上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 BIOTECHNOLOGY AND HUMAN BEING 课程论文 THESIS OF CURRICULUM A JIAO TONG 论文题目：化解能源危机的微生物 学生姓名： 乔越 学生学号： 5120829004 专 业： 生物医学工程 指导教师： 周选围 学院（系）： 生物医学工程学院
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物技术与人类 BIOTECHNOLOGY AND HUMAN BEING 课程论文 THESIS OF CURRICULUM 论文题目：化解能源危机的微生物 学生姓名: 乔越 学生学号: 5120829004 专 业: 生物医学工程 指导教师: 周选围 学院(系) : 生物医学工程学院
目录 摘要 …1 1 全球能源现状 1 1.1常用能源 1.3新能源 4 2产油微生物 …3 2.1微藻 错误！未定义书签。 2.2产油酵母 .3 2.3霉菌产油 .4 2.4产油细菌 …4 3微生物制备乙醇 .4 4沼气发酵 5 5微生物燃料电池 5 5.1微生物燃料电池原理 5 5.2优点 6 5.1应用 .6 6总结……… 6 参考文献. 6
目录 摘要................................................................................................................................1 1 全球能源现状............................................................................................................1 1.1 常用能源...........................................................................................................1 1.3 新能源..............................................................................................................4 2 产油微生物................................................................................................................3 2.1 微藻..................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 产油酵母...........................................................................................................3 2.3 霉菌产油...........................................................................................................4 2.4 产油细菌...........................................................................................................4 3 微生物制备乙醇........................................................................................................4 4 沼气发酵....................................................................................................................5 5 微生物燃料电池........................................................................................................5 5.1 微生物燃料电池原理.......................................................................................5 5.2 优点...................................................................................................................6 5.1 应用...................................................................................................................6 6 总结............................................................................................................................6 参考文献........................................................................................................................6
