生物质资源资料课件.ppt

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1、第二章 生物质资源,第二章 生物质资源,2.1 生物质能的主要资源（了解）2.2 生物质资源量推算（掌握）2.3 能源植物（了解）2.4 能源微生物（了解）2.5 能源生物的品种改良技术（掌握）,生物质是地球上存在最广泛的物质，包括动物、植物、微生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质。这些物质所蕴藏的能量相当惊人，根据生物质学家的估算，地球上每年生产的生物能总量达1400亿1800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的7-8倍，目前作为能源用途的生物质仅占总产量的1%左右，潜力十分巨大。从能源利用的角度来看，利用潜力较大的是由纤维素、半纤维素组成的全纤维素类生物质。,一、林业生物质能资源

2、,薪炭林林业废弃物,森林的生物产量约占地球上全部生物量的45%，当前在发展中国家里，大约还有20亿农民的生活用能主要是靠薪柴美国能源部专门拨款开发能源林场、采伐区废材制取甲醇；南非木材致酒精，每年500万吨木材制取100万吨酒精,在我国林业资源优势,树种丰富 我国适合规模化发展林木生物质能的树种资源比较丰富，仅乡土树种就多达几十种。资源丰富（相当于2亿吨标煤）潜力巨大（荒山种植）,我国是一个多山的国家，全国山地面积约占国土总面积的70%，而且气候、土壤、地理条件都宜发展薪炭林，自古以来就有很高的森林覆盖率，并有极其丰富的森林植物资源。,农业生物质能资源,农作物秸秆 每年可生产7亿多吨，按照可利

3、用系数85%计算，可用秸秆接近6亿吨，相当于3.2亿吨标准煤。农产品加工业废弃物(1)禽畜粪便 目前我国禽畜粪便资源总量约8.5亿吨，约折合7840万吨标煤(2)农加工废弃物稻壳、玉米芯、甘蔗渣等总量超过1亿吨，经充分利用可生产相当于0.31亿0.67亿吨标准煤的能源 每年棉籽产量约1300万吨，可产棉籽油200万吨左右,工业有机废水资源,制浆造纸业废水 主要成分有污染物类悬浮物(如纤维素和纤维细料)、易被生物降解的有机物(如半纤维素、甲醇、乙酸、糖类等)、难被生物降解的有机物(如木质素和大分子碳水化合物、毒性物质硫化氢、甲基硫、甲基醚及多种氯化有机化合物)及酸碱物质等。我国县及县以上造纸工业

4、及纸制品工业废水排放量占全国工业总排放量的18.6%，其中经处理达标的排放量占造纸工业废水总排放量的49.3%，排放废水中COD约占全国工业COD总排放量的44.0%。,工业有机废水资源,制浆造纸废水处理主要有碱回收法、酸析法、超声法、燃烧法、混凝法、化学氧化法、物化法、生物法、电子束法、电化学法、物理法、气浮法、絮凝法、过滤法、膜分离法等。但这些方法仅仅是从减少环境污染的角度出发，基本上是对制浆造纸废水的简单净化，而没有做到充分利用废水资源，应当从新的角度认识废水。,工业有机废水资源,制革业废水制革业是产生大量污水的行业，制革污水不仅量大，而且是一种成分复杂、浓度高的有机废水 制革污泥中含有

5、约70%的有机物，制革污泥中如果不含铬，其利用前景还是非常广阔的。每千克干污泥含有约3000kcal的热量，可以进行热能的回收,工业有机废水资源,酿酒业废水对酒的需求量日益增大，随之带来的是酿酒业的更大的排污量，给我国水环境造成十分严重的污染 全国啤酒废水年排放量在2.5亿立方米以上 啤酒废水的主要成分是:果胶和蛋白质。这些物质随废水排出成为污染源，但如果综合利用，又是宝贵的物质资源。,工业有机废水资源,畜禽加工业废水我国每年畜禽粪便产生量接近8.5亿吨，是同期工业固体废弃物的2.7倍。统计显示，养猪业(尤其是猪所排泄的粪尿)对水质的污染居首位，其次是家禽。猪粪尿混合排出物的COD值达8100

