能源问题是全球面临的问题

能源问题是全球面临的问题，生物工程将如何解决

12级3班 宋星月 120603013

摘要：能源是向自然界提供能量转化物质，能源是人类活动的物理基础。在某种意义上来说，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。随着时间的流逝，当今三大能源物质正在逐步走向衰竭，所以用生物工程技术解决能源问题成了一个新欣﹑令全世界瞩目的焦点，比如燃料酒精﹑生物柴油﹑氢气﹑生物采油等。当然，当今世界的能源污染问题用某些生物工程技术来解决也是很好的一种解决方法。

关键词：生物工程技术 燃料酒精 生物柴油 氢气 生物采油 能源污染

一 当今能源问题

近二百年来，人类利用煤﹑石油和天然气作为主要的能源物质，使生产力提高了近200倍，这三类物质主要做以下用途：

1. 作为火力发电厂的燃料提供电力；

2. 作为开动工厂中各类机器的动力；

3. 作为各种交通工具（飞机﹑汽车﹑轮船﹑大车）的动力；

4. 作为各种化工产品的原料以制造化肥﹑农药﹑医药﹑染料﹑合成纤维﹑合成塑料﹑合成橡胶等。

正如我们所知，煤﹑石油﹑天然气这三种能源是不可再生能源，用完一点少一点。再加上现如今这个飞速发展的社会对能源的大量需求，这三种能源正在急速减少。如果不能开发新能源，我们的社会将会一片混乱：人们出行变得困难，工厂无法正常工作，再也没有电灯夜晚将一片漆黑……

地球上亿年积累的化石能源------石油，天然气，煤等，仅能撑300年的大规模开采就将面临枯竭。显然这是21世纪人类面临的重大能源问题。

现阶段世界能源消费呈现以下热点：1）受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加；2）世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家因进入后工业化社会，经济向低能耗、高产出的产业结构发展，能源消费增长速率明显低于发展中国家；3）世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大；4）世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大。未来，伴随着能源消费的持续增长和能源资源分布集中度的日益增大，对能源资源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂；同时，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。

面对以上挑战，世界能源供应和消费将向多元化、清洁化、高效化、全球化和市场化趋势发展。鉴于国情，我国应特别注意依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，寻求能源的清洁化利用，积极倡导能源、环境和经济的可持续发展，并积极借鉴国际先进经验，建立和完善我国能源安全体系。

二 现代应用生物技术

生物技术也被称为生物工程，1953年沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构，为DNA重组技术奠定了理论基础。1973年，美国的H.Boyer和S.Cohen首次在实验室中实现了

基因转移，为基因工程操作技术打开了大门。现代应用生物技术是在基因工程﹑蛋白质工程﹑细胞工程﹑酶工程﹑发酵工程等先进的现代生物技术手段基础上发展起来的。这些现代生物技术也构成了现代应用生物技术的重要内容。

现代应用生物技术的各个领域，包括医药﹑农业﹑畜牧业﹑食品﹑化工﹑林业﹑环境保护﹑采矿冶金﹑材料﹑能源等领域，采用的现代生物技术手段是相同的。当然能源问题离不开微生物应用技术，生物柴油﹑氢能源﹑燃料酒精等生物能源的利用都离不开微生物发酵。

特别值得重视的是微生物在物质循环中起的重要作用，可以说自然界所有的物质循环都是靠微生物实现的，如果不是微生物存在，自然界的遗骸早已经堆积如山。由微生物降解有机物向自然界提供的碳元素每年高达950亿吨。正是因为有微生物的存在，地球上的生物材料和元素才得以周而复始，源远流长的运转和循环。

三 用生物技术解决能源的开发与利用问题

1． 燃料酒精

（1） 意义：变性燃料酒精是以玉米﹑小麦﹑薯类﹑甘蔗﹑甜菜等为原料，通过专用设备，特定的工艺生产的高纯度无水酒精，经过变性处理后，不能食用，仅供混配汽油。车用乙醇汽油是指在汽油组分油中，按体积比加入一定比例（一般10%）的变性燃料乙醇混配形成的一种车用燃料，它是汽油车发动机专用的一种新型的环保燃料。