生物技术与人类课程论文 乔越5120829004 摘要 近年来能源危机问题愈发受到人们的关注和担忧。可以预见，化石燃料的储 量终将会枯竭，无法满足人类发展的需求。本文就能源现状提出最具潜力的微生 物产能方法，并介绍了微生物产油，乙醇发酵，沼气发酵，微生物燃料电池的原 理和优势，展现出了能源领域的新未来。 关键词：生物技术能源危机微生物 1全球能源现状 1.1常用能源 自工业革命以来，煤炭，石油，天然气，水电，核能相继大规模地进入人类 活动领域，其中中国等少数国家以煤炭为主，其他大部分国家则是以石油和天然 气为主。据BP2011世界能源统计报告显示，俄罗斯2010年的石油产量为5.051亿 吨占世界总产量12.9%排名世界第一；其次是沙特阿拉伯，2010年石油产量 为4.678亿吨：排名第三的是美国，石油产量为3.391亿吨。而伊朗和中国分别排 第四、五名：2010年石油产量分别为2.032亿吨和2.030亿吨。此外，印度2010 年石油产量为0.389亿吨，排名世界第24。可见每年有超过17亿吨的石油被消耗。 煤炭产量亦是大的令人惊叹。大量的能源消耗在带给工业生产方便的同时也带了 许多环境问题和能源危机。 Oil:what's left? Proven reserves in billions of barrels WORLD OIL To020 60 788 1224.5 azakhstan 681 12.9 115 79.7 132.5 59 1.2 101.5 Saudi Arabia 264.3 图1石油探明储量 1.2能源危机 随着化石能源消耗增加，其储量急剧减少，有专家称按目前的消耗量，石油 天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年，不管哪一种常规 1
生物技术与人类课程论文 乔越 5120829004 1 摘要 近年来能源危机问题愈发受到人们的关注和担忧。可以预见，化石燃料的储 量终将会枯竭，无法满足人类发展的需求。本文就能源现状提出最具潜力的微生 物产能方法，并介绍了微生物产油，乙醇发酵，沼气发酵，微生物燃料电池的原 理和优势，展现出了能源领域的新未来。 关键词：生物技术 能源危机 微生物 1 全球能源现状 1.1常用能源 自工业革命以来，煤炭，石油，天然气，水电，核能相继大规模地进入人类 活动领域，其中中国等少数国家以煤炭为主，其他大部分国家则是以石油和天然 气为主。据 BP2011世界能源统计报告显示，俄罗斯2010年的石油产量为5.051亿 吨 占世界总产量12.9% 排名世界第一；其次是沙特阿拉伯，2010年石油产量 为4.678亿吨；排名第三的是美国，石油产量为3.391亿吨。而伊朗和中国分别排 第四、五名；2010年石油产量分别为2.032亿吨和2.030亿吨。此外，印度2010 年石油产量为0.389亿吨，排名世界第24。可见每年有超过17亿吨的石油被消耗。 煤炭产量亦是大的令人惊叹。大量的能源消耗在带给工业生产方便的同时也带了 许多环境问题和能源危机。 图1 石油探明储量 1.2 能源危机 随着化石能源消耗增加，其储量急剧减少，有专家称按目前的消耗量，石油 天然气最多只能维持不到半个世纪，煤炭也只能维持一二百年，不管哪一种常规
生物技术与人类课程论文 乔越5120829004 能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。同时，能源消耗也极大地影响了全 球二氧化碳排放和全球气候。据气象学家估算，陆地植物每年经光合作用固定的 二氧化碳为200亿一300亿吨。上述仅化石能源人为燃烧就产生二氧化碳370亿吨， 加上生命呼吸、生物体腐败及火灾等产生的二氧化碳，就严重地超过了绿色植物 光合作用吸收转化二氧化碳的量，破坏了自然界的二氧化碳循环平衡，已经开始 造成保护地球的臭氧层破坏和其它一些反常现象。 2010年世界各国石油天然气探明储量(17强) 探明储量 产量 可持续时间 国家 10亿桶10亿立方米 百万桶/天 千立方米/天 年 沙特阿拉伯 267 42.4 9.7 1.540 127.5 伊拉克 180 29 3.5 560 142 加拿大 179 28.5 2.1 330 188 伊朗 138 21.9 4.0 640 95 科威特 104 16.5 2.6 410 110 委内瑞拉 99 15.7 2.7 430 100 阿拉伯联合合酋长国 98 15.6 2.9 460 93 俄罗斯 60 9.5 9.9 1,570 17 哈萨克斯坦 47 7.5 1.4 220 93 利比亚 41 6.5 1.7 270 66 尼日利亚 36 5.7 2.4 380 41 美国 21 3.3 7.5 1,190 8 中国 16 2.5 3.9 620 11 卡塔尔 15 2.4 0.9 140 46 阿尔及利哑 12 1.9 2.2 350 15 巴西 12 1.9 2.3 370 14 墨西哥 12 1.9 3.5 560 9 17强总量 1.243 197.6 63.5 10,100 54 1.3新能源 为了缓解能源危机，人类必须要从有限的非生物资源时代过渡到无限的生 物资源时代，其中，微生物是一群形态结构多样的生物体，包括病毒和单细胞类 群和一小部分多细胞结构的生物体。微生物体积小，表面积大，有着巨大的比表 面积，使其吸收营养和排泄代谢废物的速度大增，有新陈代谢旺盛和生长繁殖速 度快的特点，正是由于此特点，微生物在能源开发方面受到了大量的关注和重视。 2