6、0mg/L，牛粪尿混合排出物的COD值达36000mg/L，笼养蛋鸡场冲洗废水的COD值为43000-77000 mg/L,氨态氮浓度为2500-4000mg/L。,Chemical oxygen demand(COD),化学需氧量是指利用化学氧化剂（如重铬酸钾）将水中的还原性物质（如有机物）氧化分解所消耗的氧量，是一种常用的评价水污染程度的综合性指标。化学上也称COD，它反映了水体受到还原性物质污染的程度。由于有机物是水体中常见的还原性物质，因此，COD在一定程度上反映了水体受到有机物污染的程度。COD越高，污染越严重。COD分析中常用的氧化剂有高锰酸钾（锰法CODMn）和重铬酸钾（铬法CO

7、DCr），现在常用重铬酸钾法。,Biochemical Oxygen Demand(BOD),在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，表示单位为氧的毫克/升（O2，mg/L）。BOD测定方法：常采用在20条件下，培养五昼夜后测定的生化需氧量（对生活污水而言，约等于完全氧化分解耗氧量的百分之七十），称为五日生化需氧量记作BOD5。,固体废弃物资源,1999年，全国工业固体废物产生量7.84亿吨，而到了2005年，这一数字变为13.4亿吨，并以每年10%的速度递增。在每年年产1.5亿吨的城市垃圾中，被丢弃的“可再生资源”价值高达250亿元。城市生活垃圾的处理技术包括

8、填埋法、堆肥法和焚烧法。其中堆肥法和焚烧法是将生活垃圾资源化利用的方法，其中的焚烧法所产生焚烧余热可用于发电或供热，因此，垃圾焚烧厂一般都建设成焚烧发电供热厂。,第二章 生物质资源,2.1 生物质能的主要资源（了解）2.2 生物质资源量推算（掌握）2.3 能源植物（了解）2.4 能源微生物（了解）2.5 能源生物的品种改良技术（掌握）,农作物资源,农作物秸秆资源量是以农作物产品的产量进行推算的,式中Sn秸秆资源量，万吨；i资源品种编号，1,2,3,n；Si第i种作物产量，万吨；di第i种农作物草谷比(产率)，kg/kg。,草谷比(产率),例：国家统计局统计，2006年我国主要粮食产量（万吨）如

9、下：稻谷18257.2 小麦10446.7 玉米14548.2 棉花674.6 豆类 2104.5 薯类3406.1 估算这些粮食产生的秸秆资源量,薪柴资源,薪柴的来源有3种情况：森林采伐木和木材加工的剩余物，可用作燃料量按原木产量的1/3估算；薪炭林、用材林、防护林、灌木林、疏林的收取或育林剪枝，按林地面积统计放柴量；四旁树(田旁、路旁、村旁、河旁的树木)的剪枝，按树木株数统计产柴量。,薪柴资源,假设有一片较大的地域范围，里面有几个区域，和中各种林木在不同的区域里拥有不同的情况，统计这片地域范围的薪柴资源量，可用下式估算：,式中Sx统计地域范围的薪材资源量，万吨;i范围内的区域数，1,2,3

10、;jx区域内有薪炭林、防护林共m种林地，1,2,3,m;Fij在i区域内m种林地各占不同的面积，万公顷;yij某种林地的产柴率(每公顷一年产柴量)，kg/hm2;Qij该种林地可取薪柴面积系数(取柴系数);Tij在i区域内m种四旁林产柴率(每株一年产柴量)，kg/株;Xij第i区第j种四旁树株数，万株;Yij第i区第j种四旁树取柴系数;W表示地域范围内年原木产量;1/3从原木到加工成才剩余物的比例。,人畜粪便资源,人畜粪便资源量，是以人口数、禽畜存栏数、年平均排泄量为基础进行估算，在计算儿童、幼畜的粪便资源量时，要乘以成幼系数。统计公式如下：,C人畜粪便资源量，万吨;i人、猪、牛类别数，1,2

