微生物发酵在能源方面的研究进展.docx

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微生物发酵在能源方面的研究进展

微生物发酵在能源方面的研究进展

摘要：

微生物技术在新能源开发领域中有广阔的应用潜力，对能源的可持续发展具有重要的理

论和现实意义。

简要叙述了生物柴油、燃料酒精、生物制沼气、生物制氢等新能源的原理、优缺点和开发现状，概述了微生物资源在能源领域的应用，指出发掘新的微生物资源或构建工程菌株、明确微生物作用机理、开发新工艺将会是今后研究的重点。

关键词：

关键词：

微生物资源，能源，可持续发展

Abstract：

Microbialtechnologyisapotentialnewtechnologyinnewenergydevelopmentprocessandithas

importanttheoreticalandpracticalsignificanceonthesustainabledevelopmentofenergysource8·lhePnn—

ciples，Dresentsituations，advantagesanddisadvantagesofnewenergysources，suchasbiodiesel，fueletna—

n01．biologicalmethaneproduction，biologicalhydrogenproductionandmicrobialfuelcellwerereVlewed·

Theapplicationsofmicrobialsourcesinenergyfieldweresummarized．Finally，someresearchemphases

suchasdiscovernewmicrobesources，constructgeneengineeringmicrobes，definitizeeffectmechanism

andexploitnewtechnologiesweregiven．

Keywords：

Microbialsources，Energysources，Sustainabledevelopment

目录

前言1

论文正文2

1当今世界及中国的能源状况2

2微生物发酵的主要作用以及其与生物能源的关系2

1.1微生物与柴油的开发3

1.2微生物与氢气制造4

1.3微生物与燃料酒精4

1.4微生物与沼气5

1.5微生物制氢6

1.6展望8

参考文献8

前言

能源是人类社会进步与经济发展的重要物质基础。

概括说，所有可能为人类利用以获取有用能量的各种来源都称为能源，如太阳能、风能、水能、化石燃料及核能、潮汐能等。

由于它是一个国家或地区经济发展的命脉，人们给予了不同角度的高度重视和研究，并进行了多种形式的划分，如一次能源、二次能源、常规能源、新能源、可再生能源、非雨阼台譬酒竺瞄善石奇由干眦茸竺的口潇灶音县七阳能、风能、海洋能、地热能和生物能等可再生能源正日益受到了政府和科学家们的极大重视。

2006年1月1日，《I]‘再生能源法》正式实施，国家“863计划”中将开发太阳能和生物能作为能源领域主题之一，氢能、燃料电池将作为后续能源主题的主攻方向，预计从2010年开始，这些能源有望逐步替代石油、煤炭、天然气等矿物能源。

作为可再生能源

微生物技术在新能源开发领域中有广阔的应用潜力，对能源的可持续发展具有重要的理论和现实意义．简要叙述了生物柴油、燃料酒精、生物制沼气、生物制氢等新能源的原理、优缺点和开发现状，概述了微生物资源在能源领域的应用，指出发掘新的微生物资源或构建工程菌株、明确微生物作用机理、开发新工艺将会是今后研究的重点。

能源是人类社会进步与经济发展的重要物质基础。

概括说，所有可能为人类利用以获取有用能量的各种来源都称为能源，如太阳能、风能、水能、化石燃料及核能、潮汐能等。

由于它是一个国家或地区经济发展的命脉，人们给予了不同角度的高度重视和研究，并进行了多种形式的划分，如一次能源、二次能源、常规能源、新能源、可再生能源、非再生能源等。

随着石油、天然气等的日渐枯竭，太阳能、风能、海洋能、地热能和生物能等可再生能源正日益受到了政府和科学家们的极大重视。

2006年1月1日，《可再生能源法》正式实施，国家“863计划”中将开发太阳能和生物能作为能源领域主题之一，氢能、燃料电池将作为后续能源主题的主攻方向，预计从2010年开始，这些能源有望逐步替代石油、煤炭、天然气等矿物能源。

