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本章概要生物技术在能源生产中的应用什么是能源？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1 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。采油基本原理：油层自身（一次）或外在的压力(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% 。2 微生物与天然气生产微生物转化难开采劣质油为天然气微生物转化难开采煤为天然气生物质能：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。1.4  乙醇代替石油的困境—第二代燃料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Microbes in Bioethanol Production Cellulose and hemicellulose degradation by microbial cellulase and hemicellulase Clellulase may be isolated from fungi, yeast and bacteria. Microbes in Bioethanol Production 1.6 五元糖的利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。2 生物柴油（Biodiesel ）由生物油脂转化而成的柴油相当产物反应式：甘油三酯脂肪酸短链醇酯+甘油生物柴油于1988 年由欧洲聂尔公司发明，1991 年正式工业规模生产。2001 年欧洲产量为78 万吨，02 年达到106.5 ，2003 年142.8 万吨。并计划在2010 达到830 万吨，2020 年达到柴油市场份额为20% 2.1 生物柴油的原料动物油植物油微生物油脂www.book118.com 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。植物和光合微生物油脂制备生物柴油的比较2.4 产油微生物异养型：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异养型微生物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。Photosynthetic Microbes As Feedstock for Biodiesel Production 2.5 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）3.1  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 。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。3.5 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）没有开采价值的劣质煤4 生物电—生物燃料电池Microbial fuel cell (MFC) 电子传递介质介导的生物电池没有电子传递介质的生物电池植物微生物燃料电池生物燃料电池应用废水、污水治理车用电池5 未来新能源-- 氢能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。5.3 产氢新技术—微生物电解电池微生物电解电池产氢工艺过程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.简述乙醇燃料的发展趋势。４.简述生物柴油替代石油的理论基础及其发展趋势。How a Beverly Hills doctor powered his SUV using his patients‘spare tires Superboat Burns Human Fat to Zip Around World Give blood, save lives; give fat, save the planet ？2.2 植物“石油”麻风树(小桐子、青桐木）2.3 油料植物微生物植物参数高（100X ）低类脂产量少量、可控制大量肥料小到中等大量用水连续每年1-2 季收获均质非均质生物质的均质性不需要需要耕地几天几周—几月生长时间非光合作用产油微生物：细菌、酵母、真菌。原料：淀粉、糖、纤维素水解液自养型微生物-- 光合作用微生物Rhodopseudomonas palustris: Photosynthetic bacterium Like plants, a large collection of microorganisms are capable of photosynthesis, including the purple bacteria, the green bacteria, heliobacteria, the cyanobacteria and algae 3 传统可再生能源——甲烷家庭式甲烷发酵生产示意图发酵池结构3.2 甲烷发酵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 70 3.3 甲烷生产原料3.4 甲烷应用实例Chemical energy Electrical energy Microbes Organic compounds Schematic of a microbial fuel cell (MFC). Bacteria attached to the cathode remove electrons from an organic electron donor (or fuel) and transfer them to the anode. The electrons move through the electrical circuit to the anode, where they reduce O2 to H2O. To maintain electroneutrality, protons (Ht) or other ions move between the anode and cathode via the aqueous solution. Bioelectrical energy is harvested from the flow of electrons from the cathode to anode.  微生物电池的原理产氢的光合微生物可分为藻类及非藻类常见产氢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。颤藻5.1 常见的产氢微生物叶绿体膜及氢化酶等组分混合反应产氢示意图5.2  产氢生化机理Schematic of a microbial electrolytic cell (MEC). An MEC is similar to an MFC, except that O2 is excluded from the cathode compartment so that the electrons reduce H to form H2 as the energy output. A small amount of electrical energy is consumed to boost the potential high enough to produce H2 at the anode * * 生物能源的概念及种类一、生物技术在能源生产中的应用1.2 微生物石油勘探技术的实验依据1.3  微生物二次采油技术1.4 微生物三次采油原理与效率煤甲烷甲烷菌二、生物能源From Sunlight to Renewable Bioenergy Biomass Fuel Production  植物单体小分子燃料光能光合微生物1 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）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糖代谢与肌肉组织乳酸形成糖代谢与酵母乙醇发酵常用原材料: 蔗糖或淀粉微生物: 酵母菌关键酶: 糖水解酶和酒化酶酵母菌1.3  传统的乙醇发酵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产量（10 亿升）巴西早期乙醇生产情况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体废物甘蔗硫化废物红薯产品废物葡萄糖巴西种植甘蔗发展乙醇燃料1.5  纤维素发酵生产乙醇Biomass Processing Hemicellulose 5 C + 6C Sugars Cellulose 6 C Sugar Cellulase hemicellulase Pichia 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 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 biomass into fuel ethanol has traditionally been cited as a major technical roadblock to develop a bioethanol industry. 3C5H10O5 →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。Bioethanol Process 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。基因工程技术Sources of Lignocellulosic( 木质纤维素）Digesting Microorganisms, Such As Termites and Bettles Acetate Fermentation pathways H2 & CO2 Fermentation pathways Cellulases Hemicellulases 生产生物柴油的方法: 化学催化合成法生物酶解法*