11、,3,n;Pii种生产资源的成人、成畜数量;Aii种生产资源的成人、成畜年排泄粪便量，kg/年;Rii种生产资源的儿童、幼畜数量;Bii种生产资源的儿童、幼畜的成幼系数。,人、畜粪便排泄量中干物质基成幼系数,草资源,草资源量受气候、地表状态、放牧情况、割收方式等诸多因素的影响，变化较大。统计一片地域范围年产草量，可将此地域范围分成几种草地类型，如湿地、岭坡、山间等分类统计后再叠加，可用下式进行估算：,D草资源量，万吨;i一范围内的草地类型数量，1,2,3,Gi一i种类型草地面积，万公顷;Hi一i种类型草地当年每公顷面积平均产草量，t/hm2。,第二章 生物质资源,2.1 生物质能的主要资源（了

12、解）2.2 生物质资源量推算（掌握）2.3 能源植物（了解）2.4 能源微生物（了解）2.5 能源生物的品种改良技术（掌握）,能源植物的概念,能源植物(energy plant)(又称“石油植物”或“生物燃料油植物”)通常是指那些具有成较高还原性烃能力的、并可产生接近石油成分或可替代石油的产品的植物，以及富含油脂或碳水化合物的植物。广义的能源植物包含所有的陆地和海洋的植物，狭义的能源植物则是指能量富集型的植物。,能源植物的特点,环保性能好。具有可再生性 低成本。安全性好。持续稳定性。,能源植物的种类,按照能源植物的形态和生活环境分类木本植物 木本植物大多作为薪炭林植物，目前国际和国内正在和已经

13、研究、利用的木本能源植物主要是油料植物 草本植物 具有生长迅速、生活周期短等特点，因而更利于大面积种植，从而实现产业化。水生能源植物主要指一些特殊的藻类。,能源植物的种类,按照能源植物的使用功能分类 富含糖类、淀粉和纤维素等碳水化合物的能源植物 富含油脂的能源植物 如油菜、向日葵、棕搁、花生、大豆等。富含类似石油成分的能源植物又称为“石油植物”，主要为大戟科、夹竹桃科、桑科、山榄科以及藻类等植物 速生丰产薪炭树,重要能源植物,草本能源植物甜高粱 甜高粱具有极高的光合速率，因此生物学产量极高，它不仅每亩可收获100400kg的粮食，还可产40005000kg富含糖分(甜度18%21%)的茎秆 甜

14、高粱生长期较短，在我国南方一年可收获23次。目前我国是世界上主要种植高粱的国家之一，年播种面积约270万公顷，年产量约800万吨，主产地为辽宁、吉林、山东、河北和黑龙江等省。,重要能源植物,草本能源植物甘蔗 在巴西，每公顷甘蔗产量已达到89t，每吨甘蔗可产乙醇79L，相当于每公顷土地每年可产乙醇超过7000L。木薯(manihot utilissuna)耶路撒冷菜蓟(artichoke)每吨块茎可生产85L乙醇，如果每公顷土地生产40t块茎，则每公顷土地可生产300400L乙醇。,油料能源植物,植物油的化学成分因其种类和生产地区的不同存在着一定的差别。一般来说，植物油是由各种甘油三酸醋和少量游

15、离脂肪酸以及各种非油脂物质组成，含有C、H、O。,其黏度和密度较大，易发生氧化反应；植物油的闪火点高于柴油，运输存储比较安全植物油几乎不含硫，不会产生硫腐蚀。,植物油与柴油相比,植物油内燃机燃烧存在的问题,植物油黏度高，一般高于柴油数倍或数十倍，很难达到良好的雾化效果 植物油挥发成分含量较低，其初馏温度、馏出50%与馏出80%的温度均高于柴油，因此点火、燃烧困难，难于燃尽，且积炭严重 植物油所含的不饱和烃容易与空气发生化学反应，其产物会导致过滤器的堵塞以及喷油嘴的结焦。,植物油改性,在植物油中掺入柴油以降低黏度，改善雾化质量。以植物油和含水醇类形成微乳剂以降低黏度，可在较低柴油掺入量的情况下，

