第九讲 生物技术与能源.ppt

第十章 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 纤维素发酵生产乙醇 植物 “石油” 甲烷与燃料源 未来新能源 一、微生物与石油开采 1.微生物勘探石油 2.微生物二次采油：利用微生物能在油层中发酵 并产生大量的酸性物质，以及H2、CO2和CH4等 气体的生理特点，增加地层压力，降低原油 的粘度，提高产油率。 3.微生物三次采油：利用分子生物学技术构建基 因工程菌株或选育产气量高的活性菌株，然 后将这些菌株连同培养基一起注入到油层中， 以增加井压，提高采油量。 二、未来石油的替代物—乙醇 1.乙醇作为燃料的益处： 产能效率高；在燃烧期间不生成有毒的CO， 污染程度较低； 可通过微生物大量发酵生产，成本相对较 低。 2.乙醇发酵的原材料：蔗糖、淀粉等。 3.乙醇发酵的微生物：主要是酵母菌。 三、纤维素发酵生产乙醇 1. 降解纤维素的微生物： 酵母菌、真菌、放线菌、黏菌和细菌等。但其作用机制不尽相同，多数细菌的纤维素酶在细胞内，形成紧密的酶复合物；而真菌的纤维素酶则可分泌到胞外。 2. 方法 （1）直接发酵法 直接发酵法是以纤维素为原料进行直接发酵，不需进行酸解和酶解前处理 这种工艺方法设备简单，成本低廉。但酒精产率不高,产生有机酸等副产物。利用混合菌直接发酵，可部分解决这些问题。 例如：热纤梭菌能分解纤维素,但酒精产率低，热硫化氢梭菌不能利用纤维素，但酒精产率相当高，进行混合发酵，产率可达75％，提高酒精／乙酸比值10倍以上。 （2）糖化发酵二段发酵法 先用纤维素酶水解纤维素，酶解后的糖液作为发酵碳源。 缺点：末端产物的抑制、低细胞浓度以及基质抑制。为了克服酒精产物的抑制，必须不断地将其从发酵罐中移出。 采取的方法有：减压发酵法、快速发酵法等。对细胞进行循环使用，也可以克服细胞浓度低的问题。筛选在高浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株，或者使菌体分阶段逐步适用高基质浓度可以克服基质抑制。 （3）同时糖化法 纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化产生酒精在同一装置内进行。这样酶水解产物葡萄糖由菌体不断发酵而被利用，消除了葡萄糖因浓度高对纤维素酶的抑制。 在工艺方面采用一步发酵，简化设备，可节约能源，缩短总生产时间，提高生产效率。但也存在一些抑制因素，如木糖的抑制作用和发酵的温度不协调等。 （4）固定化细胞发酵工艺 固定化细胞发酵能使发酵器内细胞浓度提高； 细胞可连续使用，使最终发酵液酒精浓度得 以提高 研究的最多的是酵母和运动发酵单胞菌的固定化。 常用的载体有：海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等。 固定化细胞的新动向是混合固定化细胞发酵，如 酵母与纤维二糖酶一起固定化，将纤维二糖 基质转换成酒精。 四、植物“石油” 1.能产油的灌木树：牛奶树、三角大戟、 兰桉树等； 2.油料植物：向日葵、棕榈、椰子、花生、 油菜等； 3.藻类产品： 五、甲烷与燃料源 生产甲烷的发酵过程： 初步反应：利用芽胞杆菌、假单胞菌、变形杆菌等微生物将纤维素、脂肪、蛋白质转化成可溶性的混合组分； 微生物发酵过程：通过微生物厌氧发酵转化成有机酸； 形成甲烷：通过甲烷菌将有机酸转化为CH4和CO2 六、未来新能源 1.氢能：利用太阳光和生物体产氢。产氢 微生物有藻类、硫细菌等； 2.生物燃料电池：由微生物与一定反应所构成。 即利用微生物的代谢产物作为物理电极活 性物质，引起原物电极的电极电位偏移， 增加电位差，从而获得电能的装置。