（2） 生产方法

乙醇的生产方法有两类，即合成法和生物法。近几年来由于原油价格高涨的影响，合成法乙醇生产受到了很大的限制，使生物法得到恢复和发展，生物法乙醇生产就是以农产物﹑农林废弃物（如农作物秸秆﹑甘蔗汁和国家森林每年为防止火灾稀疏林木而积累下来的森林残余物）为原料，通过水解作用将其转化为糖，再经过发酵作用将糖转化为乙醇。根据原料的不同，又可以分为淀粉微生物发酵法和纤维素微生物发酵法和半纤维素微生物发酵法。

A． 淀粉微生物发酵法

这种方法主要以富含淀粉的玉米﹑小麦等粮食作物为原料，通过粉碎﹑脱胚制浆﹑液化﹑糖化﹑发酵﹑蒸馏﹑脱水和变性，最终获得变性燃料乙醇。

原理首先在一定温度下浸泡，浸泡后经破碎磨破碎，分离出胚芽并将纤维及淀粉颗粒破碎到一定粒度。脱胚后的淀粉浆送入液化工段。然后淀粉在高温作用下糊化，同时在阿尔法淀粉酶的作用下降解，使物料的粘度降低。再将含有乙醇的发酵成熟缪通过蒸馏装置进行蒸馏提纯，所产生德尔乙醇蒸气经过两级分子筛的交替吸附作用吸出水分，冷却后即为燃料乙醇。加入体积分数为2%——5%的变性剂（汽油）成为变性燃料乙醇产品。

B． 纤维素﹑半纤维素微生物发酵法

目前国外利用生物技术将纤维素和半纤维素水解成单糖的工艺技术有5种：酶解法`﹑稀酸水解法﹑浓酸水解法﹑逆流酸水解法﹑一步酶工艺法。

酶解法是将纤维素酶加入到纤维素原料中，通过水解作用将原料转化为糖再经微生物发酵将糖转化成乙醇。

稀酸水解法是采用0.5%——1.0%的硫酸，在140——180摄氏度条件下使纤维素半纤维素水解。

浓酸水解法是采用70%的浓硫酸在较低温度和压力下，一较合理的反应动力使纤维素﹑半纤维素水解成单糖，再用离子交换树脂分离经水解得到的含有12%_15%糖浓度的酸-糖醪，得到98%的糖醪，然后再经微生物发酵将糖变成乙醇。

一步酶工艺法是采用纤维素酶进行水解，使糖化和发酵同时发生。

（3） 采用燃料乙醇的意义

A． 改善大气，可以明显降低汽车废气的排放，有效改善大气环境质量。

B． 缓解石油资源短缺，石油是不可再生资源，据专家预测我国的石油将在2030年前后被开采殆尽，而世界石油再有50年也将被用完。而燃料乙醇的安全﹑实用﹑可再生的特性成为人们首选的最有希望的代替能源之一。

C． 解决相对粮食过剩，调整农业结构，推广实用车用乙醇汽油可以有效解决粮食转化问题，稳定粮食价格和农民收入，促进农业生产和消费的良好循环。

D． 促进国民经济发展，乙醇汽油的发展会带动众多相关产业的发展，创造更多的就业机会，为国民经济发展做出更大的贡献。

2.生物柴油

生物柴油是可再生的清洁能源，以大豆和油菜籽作物，油棕和黄连木等油料林木果实，

工程微藻等油料水生植物，动物油脂废餐饮油等为原料，利用生物酶分解后得到的一种液体燃料。是优质的石油柴油代用品。它和传统的柴油比具有润滑性能好，储存﹑运输﹑使用安全，抗爆性好，燃烧充分等优良性能。

目前大多世界各国使用20%的生物柴油与80%的石油柴油混配的混配柴油。课用于任何柴油发动机和直接利用现有的油品运输﹑储存和分销设施。

3氢气

氢气是可用于其车的新能源之一，用微生物生产氢气的研究在上个上世纪70年代在日本起步，我国科学微生物所，清华大学等研究机构和单位正在对这方面进行研究攻关

氢气能量密度高，热转化效率高，燃烧产生的唯一产物是水，不造成环境污染。因此，氢能源是一种可再生的未来清洁能源。生物制氢被认为是二十一世纪氢能规模制备最有前景的途径之一。氢能的生物学来源包括氢酶放氢和固氮酶放氢两类。据估计全球豆科植物伴随共生固氮的年放氢量达2.1亿到4.4亿千克。