作为可再生能源开发的主角，微生物在能源可持续开发中发挥了重要作用。

正文：

（1）当今世界及中国的能源状况。

煤炭、石油、天然气，是当前人类生活中的主要能源。

随着人类社会的发展和生活水平的提高，需要消耗的能量日益增多。

可是这些大自然恩赐的能源物质是通过千万年的地壳变化而逐渐积累起来的，数量虽大，但毕竟有限。

何况由于人类不合理得利用和开采这些资源，使不少的资源白白浪费。

石油大战，煤炭争端以使世界的能源局势趋于更加不安定的状态，两伊战争，伊拉克战争这些地区的争端都显现出人类为了生存，为了自身国家的发展对短缺能源的争端越来越明显。

而工业需要发展，人类需要进步，当今摆在人类面前的矛盾就是：

人类对能源需求日益增加与世界能源日益减少的矛盾。

人类生活中的主要能源在日益减少的同时摆在人类面前的还有由其引发地另一大难题：

能源燃烧引发的环境污染问题。

众所周知，煤炭和石油的燃烧会产生二氧化碳和其他的一些废弃物对环境造成很大的污染，对地球的长久发展造成很大的威胁。

工业对燃料的需求越来越大，虽然各国都采取了一系列的措施减少废气物体的排放，但是由于各国经济实力的悬殊，尤其在发展中国家很少能够做到对废弃物体的回收和处理，伴随着工业发展温室效应，工业污染，大气环境污染等问题也越来越严重。

能源已成为一个制约我国经济迅速发展的瓶颈。

2003年我国已成为仅次于美国的世界第二大能源消耗国。

2004年,中国进口原油112亿t。

原油进口已成为我国能源安全的重大隐患。

预计2010年我国的原油加工量将达到217亿t,而原油产量不会超过117亿t。

我国目前已探明的石油储量只够30年开采,煤储量可开采100年左右。

因此新型能源的开发不但对我国国民经济的发展有重要推动作用,而且已成为我国国家安全必须考虑的问题。

针对世界能源的结构现状以及其引发的一系列环境问题已经引起了世界各国广泛的关注，人类在不断的探索努力，希望可以找到或者研发出一些新的，可以再生的能源来补充人类的能源需求甚至代替原有的传统能源。

一场能源改革革命呼之欲出。

（2）微生物发酵的主要作用以及其与生物能源的关系。

微生物和动物、植物一样，是自然界三大物种之一。

只是因为微生物个体过于微小，而不像一般动物和植物那样易让人们感知它的存在和功能，这不仅影响了人们对微生物的正确认识，也阻碍了对微生物技术开发的支持和投入。

但是随着人类科学的进步，对微生物的研究越来越深入，使微生物更加能为人类所用。

当今社会中微生物在工业、农业、医药、食品、能源等领域中所发挥的作用愈来愈令人瞩目。

尤其是循环经济的建设，将离不开微生物的参与及其应用技术的发展和创新。

微生物在循环经济发展中，还扮演着另一种十分重要的角色--污水和垃圾的处理者。

几乎所有的污水处理都是靠微生物的作用完成的。

污水和污物处理中既需要微生物分解和除掉各种有害物质，此外，还要靠微生物进行除臭。

污水与污物的处理速度、处理效果取决于微生物的种类和功能。

　　因化肥、农药、除草剂过量使用，导致的农田土壤污染已成为重疴沉疾，而土壤污染带给水果、蔬菜、粮食的污染对人类造成的危害更不可低估。

净化土壤，也要靠微生物发挥作用。

用微生物生产抗菌素、有机酸、氨基酸、多元醇、黄朊胺、多肽、酒类、酱油、醋的历史十分悠久，作为一个生物界别，它的开发前景是不可限量的。

    生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能生物液体燃料及利用生物质生产的能源如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。

能源微生物是指：

以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物。

下面对微生物在可再生能源中的应用及开发现状做一下概述。

1、微生物与柴油开发

生物柴油是一种清洁的可再生能源，它是由大豆、油棕、甘蔗渣、工程微藻以及动物油脂、废食用油等与短链醇（甲醇或乙醇）经过酯交换反应得到的各种脂肪酸单酯的混合物，可以作为燃料替代石油，最大优势是可以与传统柴油以任何比例混合，无需改造发动机，直接用于机动车。

有证据表明，使用生物柴油对人类健康和全球危害都相对较轻，排放物中多环芳香化合物（PAHs）和亚硝酸多环芳香化合物（nPAHs）含量水平低，二氧化碳和一氧化碳排放量仅为石油的10％，具有较好的生物降解性能。