16、达到了对燃油的黏度要求，并且还可利用燃油中低沸点成分在燃烧过程的微爆，炸裂油滴现象改善雾化质量。对植物油进一步深加工，植物油与甲醇或乙醇在催化剂和一定温度下进行酯化反应，生成生物柴油,其它油料植物,麻疯树 云南、四川、贵州、广东等地有分布，种子含有40%60%，种植3-4年的麻疯树年亩产种子300kg光皮树黄连木,制取碳氢化合物的能源植物（石油植物）,20世纪70年代，诺贝尔化学奖获得者卡尔文和他的研究小组决定寻找可能生产出石油的植物，从土地里“种”出石油来，经过多年的寻找，他们终于在巴西的热带雨林里发现一种能产出“石油”的奇树，名为科帕伊巴树。该树品种繁多，一般可高达2025m。每隔一年半或

17、两年开采一次，取油方法非常简单，只要在树干上钻一直径约5cm的小孔，12h内就能流出金黄色或淡黄色的油状树液。一颗直径在11.5m的科帕伊巴树，每次可产树液1520L。卡尔文对这种树液进行化验，发现树液的化学成分与柴油极其相似，不需加工提炼，就可作为柴油来使用。,有趣的“石油植物”,产于澳大利亚的古巴树(也称柴油树)，每年从每棵成年树中可获得约25L燃料油，且这种油可直接用于柴油机；巴西有一种野生的汉咖树，在它体内含有15%的酒精；,有趣的“石油植物”,巴西生长的香胶树是一种枝干粗大的常绿乔木一年能分泌4060kg胶液，纯净的胶液不经提炼可直接作柴油使用，每公顷香胶树可年产“石油”225桶,巴

18、西还有一种油棕榈树，也是一种石油树，栽培3年后开花结果，每公顷可年产油10t；产于美国的美洲香槐，生活在干旱和半于旱地区，生长环境与我国西部很多地区相似，每公顷土地可得到约1600L燃料油;,有趣的“石油植物”,美国加利福尼亚州生产的“黄鼠草”每公顷可提炼1000L石油，若经人工杂交种植，每公顷可提炼石油6000L；树海桐又叫石油果，该植物是一种潜在的石油替代用品，分布很广，常见于高山的脊梁上，1kg石油果可出油68g，有石油气味，燃烧皇幽暗火焰，果汁含有碳氢化合物、双氢化萜烯，庚烷，这些都是石油的主要成分，它有望代替石油。,有趣的“石油植物”,藻类能源植物,藻类是最古老的水生植物，大约25亿

19、年前至4亿3800万年前是藻类的繁荣时期，它们是元古代海洋中的主要生物。科学研究表明，在一些藻类中含有极其丰富的烃类碳氢化合物，如丛粒藻、巨型藻及小球藻等，大多含有30%50%，有的甚至可高达85%左右。因此，科学家认为水藻是当今最有开发前途的能源之一。,藻类能源植物的利用,美国已利用西海岸的巨型藻提炼柴油;日本正积极培植一种微细藻类，将其干燥后，与催化剂一起进行反应，制取醇类燃料进行发电；英国科学家另辟蹊径，早在20世纪90年代初就开展利用水藻直接发电技术的研究，最近研制出一套功率为25kW的水藻发电示范系统。他们首先用人工方法培养水藻，用生物工程技术使水藻加速生长，以达到一定产量，然后将收

20、获的湿水藻送去加工成直径50m的细小颗粒，再将小颗粒加压到300kPa，变成“雾状”，通过燃烧它来驱动发电机运转发电。其中水藻约占发电燃料的95%。,第二章 生物质资源,2.1 生物质能的主要资源（了解）2.2 生物质资源量推算（掌握）2.3 能源植物（了解）2.4 能源微生物（了解）2.5能源生物的品种改良技术（掌握）,能源微生物,在能源物质生产过程中起主导作用的微生物统称能源微生物产甲烷微生物产酒精微生物产氢微生物产油脂微生物、产脂肪酶微生物,产甲烷微生物,进行严格的厌氧生活，主要存在于淡水和海水沉积物、淤泥、污水、水稻田、池塘、湿地、动物的瘤胃、动物消化道等种类多：甲烷杆菌属、甲烷八叠球

