加工后可合成汽油或柴油的代用 品。
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植物“石油”
发现历程
20世纪70年代，石油输出国组织成员国因 故决定临时停止向美国出口石油，以示制裁。 美国加利福尼亚大学的化学家、诺贝尔化学奖 得主梅尔温·卡尔文突发奇想，决定寻找可能 生产"石油"的植物，进而从地里"种"出石油来。
产乙醇的菌株中。例如，把运动发酵单胞菌的丙酮酸脱羧酶
基因和乙醇脱氢酶基因转移到不能生产乙醇的克雷伯氏氧化
杆菌中就能直接发酵纤维素产生乙醇。
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• 新的纤维素乙醇厂的内部图示，该装 置可以把农业纤维素废弃物转化为乙 醇。在右边的那个发酵罐内部，生化 酶可以有效降解纤维素。
• 面临困难：由于纤维素分子是一种异质结构的聚合物，水解速 率远远低于淀粉和其他糖类化合物。直到现在，纤维乙醇还被限 制在实验室生产或小规模示范性工厂阶段，在美国还没有商业运 行规模的纤维乙醇生产厂，美国能源部正在资金支持12个甚至更 多的公司建立纤维乙醇示范工厂或商业运营工厂。
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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
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车用乙醇汽油 车用乙醇汽油
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生产乙醇燃料的意义及生化机理
意义：
1 产能效率高；
2 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；
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• 发达国家也种植一些适合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 大量农作物剩余物及森林的废弃物发酵乙醇。1987 年，美国用玉米作原料发酵生产大约3万亿升的乙 醇，到1989年已达到32万亿升乙醇产量。
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摆脱石油缺乏的困境
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酵母菌发酵乙醇的生化过程是采用厌氧途径。
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号及台湾酵母、葡萄
汁酵母(S. uvarum)等。
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乙醇替代石油的案例
• 巴西
太阳能转化为化学能的生物材料中最理想的是甘蔗。据有 关资料报道，每公顷耕地平均可产甘蔗干物质35～40吨，所产 生的能量相当于14.5吨石油或24-26吨煤所产生的热值。
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。
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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 20000kW·h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。
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乙醇代替石油所用的原材料和 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 能增加乙醇生产的成本，
使乙醇价格明显高于石油
价格。
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关键：高效地利用纤维素来代替粮食生产乙醇的工艺
“生 物 技 术”
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• 酶水解法
需要葡聚糖内切酶(ED)、纤维二糖水解酶(CHB)和β-葡 萄糖酶(GL)这三种酶的协同作用才行。能产生这三种酶并被 分泌到胞外的是真菌类微生物，如正青霉、木霉和疣孢青霉。 显然，如利用上述菌株对纤维素进行直接发酵，就不需要对 纤维素进行酸碱预处理。 优点：这种发酵工艺所需的设备简单，成本低。 缺点：所获的乙醇产量不高，因而生产成本较高。
• 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、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 3～4吨固态肥30～ 35 m3左右的液态肥，可为两台功率为140kW的发电机提供 动力。
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➢ 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
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• 混合发酵法
热纤梭菌能直接分解纤维素生成乙醇，但乙醇产量 低(50％)，而热硫化氢梭菌不能直接利用纤维素，但所 产出的乙醇量相当高。因此，如把两者微生物进行混合 直接发酵，其产率可达75％以上。 优点：可避免用酸碱法或酶法水解纤维素时所引发的 部分问题。
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• 基因工程技术