美国、欧洲一些国家和地区已把生物柴油作为代用燃料，建立了商品化生产基地，我国于2000年启动了燃料乙醇试点工作，目前已经建成了三大乙醇燃料生产基地，总产能超过了100万吨／年，年产量约5万吨。

生物柴油主要用化学法和生物酶法生产，前者工艺复杂、能耗高、醇用量大，生成过程还有废碱液排放；后者虽条件温和、醇用量小、但一氧化氮排放量较高，所含的微量甲醇与甘油还会逐渐降解橡胶零件。

开发微生物油旨（Microbialoils）生产生物柴油，在降低污染、增加产量方面较前二者有更大的优越性。

微生物油脂又称单细胞油旨（Singlecelloil，sco），是酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定的条件下，以碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在菌体内产生的大量油脂。

将之规模化生产，便可获得生物柴油。

开发微生物油脂，不仅微生物发酵周期短，受场地、季节、气候变化影响不大，还可以利用木质纤维素、工业废水、废气等资源丰富、价格低廉的原料进行生产，既能够解决人类资源短缺的问题，又可以保护环境，一举多得，具有巨大发展空间。

美国国家可再生能源实验室（NREL）认为，微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向。

从20世纪40年代斯达氏油质酵母（Lipomycesstarkeyi）、粘红（Rhodotorula-glutinis）、曲霉属（Aspergillus）等油脂微生物发现至今，人们又陆续开发了多种油脂高产微生物，如希腊学者用高糖培养。