21、菌属、甲烷球菌属等 利用乙酸、二氧化碳和水生成甲烷 利用二氧化碳和氢气生成甲烷生长缓慢生长和产甲烷过程中无机物具有重要作用,产甲烷微生物,产甲烷微生物可利用小分子有机物和二氧化碳生成以甲烷和二氧化碳为主的混合气 可利用的底物包括：H2/CO2、甲醇、异丙醇、甲酸、乙酸、甲胺类、甲醇硫化物等,产甲烷还需要其它微生物参与,参与甲烷产生的其它微生物,发酵性非产甲烷细菌 可分泌各种水解酶，将大分子（纤维素、半纤维素、淀粉、蛋白质等）分解为脂肪酸、有机酸、醇类、氨、硫化物、二氧化碳和氢气的一类微生物（梭菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属）。产氢产酸细菌 将脂肪酸、有机酸、醇类等进一步代谢生成乙酸和氢气的微生物（

22、梭状芽孢杆菌、链球菌、大肠杆菌和丙酸杆菌）,产酒精微生物,利用葡萄糖产酒精的酵母 啤酒酵母、葡萄汁酵母、清酒酵母等利用葡萄糖产酒精的细菌 厌氧发酵单胞菌、棕榈发酵菌利用戊糖产酒精的微生物 可充分农业秸秆,产氢微生物,生物制氢包括：光生物产氢(photobiological hydrogen production)发酵产氢(bio-fermentation hydrogen production),产氢微生物,产氢的光合生物光合细菌(photosynthetic bacteria)蓝细菌(cyanobacteria)绿藻产氢发酵细菌,产油微生物,在一定条件下，利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂

23、为碳源，可在体内产生大量油脂作为细胞能量的贮存和运输方式，油脂的合成量可占生物总量的20%以上，有的甚至高达50%60%产油酵母产油酶菌,用于能源生产的其它微生物,产脂肪酶的微生物生物柴油是利用动植物油脂与甲醇或乙醇进行反应合成脂肪酸单酯以替代柴油的一种生物能源形式。直接混合法、微乳液法、高温裂解法、酯交换法、超临界甲醇法以及生物技术法生物法制备生物柴油是利用脂肪酶催化进行的，包括动物脂肪酶和微生物脂肪酶,用于能源生产的其它微生物,微生物电池 生物燃料电池是通过微生物的活动产生电能的一种装置，它是利用微生物的代谢产物作为电极活性物，将生物质能直接转化为电能的装置，而又称为微生物电池。产气单胞菌

24、处理柠檬汁，产生甲酸 芽孢杆菌处理尿液，尿液分解而生成尿素、尿素在尿素酶的作用下产生氨,第二章 生物质资源,2.1 生物质能的主要资源（了解）2.2 生物质资源量推算（掌握）2.3 能源植物（了解）2.4 能源微生物（了解）2.5 能源生物的品种改良技术（掌握）,地球上植物种资源非常丰富，但在已知的200多种能源植物中，比较理想、完全符合作为能源植物条件的物种却很少。有些植物确实有生产某种生物质的能力，但生长缓慢，生物量小，有些则含有某种有害物质，在能源利用过程中可能造成环境问题。这就需要加强能源植物资源调查、筛选和驯化的工作。,能源植物的品种改良技术,通过控制植物的光合和代谢过程，或利用遗传

25、育种和生物工程技术改变现有能源植物品种的性状及其代谢过程，可以提高能源植物的产量和品质，减少有害成分的生成量。改良技术 杂交育种 物理诱变 化学诱变 细胞工程 基因工程,杂交育种,以基因型不同的植物种或品种进行交配或结合形成杂种，通过培育选择，获得新品种的方法。由于杂交引起基因重组，后代会出现组合双亲控制的优良性状基因型，产生加性效应，并利用某些基因互作，形成具超亲类型新个体，为培育选择提供了物质基础。杂种后代群体，通过培育、鉴定、选择等步骤，获得优良单系，再经过无性繁殖就形成新品种。“袁隆平 杂交水稻”,物理诱变育种,有X射线、射线和中子，此外还有紫外线和射线。当物体的某些较易受辐射敏感的部