近年来，人们在深红螺菌放氢的遗传控制机理方面开展了较为深入的研究，发现该菌具有多种放氢途径：

（1） 在光照和一氧化碳条件下的氢酶放氢，放氢量大，但需要一氧化碳诱导。

（2） 无氧和限氨条件下合成固氮酶，在固氮的同时放氢。

（3） 黑暗时氢酶催化甲酸裂解生成氢和二氧化碳的途径，放氢量少。

目前正在试图通过剔除该菌的吸氢酶基因提高产氢效率，或通过剔除固氮酶共价修饰基因drat以解除黑暗对固氮酶活性的抑制，使其在黑暗条件下也能通过固氮酶放氢。

4生物采油

微生物采油技术是将地面分离培养的微生物菌液和营养液注入油层，或单独注入营养液激活油层内微生物，使其在油层内生长繁殖，产生有利于提高采收率的副产物，以提高油田采收率的方法。

微生物技术采手原油具有施工简单﹑成本低﹑不污染环境﹑作用时间长等优点，提高原油采收率的机理很复杂，但可以简单的概括为以下几点：

（1） 微生物可以降解石油中的重组分，通过这类组分的降解及产物的产生来降低原油的粘度，从而增加其流动性。

（2） 微生物在生长中产生气体（氮气，二氧化碳，氢气，甲烷等）从而提高油层压力，使原油利于开采。

（3） 微生物可以生成生物表面活性剂（如糖脂，脂肽等）通过降低油水表面张力来提高睡对原油的运移效率。

（4） 微生物菌体及其胞外聚合物（黄原胶，葡萄糖等）可以选择或非选择的封堵油层，增加驱油液的波及系数。

（5） 微生物在厌氧条件下产生溶剂（如酸，醇，酮等）通过溶剂与岩石或原油的反应使原油利于开采。

鉴于以上的机理，如果利用能以原油为碳源生长的菌株来进行原油采收，即可以节约成本，菌体又可以长期在地下对原油起作用，能进一步提高原油采收的效率。

四 用微生物技术解决能源污染问题

1 石油污染

石油进入土壤，不仅阻碍植物根系呼吸与营养吸收，造成植物死亡，还会导致石油中的某些物质在粮食中形成积累，进入食物链，从而危害人体健康。海上大量的溢油形成的油膜将导致海水缺氧，从而造成生态灾难。PAHs，即多环芳香烃，是石油中毒性最大的成分，具有强的疏水性和化学稳定性，会对海洋鱼类以及低栖生物并最终对人类造成严重威胁。

微生物对石油烃类的降解实际上是一种生物氧化作用，其主要代谢途径有以下几种：

（1） 将石油烃类分解为二氧化碳和水

（2） 将石油烃类转化为自生的生命物质，如蛋白质﹑氨基酸﹑脂类和多糖等

（3） 将石油烃类转化为其他物质，如各种醇﹑酚﹑醛﹑脂肪酸等。

由于多数石油烃类化合物难溶于水，微生物对石油烃类的代谢还要依靠细胞壁外表面的一种由糖脂组成的特殊吸收系统。该系统可以使石油烃类化合物充分乳化，然后被吸收利用。

降解石油的细菌主要有假单细胞菌属﹑无色杆菌属﹑不动杆菌属﹑产碱杆菌属﹑节杆

菌属﹑芽孢杆菌属以及防线杆菌属和诺卡菌属。降解石油的真菌也有很多，如青霉菌﹑曲霉菌﹑穗霉菌﹑蠕孢霉菌等。但这些土著微生物浓度低，分解速度慢。美国生物学家发现应用接合手段，把标记有能降解芳烃﹑多环芳烃的质粒转移到能降解脂肪烃的假单细胞菌体内，可以获得同时降解几种烃类的功能菌，这种功能菌降解石油的速度奇快，几个小时就能吃掉浮油中2∕3的烃类，二用天然细菌则需要一年多才能消除这些污油烃。

参考文献：《现代应用生物技术》化学工业出版社 刘仲敏 林兴兵 杨生玉主编 P390——393 P424——425

《生物工程分析》化学工业出版社 董文宾主编 P5——8

《微生物资源与应用》东南大学出版社 刘爱明主编P258——292