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生物轉化制能 

發布時間:2019/09/03

  沼氣的生產和使用是最早的通過生物轉化提供能量的過程。沼氣,主要成分甲烷(CH4)是由甲烷產氣菌在厭氧條件下將有機物分解轉化而成。甲烷產生菌由于其細胞中不含觸酶和過氧化歧化酶,所以它是嚴格的厭氧細菌———氧對其有致死作用。另外,它們對碳-能源的類型有特殊的要求,可利用的基質分為三類:
  (1)含有1~6個炭原子的短鏈脂肪酸;
  (2)含1~5個碳原子的正或異醇類;
  (3)三種氣體:H2、CO和CO2。
  由于這種特殊的底物要求給甲烷的大規模生產提出了技術和經濟上的問題。
  乙醇是最重要的醇類燃料。乙醇作為能源具有諸多優良的特性,如發酵底物范圍廣,幾乎包括各種
  原始生物材料;優良的燃燒特性;燃料無殘滯和高的辛烷比;有益于環境的無污染燃料,特別是無鉛、CO2、CO、SO2、粒子和其它碳氫化合物;可以直接與石油天然氣混合(最優條件下,乙醇占20%~30%)作為內燃機的液體燃料,從而改良燃料性能,減少三廢的排放。
  乙醇的發酵過程與釀酒過程非常相似,一般涉及以下4個步驟:
  (1)制醇植物的生長、收割和運輸;
  (2)預處理,將原始的生物材料轉化為適合發酵過程的底物;
  (3)發酵過程將底物轉化為乙醇,并分離提??;
  (4)發酵廢渣的處理,以減少污染和回收副產物。
  可用作乙醇發酵的原料,范圍很廣。最近利用木質纖維素作為碳源和發酵系統成為了研究的熱點[7]。木質纖維素是自然界中廣泛存在價格低廉的可再生自然資源,它的主要成分是聚多糖(主要為纖維素和半纖維素)和木質素??梢杂米髦拼荚系氖蔷鄱嗵?,但必須先通過酸和酶水解等前處理手段將
  其轉化成糖才能直接被細胞利用。而該過程是降低醇制造工業成本的關鍵步驟。木質素不能被生物轉化為乙醇,但它同其他發酵廢渣可以作為鍋爐燃料或用作生物化肥。
  傳統的乙醇發酵過程是利用酵母,特別是釀酒酵母(S.cerevisiae),通過EMP途徑將葡萄糖降解為丙酮酸,接著由丙酮酸脫羧酶脫羧和乙醇脫氫酶還原生成乙醇?,F在常用的是利用基因工程技術,在大腸桿菌(E.coli)中整合運用酵單孢菌(Z.mobilis)的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶基因,發酵制備乙醇[4]。
  在過去的幾十年里乙醇發酵技術和效率得到了迅速的提高,新技術新工藝不斷涌現,生產規模也越來越大。今天,在美國每年平均通過發酵制取乙醇2百億加侖,提供全美汽車燃油總量的1%以上。拉丁美洲,尤其是巴西,是世界上最大的進行乙醇發酵的地區。在巴西,自從1975年國家醇儲備計劃(theNationalAlcoholProgrammer,ProAlcool)后,巴西已經通過甘蔗發酵制取了近900億升的乙醇,大量的石化能源被乙醇所代替,為石化能源的進口節省了巨額開支。
  生物柴油
  生物柴油是指植物油與甲醇進行酯交換制造的脂肪酸甲酯,是一種潔凈的生物燃料。由于乙醇在柴油機應用中的缺陷(不能和柴油互溶,無法直接引燃等),以及生物柴油自身優良的燃燒特性,生物柴油在今
  天也是生物燃料研究中的熱點。生物柴油的生產,一般有如下方法:
  (1)植物油酶法,即借助脂酶對廢食用油進行酯交換反應,生產生物柴油。最近有報道,采用固定化酶技術并在反應過程中分段添加甲醇,使生產效率得到大幅提高并大大增加了酶的使用壽命。
  (2)利用甘蔗渣發酵生產柴油。
  (3)控制脂質累積水平使乙酰輔酶A羧化酶基因在微藻細胞中的高效表達,由此通過培養的微藻來生產柴油[5]。
  氫氣
  氫氣是另一種21世紀的重要能源。今天氫氣主要從石化工業中生
  產,但由于其過程高能耗、高成本以及污染環境等特性,使得生物制氫過程成為研究的熱點。生物制氫主要靠藍細菌和綠藻的光裂解水制氫,或厭氧發酵制氫,但是這些過程高額的成本,以及氫氣作為能源儲存運輸的難題,使得氫氣走向實用還為時過早。
  另外,傳統的石化工業中,將微生物發酵運用到現代的石油開采技術中來提高原油的回收率也屢有報道,并已經在一些油田中推廣使用,如勝利油田。這也表明即使在傳統的石化能源中也有生物制能的影子[3]。

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