生物技术与人类课程论文 乔越 5120829004 2 能源结构，人类面临的能源危机都日趋严重。同时，能源消耗也极大地影响了全 球二氧化碳排放和全球气候。据气象学家估算，陆地植物每年经光合作用固定的 二氧化碳为200亿—300亿吨。上述仅化石能源人为燃烧就产生二氧化碳370亿吨， 加上生命呼吸、生物体腐败及火灾等产生的二氧化碳，就严重地超过了绿色植物 光合作用吸收转化二氧化碳的量，破坏了自然界的二氧化碳循环平衡，已经开始 造成保护地球的臭氧层破坏和其它一些反常现象。 1.3 新能源 为了缓解能源危机，人类必须要从有限的非生物资源时代过渡到无限的生 物资源时代，其中，微生物是一群形态结构多样的生物体，包括病毒和单细胞类 群和一小部分多细胞结构的生物体。微生物体积小，表面积大，有着巨大的比表 面积，使其吸收营养和排泄代谢废物的速度大增，有新陈代谢旺盛和生长繁殖速 度快的特点，正是由于此特点，微生物在能源开发方面受到了大量的关注和重视
生物技术与人类课程论文 乔越5120829004 2产油微生物 油脂微生物可以利用能够再生的原材料，通过一系列代谢调控，最终产生功 能性油脂。微生物油脂，又称单细胞油脂。是由酵母、霉菌、细菌和藻类等微 生物在一定的条件下利用碳水化合物、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。微生物产生的油脂一般和植物油比较接近。目前可以用 来生产油脂的微生物有微澡、细菌、酵母、霉菌等，它们产生的油脂种类有所不 同，而且所需条件各有不同。 微生物生产油脂具有：原材料来源广泛，产生周期短，成本低：微生物代谢 快，生长周期短：所需劳动力少，可自动化生产。不受土地、季节、气候、温度 等环境条件限制：提取方便，使用安全；可以利用代谢、基因工程等调控，利用 分子、生化等方法找到产油率高的菌种等优点。 2.1微藻 微澡能够利用二氧化碳作为碳源，以光能为能源，在一定的条件下生产微生 物油脂。现已发现小球藻、三角褐指澡，扁澡等都能产生油脂。影响微澡产油率 的因素，除了与微澡的种类有关，还与温度、光照、pH、盐度、氮源等条件相关。 据Solovchenko A.E.报道，光照强度和氮源是影响产油率的关键因素。Fe3的 浓度和添加时间同样能够影响藻类的产油率。目前大规模培养微澡主要用池状和 罐状反应器。池状反应器通常被做成开放性系统，这样便于操作。封闭式反应系 统也可以用于大规模培养微澡，相较于开放式反应系统，封闭式的反应系统更节 约水、能源和化学药品。 表1产油微藻的种类 种类 油脂占干重比例(%) C.vulgaris 40 C.emersonii 63 C.protothecoides 23 C.sorokiniana 22 C.minutissima 57 C.vulgaris 56.6 N.oleaabundans 54 P.incisa 62 M.subterraneus 39.3 N.laevis 69.1 2.2产油酵母 异养微生物产油，它不能利用光能合成所需的有机碳源，所以培养时必须添 加额外的有机碳源作为营养。许多种类的酵母，如黏红酵母、斯达氏油脂酵母、 红冬孢酵母菌都能在一定的培养条件下积累油脂。不同种类的酵母所产油脂的种 类也有所不同。从表3我们可以看到，酵母所产的油脂主要是软脂酸、硬脂酸、 油酸、亚油酸、亚麻酸。这些脂肪酸在催化剂（脂肪酶或者化学催化剂）的作用 下可以作为生产生物柴油的原料
生物技术与人类课程论文 乔越 5120829004 3 2 产油微生物 油脂微生物可以利用能够再生的原材料，通过一系列代谢调控，最终产生功 能性油脂。微生物油脂，又称单细胞油脂。是由酵母 、霉菌、细菌和藻类等微 生物在一定的条件下利用碳水化合物 、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 。微生物产生的油脂一般和植物油比较接近。目前可以用 来生产油脂的微生物有微澡、细菌、酵母、霉菌等，它们产生的油脂种类有所不 同，而且所需条件各有不同。 微生物生产油脂具有：原材料来源广泛，产生周期短，成本低；微生物代谢 快，生长周期短；所需劳动力少，可自动化生产。不受土地、季节、气候、温度 等环境条件限制；提取方便，使用安全；可以利用代谢、基因工程等调控，利用 分子、生化等方法找到产油率高的菌种等优点。 2.1 微藻 微澡能够利用二氧化碳作为碳源，以光能为能源，在一定的条件下生产微生 物油脂。现已发现小球藻、三角褐指澡，扁澡等都能产生油脂。影响微澡产油率 的因素，除了与微澡的种类有关，还与温度、光照、pH、盐度、氮源等条件相关。 据Solovchenko A. E.报道，光照强度和氮源是影响产油率的关键因素。Fe3 +的 浓度和添加时间同样能够影响藻类的产油率。目前大规模培养微澡主要用池状和 罐状反应器。池状反应器通常被做成开放性系统，这样便于操作。封闭式反应系 统也可以用于大规模培养微澡，相较于开放式反应系统，封闭式的反应系统更节 约水、能源和化学药品。 2.2 产油酵母 异养微生物产油，它不能利用光能合成所需的有机碳源，所以培养时必须添 加额外的有机碳源作为营养。许多种类的酵母，如黏红酵母、斯达氏油脂酵母、 红冬孢酵母菌都能在一定的培养条件下积累油脂。不同种类的酵母所产油脂的种 类也有所不同。从表3我们可以看到，酵母所产的油脂主要是软脂酸、硬脂酸、 油酸、亚油酸、亚麻酸。这些脂肪酸在催化剂（脂肪酶或者化学催化剂）的作用 下可以作为生产生物柴油的原料