基培养深黄色被孢（Mortierellaisabellina）发酵生产油脂，产量达18．1g／L。

李永红等‘31筛选到一株丝孢酵（Trichosporoncutaneum）。

利用葡萄糖发酵时油脂含量可达菌体干重的65％。

此外，用在保健食品、功能饮料、化妆品等领域的功能性油脂的特种微生物菌种开发工作也正在如火如荼地进行中。

较之其他技术，微生物油脂生产工艺简单、有利于进行工业化规模生产。

同时，廉价的原材料是微生物油脂生产生物柴油的最大优势。

有文献报道，微生物利用碳水化合物生产油脂，最高转化率为25％，以玉米秸秆中纤维素和半纤维素含量70％计算，每6吨作物秸秆就可产1吨菌油。

我国农林废弃物资源丰富，仅农作物秸秆每年产量近lO亿吨，如能充分利用并规模化生产，将大大提高生物柴油的产量。

此外，通过对野生菌进行诱变、细胞融合和定向进化等手段，加快对产油微生物菌种改良、代谢调控和发酵工程的研究，可以获得具有更高产

油能力突变株，提高产油效率。

在当前化石资源日益减少和世界各国能源供应形势日趋严峻形势下，实现社会经济可持续发展的目标。

2、微生物与氢气制造

氢气是最理想的新能源之一。

其原因是氢气在燃烧 时，除了能量释放是汽油的3倍以外，其他燃烧物均为水，不会造成环境污染，堪称绿色燃料。

氢气已成为导弹和航天飞机的主要燃料。

    过去氢气可通过水的电解法、光电化学反应法、水煤气转化法和 甲烷裂解法等方法制造，但无法获得廉价的氢气，因此需要寻找价廉物美的制造氢气的新方法。

而利用微生物制造氢气 的方法正好满足这方面的要求，这充分显示出它的优越性。

（一）由光合微生物生成氢气 

光合微生物在光照条件下，其代谢中的固氮酶在缺少氮气或产物时，能还原质子放出氢气。

能产氢的光合微生物主要有红螺菌属、红硫细菌属和绿硫细菌属等。

（二）由非光合微生物生成氢气 

    某些非光合微生物能够利用多种代谢产生的有机酸，在无氧条件下发酵转化为H2。

能产氢的非光合微生物可分为专性厌氧微生物和兼性厌氧微生物。

在专性厌氧微生物中，主要有含细胞色素的梭状芽孢杆菌属、微球菌属、产甲烷菌等，不含细胞色素的脱硫脱硫弧菌、大肠埃希氏菌和芽孢杆菌属等。

3、微生物与燃料酒精

在微生物作用下，将糖类、谷物淀粉和纤维素等物质通过“乙醇发酵”生产出燃料级乙醇，从而替代石油，这也是微生物在能源领域的又一应用。

由于具有燃烧完全、无污染、成本低等优点，很多国家都开发了这一工艺。

巴西以甘蔗作发酵原料生产的燃料酒精直接用于轿车发动机，目前已形成1000多万吨产能，替代了1／3车用燃料。

美国计划2006—2012年间，燃料乙醇年用量要从1200万吨增加到2300万吨。

英国、德国、荷兰等农业资源丰富的国家，也在进行燃料酒精的生产。

我国是继巴西、美国之后全球第三大燃料乙醇生产和消费国，主要以粮食作物中的玉米为原料进行生产。

随着该工业的快速发展，原料问题和国家粮食安全问题日益突出，因此，十一五期间我国政府提出生物乙醇要走非粮路线，即“不与人争粮，不与粮争地”。

作为非粮资源中的纤维素、半纤维素是地球上贮量最丰富的有机物，美国、日本、加拿大、瑞典等国在新能源的研发中都给予了足够的重视。

我国纤维素资源充足，年产植物秸秆约6×109吨，如果其中的10％经微生物发酵转化，就可生产出乙醇燃料近8×106吨，其残渣还可用做饲料和肥料I引，因此发展纤维素乙醇前景广阔，目前山东大学、河北农业大学、江南大学等正在开展相关的研究工作。

从1980年Wang[91等首次提出木糖可以被一些微生物发酵生成酒精至今，科学家们已发现100多种微生物可以代谢木糖生产酒精，包括细菌、丝状真菌和酵母，如曲霉（Aspergillus）、酵母菌（Saccharomyces）、裂殖酵母菌（Schizosaccharomyces）、假丝酵母（Candida）、球拟酵母（Torulopsis）、酒香酵母（Brettanomyces）、汉逊氏酵母（Hansenula）、克鲁弗氏酵母（Kluyveromyces）、毕赤氏酵母（Pichia）、隐球酵母（Cryptococcus）、德巴利氏酵母（Debaryomyces）、卵孢酵母（Oosporidium）等。

实际应用中也暴露了一些问题，有的对乙醇耐受力低、有的需要在有氧条件下发酵，还有的需将木塘转化为其他可利用的物质后才能进行乙醇发酵，因此生产率普遍较低。

随着生物技术的发展，出现了大量可高效转化的基因工程菌。

1993年，Ho等将木糖还原酶，木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶的基因转入酿酒酵母，首次成功构建出利用葡萄糖和木糖生产乙醇的工程酵母。

Sonderegger等。

将多个异源基因引入代谢木糖的酵母工程菌，重组酵母不仅降低了副产物木糖醇的量，所得乙醇产量比亲株提高25％。

除纤维素外，微生物还可分解有机垃圾获得燃料酒精，不仅能为工农业生产提供能源，而且比焚烧、填埋更有利于环境卫生和城市生态的改善。

因此，利用微生物的作用将地球上贮量巨大的生物资源转化为燃料乙醇前景广阔，但水解酶成本过高是限制其产量提高的一个重要因素。

此外，现有菌种大多乙醇耐受力差，副产物多，对发酵条件要求苛刻，今后研究应致力于继续筛选优良性状的菌株，或利用基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种，以及能克服上述问题的菌种，对其酶学特性、功能基因进行研究，优化发酵条件，辅以工艺措施的改进，提高燃料乙醇生产效率并降低成本。

4、微生物与沼气

沼气又名甲烷，世界各国普遍用于燃烧和照明，如英国甲烷产量可以替代全国25％的煤气消耗量，许多国家都将其列入国家能源战略。

我国是该领域

开展得最好的国家，如北方的四位一体模式D5I、南方桑基鱼塘农舍模式、猪一沼一果等多种利用沼气的农业生产模式，赢得了很高的国际赞誉。

联合国环境规划署曾先后授予我国北京市留民营村，浙江省萧山市山一村，辽宁省大洼县西安生态养殖场等单位环境保护全球“500佳”称号。

在农村普及沼气技术，发展生态农业，可以解决“三农”问题，发展经济；在城市利用沼气发酵处理有机废水、固体有机废物，处理后的残渣还可用作无臭有机肥料，达到生物资源的最大利用，从而实现经济、社会、生态效益的统一。

沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，需要发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类微生物共同作用。

由于参与的微生物种类众多，目前的研究多集中于