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1、生物技术与能源授课教师 朱飞舟 Ph.D中南大学生物科学与技术学院生化系Date1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Date2什么是能源？ 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Date31 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 微生物法一、生物技术在能源生产中的应用Date4 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。 1.2 微生物石油勘探技术的实验依 据Date5采油基本原理：油层自身（一次）或
2、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1.3 微生物二次采油技术Date6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%。1.4 微生物三次采油原理与效率Date72 微生物与天然气生产 微生物转化难开采劣质油为天
3、然气 微生物转化难开采煤为天然气煤甲烷甲烷菌Date8 生物质能：通过各种物理、化学、生物的 方法将生物质转化成的能源物质。 如乙醇、丁醇、生物油、生物柴油、生物 甲烷、生物氢气、生物电等。二、生物能源Date9From Sunlight to Renewable BioenergyDate10Date11Biomass Fuel Production 植物单体小分子燃料光能光合微生物Date121 未来石油的替代物乙醇乙醇燃料汽车乙醇作为燃料的益处 不含有毒物质 不生成一氧化碳Date13葡萄糖酵解丙酮酸OX乙酰CoA三羧酸循环CO2+H2O无氧分解或酵解途径 （有氧、无氧）有氧分解 （有氧
4、） 乳酸乙醇糖代谢与乙醇生成1.1 生产乙醇燃料的生化原理Date14糖代谢与肌肉组织乳酸形成Date15糖代谢与酵母乙醇发酵Date16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1.3 传统的乙醇发酵Date17A.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产量（10亿升）巴西早期乙醇生产情况Date181.4 乙醇代替石油的困境第二代燃料乙醇生产乙醇燃料的原材料 淀粉类 纤维素类 糖类 其他 玉米 木材 蔗糖 菜花 高粱 木屑 甜高粱 葡萄 小麦 废纸 糖蜜 香蕉 大麦 森林残留物 甜菜 乳酪 木薯 农业残留物 饲料甜菜 乳浆 土豆 固
5、体废物 甘蔗 硫化废物 红薯 产品废物 葡萄糖Date19 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) 微生物混合发酵法巴西种植甘蔗发展乙醇燃料1.5 纤维素发酵生产乙醇Date20Biomass ProcessingDate21 Cellulose and hemicellulose degradation by microbial cellulase and hemicellulase Clellulase may be isolated from fungi, yeast and bacteria.Microb
6、es in Bioethanol Production Hemicellulose5 C + 6C SugarsCellulose6 C SugarCellulasehemicellulaseDate22Microbes in Bioethanol ProductionPichia stipitis is a fungus that ferments xylose to ethanol, and degrades lignin and cellulose for the potential conversion of biomass to ethanol. The highest yields
7、 for the conversion of biomass to ethanol are expected to come from microorganisms such as P. stipitis that can ferment the sugar xylose. The lack of industrial-grade microorganisms for converting biomassinto fuel ethanol has traditionally been cited as a major technical roadblock to develop a bioet
8、hanol industry.Date233C5H10O5 5C2H5OH + 5CO2酵母木糖代谢的途径比葡萄糖代 谢的途径复杂得多,酵母木糖代谢产生 酒精的理论得率为0. 46 克酒精/ 克木 糖C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2葡萄糖酒精发酵的理论得率:0. 51 克酒精/ 克葡萄糖。Date24Bioethanol ProcessDate25 把能水解纤维素的一个葡聚糖内切酶基 因和一个-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。 基因工程技术Date261.6 五元糖的利
9、用菌株的筛选 植物纤维原料中戊聚糖占20 %30 % 筛选方法(1) 从自然界中筛选戊糖发酵菌 种。(2) 采用定向培育技术, 通过对已有菌 株的长期驯化筛选从而得到所需菌株。(3) 采用原生质体融合技术。(4) 基因工程在 菌种选育上的应用。 能利用五元糖的微生物：细菌、酵母、真 菌，及其重组体。Date27Sources of Lignocellulosic(木质纤维素） Digesting Microorganisms, Such As Termites and BettlesAcetateFermentation pathwaysH2 give fat, save the planet
10、？ Date3110.4.2 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 2.2 植物“石油 ”麻风树(小桐子、青桐木 ）Date32 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。 2.3 油料植物Date33植物和光合微生物油脂制备生物柴油的比较参数植物微生物生长时间几周几月几天耕地需要不需要生物质的均质性 非均质均质收获每年1-2季连续用水大量小到中等肥料大量少量、可控制类脂产量低高（100X）Date342.4 产油微
11、生物 异养型：以糖类、淀粉、纤维素水解液为 营养合成类脂 自养型：利用太阳能，以二氧化碳为碳源 合成类脂Date35异养型微生物 非光合作用产油微生物：细菌、酵母 、真菌。 原料：淀粉、糖、纤维素水解液Date36光合微生物包括光合细菌和微藻 提高工程小环藻产油的途径：设法提高乙酰辅酶A羧化酶或其他脂肪 酸合成相关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。自养型微生物-光合作用微生物Date37Photosynthetic Microbes As Feedstock for Biodiesel ProductionRhodopseudomonas palustris:Photos
12、ynthetic bacteriumLike plants, a large collection of microorganisms are capable of photosynthesis, including the purple bacteria, the green bacteria, heliobacteria, the cyanobacteria and algae Date382.5 工程细菌产油通过基因改造大肠杆菌，直接合成 单脂肪酸甲酯、或脂肪酸乙醇酯（ 生物柴油）Date393.1 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
13、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。 3 传统可再生能源甲烷Date40家庭式甲烷发酵生产示意图发酵池结构3.2 甲烷发酵Date41 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） 甲烷含量/%猪粪 600 55牲畜粪便 300 60酒厂废水 500 48废物污泥 400 50麦秆 300 60青草 630 703.3 甲烷生产原料Date42我国是沼气生产最大量的国家，生产量 高达7106生物气单位，相当于22106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。3.4 甲烷应用实例Date433.5 微生物转化残油和劣质煤生产甲烷 残留于岩石和沙土里的石油（没有开采价 值） 没