26、位受到射线的撞击时，而发生离子化，可以引起DNA链断裂，当修复不能恢复到原状时就会出现突变。如果射线击中染色体则可能导致断裂，在修复时可能造成缺失、重复、倒位和易位等染色体畸变。中子不带电，但与生物体内的原子核撞击后，使原子核变换产生了射线等能 量交换，从而影响DNA和染色体的改变。,物理诱变育种,离子注入诱变育种 离子束与生物的相互作用不仅有物理的和化学的，而且还会引起强烈的生物效应，从而促使生物产生各种变异，可以从中选出所期望的优良变异，经过培育而成为一种新品种。变异率高，一般要比自然变异率高1000倍以上；变异谱宽，即变异的类型多，能够产生自然界里从未见过的新类型；变异稳定快，可以大大缩

27、短育种周期；离子注入诱变育种技术稳定可靠，简便易行。,物理诱变育种,太空育种 将农作物种子搭载于返回式地面卫星或飞船，借助太空超真空、微重力及宇宙射线等地面不可模拟的环境变化，使种子发生变异，经过地面几代选育获得稳定的遗传性状，从而培育出新的农业品种夹。江西广昌利用航天育种培植出特大粒白莲种“卫星3号”，每粒莲子2.4g以上，比常规品种可增产60%。“神舟3号”搭载的水稻种子返地种植后产生的突变株，生物量增加约30%穗数增加37%。,物理诱变育种,物理高压育种 近年来，中国科学院地球化学研究所合作研究应用750atm的净水高压处理已萌动种子的方法来对一些植物进行品种改良，取得了初步的结果，并培

28、育了几个优质的品种。,物理诱变育种,激光辐射诱变和微波辐射诱变激光是一种量子流、光微粒。激光辐射通过产生光、热、压力、电磁效应综合作用，直接或间接影响生物有机体，引起DNA或RNA改变，导致酶的激活或钝化，引起细胞分类和细胞代谢活动改变。微波辐射属于低能电磁辐射的一种，其量子能量为10-2810-25eV，对机体的作用是场力和转化能的协同作用，引起生物体突变。,化学诱变育种,早在1948年，Gustafsson等曾用芥子气处理大麦获得突变体。1967年Nilan用硫酸二乙酯处理大麦种子育成了矮秆、高产品种Luther 目前公认的最有效和应用较多的化学诱变剂是烷化剂（EMS）和叠氮化物两类。化学

29、诱变剂的特点有:诱发突变率较高，而染色体畸变较少，并且诱变范围广。对处理材料损伤轻，有的化学诱变剂只限于DNA的某些特定部位发生变异。使用设备简单、成本低,细胞工程（Cell Engineering）,植物的细胞工程是根据植物细胞的全能性原理，利用植物组织培养技术，在无菌的离体培养条件下，进行细胞的增殖和遗传操作。细胞工程育种技术：植物原生质体培养与融合 花药(花粉)培养和单倍体育种 体细胞的无性系变异及筛选,基因工程育种,基因工程(Genetic Engineering)是人类根据一定的目的和设计，对DNA分子进行体外加工操作，再引入受体生物，以改变后者的某些遗传性状，从而培育生物新类型的生物工程技术。发明基因工程的思想渊源在于，可以应用体外的DNA来改变生物的遗传性状。,能源植物遗传改良的目标,丰产 提高光合作用的效率（光利用率）良好的品质 淀粉和糖类、脂肪酸较强的抗逆 抗逆基因育种、抗病虫基因育种,能源微生物遗产改良的目标,高产菌种的选育改变生物合成途径以获得新的优良菌株改变菌种性状、改善发酵过程 改变扩大原料适应性、菌丝体性状、对氧的摄取条件、耐高温耐碱选育优良遗传性状、特别是生产性状稳定的菌种,